基于比例流量阀的气动位置伺服系统的一种非线性补偿方法

基于比例流量阀的气动位置伺服系统的一种非线性补偿方法

柏艳红1,李小宁2ANonlinearCompensationMethodforPneumaticPositioningSystemwithProportionalFlowValve

BAIYan󰀁hong1,LIXiao󰀁ning2(1.太原科技大学电子信息学院,山西太原󰀁030024;2.南京理工大学SMC气动技术中心,江苏南京󰀁210094)摘󰀁要:在基于电气比例流量阀的气动位置伺服系统中,比例流量阀的开口有效面积与控制量呈非线性关系,该非线性特性对系统性能有很大影响。该文首先通过仿真和实验,分析了比例流量阀非线性特性对系统控制性能的影响;然后,提出了一种将比例流量阀输入输出进行线性化处理的非线性补偿方法,以减弱系统的非线性强度,改善系统特性,提高系统的可控性。仿真和实验结果均表明,采用该文提出的非线性补偿方法,可以克服比例阀非线性特性的影响,使系统特性得到了改善。关键词:电气比例流量阀;气动位置伺服系统;非线性补偿

中图分类号:TH138.51󰀁文献标识码:B󰀁文章编号:1000󰀁4858(2007)07󰀁0052󰀁041󰀁引言气动位置控制系统主要有3大类:基于比例流量阀的气动位置伺服系统;基于比例压力阀的气动位置伺服系统;以及基于开关阀的气动位置伺服系统。基于开关阀的气动位置伺服系统,由于开关阀采用数字信号控制,与计算机接口方便,价格便宜,但气动回路复杂,且由于开关阀固有的不连续性,这类气动位置伺服系统通常很难获得较好的控制精度和良好的重复性能。基于比例压力阀和比例流量阀的气动位置伺服系统,气动回路元件少、气动回路简单、控制精度较高。刚度低则是比例压力阀控气动伺服系统的缺点。这3类系统中,最常用的、性能价格比较好的是基于比例流量阀的系统[1]。目前,市场上大多电气比例流量阀开口有效面积与控制量之间为静态非线性关系。对于基于比例流量阀的气动位置伺服系统,除了气体的压缩性、腔内气体复杂的热力学过程、以及相对驱动力较大的摩擦力等气动系统固有的非线性因素外[2],比例流量阀的非线性特性对系统性能的影响也很大,如果能对该非线性特性补偿,则可以减弱系统的非线性强度,改善系统的动态特性。本文以比例流量阀控制的摆动气缸位置伺服系统为例,通过仿真和实验分析了比例流量阀的非线性特性对系统性能的影响,提出了一种将比例流量阀进行输入输出进行线性化处理的非线性补偿方法,并通过仿真和实验验证了该方法对系统性能的改善作用。2󰀁系统组成比例流量阀控制的摆动气缸位置伺服系统组成原理如图1所示,主要包括摆动气缸(缸径100mm,行程270󰀂),2个三通比例流量阀(最大有效截面为8mm2,响应

󰀁收稿日期:2006󰀁12󰀁11󰀁作者简介:柏艳红(1970 ),女,山西太原人,博士,研究方向:气动伺服控制技术及智能控制理论研究。

图1󰀁系统组成示意图

52液压与气动2007年第7期时间小于30ms),旋转编码器及计数器(分辨率4800P/R),数据采集卡(12位A/D,12位D/A)和计算机等。系统采用了2个三通比例流量阀,为了控制方便,采用如下控制方式:uv1=u01+u,󰀁uv2=u02-u

其中,u01和u02分别为2个比例流量阀处于零位时的控制电压,uv1和uv2表示2个阀的控制电压,u为控制器输出的控制量。这样,2个比例阀由1个控制量来控制,系统为单输入单输出系统。3󰀁比例流量阀非线性特性对系统性能的影响3.1󰀁比例流量阀特性分析图2为实验测得的比例流量阀的开口有效面积S与控制量u的关系曲线。图中,进气口和排气口的有效面积统一用S表示。S>0时,S为进气口的有效面积值,排气口封闭;S<0时,S为排气口的有效面积值,进气口封闭。

图2󰀁比例阀开口有效面积与控制量关系由图2可以看出,比例阀开口有效面积S与控制量u成非线性关系,其增益随着控制量的变化而变化,而且在零位附近,增益较小。通常系统在期望值附近时,比例阀工作在零位附近,此时,较小的增益会引起较大的稳态误差。3.2󰀁比例阀非线性特性对系统性能的影响研究比例流量阀的非线性特性对系统性能的影响时,需要尽量避免系统的其他非线性因素(如摩擦力矩)产生的影响。仿真研究可以对系统的参数进行任意设置,因此,下面首先采用仿真的方法进行研究,仿真时将系统的一个主要非线性因素 摩擦力矩设置为零。仿真所用系统模型参见文献[3]。图3a为采用比例控制的闭环仿真曲线。由图3a可以看出,系统的响应过程具有以下特点:!在初始阶段,系统响应速度快,存在振荡;接近期望值时,响应速度却很慢。这是由于在初始阶段,控制量u较大,比例阀放大系数较大,系统开环增益亦较大;而接近期望值时,控制量u较小,比例阀工作在

