摆动气缸位置伺服系统特性实验研究

第32卷第1期2008年2月南京理工大学学报(自然科学版)Journal of Nanjing University of Science and Technol ogy (Natural Science )Vol .32No .1Feb .2008　收稿日期:2007-03-16 修回日期:2007-10-25　基金项目:山西省高校科技研究开发资助项目(2007141)　作者简介:柏艳红(1970-),女,山西太原人,博士,主要研究方向:机电液气伺服控制技术及智能控制理论,E 2mail:yanhong .bai@ 。

摆动气缸位置伺服系统特性实验研究柏艳红1,2,李小宁1(1.南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;2.太原科技大学电子信息学院,山西太原030024)摘　要:该文通过大量实验对比例流量阀控摆动气缸位置伺服系统的典型非线性特性进行了研究,主要包括:研究分析了工作点位置、负载大小、摆动气缸两腔初始压力等工作参数对系统特性的影响;指出了系统存在的粘滑振荡、位移波动、“停滞”等现象,并分析了其产生的原因。

研究得出:在摆动气缸行程范围内的不同位置或摆动气缸两腔初始压力不同时,系统呈现出不同的特性;摆动气缸的摩擦力及其两腔压力较慢的动态过程引起了系统的“粘滑振荡”等典型非线性现象。

关键词:摆动气缸;气动位置伺服系统;系统特性中图分类号:TH 138.51 文章编号:1005-9830(2008)01-0028-05Experiment al Study on Characteristi cs of Pneu mati c Rot aryActuator Positi on Servo SystemBA I Yan 2hong 1,2,L I Xiao 2ning1(1.School of Mechanical Engineering,NUST,Nanjing 210094,China;2.School of Electr onics I nf or mati on Engineering,Taiyuan University of Science and Technol ogy,Taiyuan 030024,China )Abstract:The typ ical nonlinear characteristics of the pneu matic r otary actuat or positi on servo syste m using p r oporti onal fl ow valves are ex peri m entally studied .First,the influence of such operating pa 2ra meters as the positi on of the operating points,the magnitude of the payl oads and the initial p res 2sures in the t w o cha mbers is studied .Some particular phenomena such as stick 2sli p oscillati on,dis 2p lace ment fluctuati on and “stagnati on ”are pointed out,and the causes of these phenomena are ana 2lyzed .The conclusi ons are dra wn:the syste m behavi ors are different in different positi ons within the str oke or with different initial p ressures in the t w o cha mbers;the typ ical nonlinear phenomena such as stick 2sli p oscillati on are mainly caused by the fricti on of the actuat or and the sl ow dyna m ic p r ocess of the p ressures in the t w o cha mbers .Key words:pneu matic r otary actuat or;pneu matic positi on servo syste m;syste m characteristics总第158期柏艳红　李小宁　摆动气缸位置伺服系统特性实验研究　 气动位置伺服系统以其成本低、功率重量比高、干净、适用于易燃、易爆、高温等恶劣环境等优点,在工业自动化和机器人等领域越来越受到人们的重视,成为气动技术领域的研究热点之一[1]。

以往对气动位置伺服系统的研究比较直接地针对于控制策略的研究,往往忽略了先期应该进行的系统特性的研究[2-6]。

然而,空气的压缩性、阀的非线性特性、摩擦力的非线性等因素会使气动伺服系统呈现出一些特殊的性质和现象。

因此,有必要对气动位置伺服系统的系统特性进行深入研究,为控制策略的研究提供参考。

本文针对比例流量阀控制的摆动气缸位置伺服系统的特性进行研究。

在实验的基础上,研究工作点位置、负载大小和摆动气缸两腔初始压力等工作参数对系统特性的影响,分析系统存在的一些特有现象并提出相应对策。

1　实验装置摆动气缸位置伺服系统实验装置组成原理如图1所示。

图1　摆动气缸位置伺服系统组成原理图图1中,粗线表示气动回路,细线表示电气回路。

摆动气缸垂直放置,由它带动负载转台旋转,控制阀采用两个三通比例流量阀,用旋转编码器及计数器测量角位移,用压力传感器测量摆动缸两腔压力。

压力传感器与计数器的输出信号经数据采集卡输入到计算机,计算机输出的控制信号经数据采集卡及功率放大器分别驱动两个比例阀,以控制摆动缸两腔的气体流量和压力。

实验装置中主要元器件型号及主要参数如表1所示。

表1　主要元器件型号及其主要参数列表元件主要参数叶片式摆动气缸缸径100mm,行程270°三通比例流量阀响应时间小于30m s,最大有效面积8mm 2旋转编码器分辨率1200脉冲/转倍频及计数器四倍频,16位计数 为了控制方便,两个比例阀采用如下控制方式:u v1=u 01+u,u v2=u 02-u 。

