气动伺服定位技术研究

南京理工大学

气动伺服定位技术研究

姓名 刘雷

学号 515101001453

专业 机械工程

南京理工大学

气动伺服定位技术研究

刘雷 515101001453 南京理工大学

摘要：气动技术具有一系列显著优点，在工业生产中得到了越来越广泛的应用，已成为自动化不可缺少的重要手段。进入90年代后，气动技术更是一步步突破传统死区，经历着飞跃性的进展。气动伺服技术作为本学科的前沿研究领域，备受人们的重视。气动伺服定位技术已经能使气缸在高速运动下实现任意点高精度定位，突破传统的气动定位方法。

关键词：气动伺服定位，控制，定位精度

1.气动技术的发展概况

气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量转换、传递，实现生产机械化和自动化的一门技术。由于气动技术具有传动速度快、无污染、维护方便和成本低廉等优点，使其在工农业及医疗、食品、造纸等行业中得到了广泛的应用。气动技术已经成为当今实现自动控制的重压手段之一。

以空气作为工作介质来传递动力，起始于十八世纪的英国工业革命。那时的气动装置（如空气压缩机、气动风镐等），显示了气压传动简单、快速、安全、可靠等特点，开创了气压传动应用技术的先河。但这些气动装置主要是用来传递动力并做功。而现代气动技术（包括

南京理工大学

传动和控制）在工业生产中的实际应用起始于上个世纪的五十年代。那时出现的射流逻辑元件和各种有可动件组成的气动逻辑元件，开始把数字技术和逻辑代数等技术引进气动领域，这才赋予气动技术以新的内容，使气动技术真正具有传动和控制两方面的含义。七、八十年代，气动元件向着集成化、小型化方向发展。九十年代，气动技术突破了传统的死区，经历了飞跃性的发展，重复精度小于0.01mm的模块化手动机械手，5m/s低速平稳运行及17m/s高速运动的气缸相继问世。而且气动技术与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合，从而产生了智能气动，如智能阀岛、模块化机械手。气动技术正向着无给油化、小型化、集成化、电气一体化和智能化的方向发展。

现代制造业的不断发展，自动化技术的不断提高，对气动控制系统提出了更高的要求，从而也推动了气动控制技术的进一步发展。近年来，气动控制技术适应形势的发展，通过与电子技术及机械技术的有机结合，实现了电-气-机一体化。气动伺服系统的出现，大大拓宽了气动技术的应用范围，特别是为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分广阔的前景。人们已经开始研究用气动伺服系统去完成一些改进和优化的控制任务，来代替传统的开关阀控制，进而提供一个更加柔性的、精确的和高效的控制。

早期的气动伺服技术是在二十世纪五十年代后期由Shearer等人在美国麻省理工学院开始研究的[1]，并将其应用于航天飞行器的姿态控制和飞行稳定性控制中，这为后来的研究与开发奠定了基础。但当时的气动伺服系统大都采用机械控制方式，将最终输出量转化为

南京理工大学

机械弹簧位移或气压信号，然后反馈至调节气阀，实现对输出量的连续控制。这些系统的最大缺点是结构复杂，控制精度低，在高频响应的闭环系统中，执行器位置的稳定性很难控制。而且受当时的技术水平等条件所限，气动伺服系统只能应用于工作介质为高温高压的条件下。一旦以工业应用中的低压气源（低于10bar）[2]为工作介质，气动伺服系统就暴露出阻尼小、固有频率低、刚度差和严重非线性[3]等弱点。利用传统的控制方法和理论很难达到理想的控制效果。因此，在六、七十年代，液压伺服技术得到蓬勃发展的时候，气压伺服技术却滞止不前，进展缓慢。后来，现代控制理论的发展，为气动伺服技术的研究奠定了崭新的理论基础。1979年，西德Aachen.R.W工业大学成功研制出世界上第一台气动伺服阀，使气动伺服控制技术进入了一个全新的发展阶段[4]。

八十年代以后，由于微电子技术和现代控制理论的迅速发展，电子技术已渗透到工业的各个领域，各种性能优良的电气控制元件不断出现，为气动技术的进一步发展创造了良好的条件。国外著名的气动元件公司，如德国的Festo、Bosch和日本的SMC等公司先后研制出电气比例阀、电气伺服阀和高速开关阀，并利用现场总线技术、PLC控制器及计算机技术，使得各种新型的控制方式（开关控制、PWM控制、PCM控制）得以发展，气动伺服技术出现蓬勃发展的良好新局面。气动伺服控制的应用领域也从过去的矿山机械、机床、化工等行业扩展到自动加工、自动装配和包装、工业机器人、太空和海洋探索等领域[5]。

南京理工大学

近年来，国内外一些学者和研究人员在各种新型气动元件的基础上，利用现代控制理论和方法，对气动元件和电-气伺服控制技术进行了深入而细致的研究，并取得了一定的成果。例如，D.Ben-Dov等对气缸的输出力控制进行了研究，K.Araki对气动伺服系统采用具有定常轨迹算法的模型参考自适应，讨论了气动伺服系统参数变化对模型参考自适应的有效性，以及实际系统的降阶模型误差对高频部分的影响[6]。浙江大学陶国良等研究了气动比例/伺服位置控制系统的摩擦力特性，并对Sanvile的1/4椭圆规律提出了修正公式[7]。智能控制理论产生后，以其新颖丰富的思想和强大的非线性问题求解能力迅速渗透到电-气控制领域。除此之外，递阶智能控制、基于规则的仿人智能控制、学习控制和自适应学习控制、遗传算法也受到人们的重视。北京理工大学的杨功军博士对气动控制采用FUZZY-PI复合控制技术，吕强博士，张翠芳博士[8-12]研究了递归多层神经网络，对气动脉宽调制位置系统进行在线辨识和位置识别，国外对智能控制的研究更是层出不穷。