a)仿真曲线b)实验曲线图3󰀁比例控制

零位附近,放大系数较小,系统开环增益也较小。∀减小控制器的比例系数,如KP=0.6,动态过程初始阶段的振荡减弱,但整个系统的动态响应变慢;增大比例系数,如KP=1,可以加快响应速度,但初始阶段的振荡加剧,产生超调。为了进一步研究比例阀的非线性特性对系统性能的影响,对实际系统进行了实验。图3b为采用比例控制的闭环实验曲线,实验条件与的图3a仿真条件相同,控制器的比例系数为0.8V/rad。由图3b可以看出,实验曲线与仿真曲线的动态过程一致,系统在同一动态响应过程中存在不同的特性。不同的是,实验曲线中存在较大的稳态误差,这是由于实际系统存在较大的摩擦力矩,而在期望值附近比例阀的放大系数较小。可见,由于比例阀放大系数随控制量变化,系统开环增益也随之变化,导致同一动态过程中系统呈现出不同的特性,且由于比例阀零位附近的放大系数较小,系统的稳态误差较大;系统对控制器的比例系数非常敏感,比例系数较小时,系统过渡过程慢,稳态误差大,而比例系数稍稍增大,系统振荡加剧,超调增大。因此,比例流量阀的非线性特性严重影响了系统的动态特性和稳态精度。4󰀁比例流量阀非线性特性的补偿为了减小比例流量阀的非线性特性对系统性能的

532007年第7期液压与气动影响,减弱系统的非线性强度,本文提出对比例流量阀的非线性特性进行补偿,使比例流量阀的有效面积与控制量之间成线性关系。下面以比例流量阀1为例,说明比例阀输入输出线性化的思想及输入输出线性化环节的设计过程。如图4,在控制器与比例流量阀1之间增加一个比例阀非线性特性补偿环节,将该环节与比例阀1看作一个整体,其输入为控制器的输出u,输出为比例阀1的开口有效面积S1。比例阀非线性特性补偿环节的输出为比例阀的控制输入,用ul1表示,比例阀的控制电压为uv1=u10+ul1。图4󰀁比例流量阀输入输出线性化过程方块图比例流量阀输入输出线性化的思想:控制器输出u为期望的比例阀1开口有效面积,经比例阀非线性特性补偿环节计算得到对应与该有效面积的控制输入ul1,这样,在ul1的控制下,比例阀1的实际开口有效面积S1与控制器输出的期望有效面积u相等,即阀开口有效面积与控制量成线性关系。设图2所示的比例流量阀1的开口有效面积S1与控制输入ul1的关系曲线用函数S1=f(ul1)表示,其逆函数为ul1=f-1(S1)(见图5)。令比例阀的控制输入ul1与控制器输出u满足ul1=f-1(u),则比例阀1的开口有效面积S1与控制量u的关系为S1=u。图5󰀁线性化环节输入输出关系逆函数ul1=f󰀁1(u)即为图4中的比例阀非线性特性补偿环节的表达式,通过对图5中的曲线进行分段线性拟合得到。采用同样的方法可得到阀2输入输出线性化环节的表达式,线性化后其有效截面积S2与控制量u的关系为S1=-u。图6a为采用比例流量阀输入输出线性化处理后,闭环控制仿真曲线。仿真条件与图3a相同。控制器比例系数KP分别取1.5mm2/rad、2mm2/rad和4mm2/rad。由图6a可以看出,采用比例阀非线性特性补偿后,系统的动态响应过程不再呈现一段#快∃,一段#慢∃的显著变化。于是,控制器比例系数可以大范围调节,系统的特性得到很大改善。以上的仿真研究中,没有考虑实际系统的摩擦力矩,且比例流量阀的线性化是理想的线性化。为了验证比例阀非线性特性的补偿对实际系统性能的改善,进行了实验研究,图6b为实验结果曲线。实验条件与图6a相同,控制器的比例系数为2mm2/rad。

a)仿真曲线b)实验曲线图6󰀁采用非线性特性补偿比例控制参数曲线

由图6b可以看出,实验结果与仿真结果一致,系统动态特性得到了很大改善。将图6b与图3b进行对比,可以看出在控制器的比例系数不是很大、系统没有产生超调和振荡的情况下,系统的稳态精度得到了提高。需要说明的是,由于比例流量阀的磁滞特性等因素的影响,表示比例流量阀开口有效面积与控制量关系的特性曲线只能是近似表示,所以根据它进行的比例阀线性化也只能是近似线性化。但实验表明,即使是近似线性化,也大大改善了系统的特性。5󰀁结束语在基于比例流量阀的气动位置伺服系统中,比例流量阀的非线性特性对系统的稳态精度和动态特性都有较大影响。本文提出的比例流量阀输入输出线性化的非线性补偿方法,可以使比例阀的有效面积与控制量呈线性关系,克服了比例阀非线性特性的影响,减弱了系统的非线性强度。仿真和实验结果表明该方法可以改善系统特性,提高系统的控制性能,为后续系统控

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