其中,u 01和u 02分别为两个比例流量阀处于零位时的控制电压,u v1和u v2表示两个阀的控制电压,u 为控制器输出的控制量。

2　系统特性实验研究P I D 控制是在实际控制中应用最广泛的经典控制方法,本文采用P I D 算法研究摆动气缸位置伺服系统的特性,其表达式为　u (k )=K P e (k )+K I∑kj =0e (j )+ K D [e (k )-e (k -1)]式中:e 为位置误差,K P 为比例系数,K I 为积分系数,K D 为微分系数。

2.1　工作参数对系统特性的影响改变工作参数,包括气源压力、负载、两腔初始压力等,实验研究系统的响应特性。

实验中,采样周期为10m s ,控制器参数为:K P =1.3,K I =0,K D =0。

实验条件为:供气压力p s =0.41MPa ,负载转动惯量J =112.78kg ・c m 2。

图2～5为实验结果曲线。

对实验曲线分析如下:(1)在不同工作点位置,系统特性不同。

图2中的(a )～(c )为方波信号幅值相同(30°),而中心位置不同的实验结果。

由图2可以看出,期望位置不同时,系统动态特性相差较大。

这是由于在不同位置,摆动气缸两腔容积大小不同,使得压力动态过程不同的缘故。

(2)负载大小对系统特性有较大影响。

由图3可以看出,负载越大,超调量越大。

(3)气源压力小范围的波动对系统特性影响不大。

图4中,供气压力在±0.1MPa 的波动下,实验曲线基本重合。

92南京理工大学学报(自然科学版)第32卷第1期图2　不同中心相同幅值方波信号作用下的响应曲线图3　不同负载下的响应曲线比较图4　不同供气压力下的响应曲线比较图5　两腔初始压力不同时的响应曲线比较(4)摆动气缸两腔初始压力对系统特性有较大影响。

由图5可见,摆动气缸两腔初始压力均为大气压时,系统易产生超调;当两腔具有一定初始压力时,系统超调量减小。

实际系统工作过程是点点定位或多点定位动作的多次循环,而系统循环工作过程中,每次动作时两腔初始压力并不等于大气压力。

如果采用常用的阶跃信号研究系统,由于两腔初始压力无法准确反映实际值,因而不能完全反映系统实际运行时的特性。

因此,在系统特性分析和控制策略研究时,采用周期性的方波信号或阶梯信号作为给定信号。

2.2　粘滑振荡现象图6为采用P I D 控制的实验结果曲线。

一般情况下,采用积分控制可以消除稳态误差,然而从图6可以看出,不但稳态误差没有消除,反而在期望值附近发生持续的振荡现象。

这种振荡频率较低,呈一时“粘滞”一时“滑动”的运动形式,是一种粘滑振荡。

粘滑振荡现象产生的原因分析见文献[7]。

图6　P I D 控制下的响应曲线(K P =0.8,K I =0.005,K D =0)2.3　位移波动现象研究过程中发现,当采用比例或比例微分控制,且系统运行时间较长时,可以观察到:从位移曲线看,系统似乎进入稳态后,隔一段时间会产生一个微小(最小分辨率)的位移跳变,跳变间隔时间不固定,可能较长,有时长达10s 以上,在此称之为位移波动现象。

该现象严重影响了系统的定位精度。

图7为位移波动现象的一个实例。

实验条件为:供气压力为0.41MPa,初始位置为50°,设定位置为260°,负载转动惯量为112.78kg ・c m 2,两腔初始压力约为0.31MPa,控制器比例系数为113V /rad,系统运行时间为100s 。

由图7(a )的位移曲线来看,系统似乎很快进入了稳态,但从图7(b )的位移放大曲线来看,在期望值附近存在位移波动现象,在20s 后,位移波动使位移呈增大趋势,使得系统的稳态误差越来越大。

03总第158期柏艳红　李小宁　摆动气缸位置伺服系统特性实验研究图7　系统内部状态变量的动态过程下面分析位移波动现象产生的原因。

在期望值附近,控制量u很小(见图7(e)),比例流量阀工作在零位附近,其较小的开口有效面积使摆动气缸两腔压力变化过程非常缓慢(见图7(d)),不能迅速达到控制量对应的稳态压力,而在较长时间内处于过渡过程;并且由于两腔体积、两个比例流量阀开口面积的不同,使两腔压力的过渡过程不同,致使摆动气缸两腔压力差不为零且存在波动(见图7(c)),从而使两腔压力差产生的作用在摆动气缸叶片轴上的驱动力矩不为零且存在波动;在摆动气缸复杂的摩擦特性和波动的驱动力矩的共同作用下,系统产生了位移波动现象。