多年的研究使人们认识了气动系统的复杂性，找出了影响气动系统性能的主要因素、以及系统许多内在特性，如气体在控制中的流动性、热动力学特性、系统本身的非线性，并将智能控制（神经网络控制、模糊控制）以及一些优化算法（遗传算法、群蚁算法）应用到研究中，发展了多种形式的控制系统。这些研究为气动伺服控制技术的应用打下了良好的基础，但气动伺服技术迈向全面实用化还需要很长的路要走。由于空气的压缩性大、粘性小，以及流量方程的非线性，

南京理工大学

气缸本身存在较大摩擦力等原因，系统的稳定性易受外界干扰和系统参数变化的影响，难以实现准确、稳定的位置控制和速度控制，在控制过程中也易出现超调、相位滞后等现象，特别在低速运行时易出现爬行，这些不利因素均限制了气动伺服控制技术的发展和应用。因此，气动伺服控制技术的私用有待于进一步研究。

随着工业自动化技术的发展，传统气动系统只能在两个机械设定位置可靠定位并且其运动速度只能靠单向节流阀单一设定的状况，经常无法满足许多设备的自动控制要求。因而电-气比例和伺服控制系统，特别是定位系统可非常方便地实现多点无级定位（柔性定位）和无级调速，此外，利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以替代传统的节流阀加气缸端位缓冲器方式，可以达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。 2.气动伺服控制技术的现状

以上的气动开关控制系统，尽管采用了位移传感器，但位移信号只是作为逻辑判断用，没有用来调节控制信号的大小，其本质上仍是开环控制，或者说是准闭环控制。因此，这种系统的特点是成本低、控制简单；但进一步提高精度受到限制。随着进一步的研究，日本的则次俊郎第一个将PCM控制技术用于气动系统，并成功用PCM方式控制了Pendar公司的三自由度机器人，他获得的定位精度约为±0.25mm。我国对气动PCM控制的研究是从90年代初开始的，主要的研究人员有哈工大刘庆和教授领导的课题组，山东轻工学院的宁舒。我国郑学明博士对Fuzzy-PI控制气动PCM位置系统进行了研究并获

南京理工大学

得了±0.25mm的定位精度。另外，王宣银博士首次提出变增益PCM控制，并利用自校正，自学习控制算法，获得了±0.18mm的定位精度。这些都对准确地确定电-气伺服控制系统的数学模型是非常有意义的，并为电-气伺服控制技术的发展创造了良好的条件[13]。

由于现代控制理论和微电子技术，特别是计算机技术的迅速发展，电子技术已经渗透到各个领域；同时在气动领域，执行元件和控制元件的性能有了很大的进展，不同形式气缸的润滑和摩擦特性显著提高，动态和静态的性能更优，速度更快的控制阀已经进入市场，它们和微电子传感器技术结合更加紧密。气动元件的发展正逐步走向微型化、智能化、系统化，有力的推动了气动伺服控制技术的发展。目前，各种电-气伺服控制系统已经成功的应用于机械手定位机构、包装机械、柔性抓取机构等[14]。

不断涌现的各种工作状况对电-气伺服控制系统的控制策略提出了更高的要求，而古典控制理论是这些控制策略的基础。PID控制是古典控制理论的核心，基于系统误差的现实因素、过去因素和未来因素进行线性组合来确定控制量，具有简单、实用等特点，在气动控制技术中得到了广泛的应用[15]。PID控制设计的难点是比例、积分及微分增益系数的确定。合适的增益系数的获得，需经过大量实验，工作量很大。另一方面，PID控制不适用于被控对象参数时变、有外部扰动及大滞后系统等场合。

在此情况下，可以使用神经网络与PID控制并行组成控制器，利用神经网络的自学习功能，在线调整增益系数，抑制因参数变化等对

南京理工大学

系统性能造成的影响。也可以使用各种现代控制理论，如最优控制、鲁棒控制、H∞控制等来设计控制器，构成具有鲁棒性较强的控制系统。目前应用现代控制理论来控制气缸活塞位移和力的研究相当活跃，并取得了一定的研究成果。日本Okayama大学的T.Noritsugu教授和M.Takaiwa博士研究了基于压力控制的气动位置伺服系统的鲁棒控制，并指出要提高系统的控制特性，压力控制是不可缺少的。该研究将气缸的两腔压力信号引入控制器，并在控制器中设置了一个扰动观测器以提高系统的压力响应，减少摩擦力变化和系统参数变化的影响，系统的鲁棒性有了显著的提高。

自适应控制在气动伺服位置控制领域研究较多的有自校正控制和模型参考自适应控制两类。自适应控制系统的最大特点是被控对象能自动适应工作环境及自身参数在一定范围内变化，使系统始终保持在优化状态下工作。自适应控制的出现，改变了控制系统只能在事先确定的参数状态下工作的局限。尽管当前各种自适应控制在气动控制领域中有了一定的应用，但并不广泛。其主要局限在于在线计算工作量大和需事先知道数学模型或是一些先验知识，要满足李雅普诺夫或波波夫稳定性条件等。当前自适应控制的进一步研究方向是减少在线计算工作量及对数学模型的依赖性，使之能够满足比较复杂的气动系统在线控制的需要。

结合控制理论和现代电子技术，全数字化伺服控制器已经成为研究热点[16]。以美国TEXAS INSTRUMENT 公司推出的TMS320系列高性能数字信号处理器（DSP）可望实现伺服系统的全数字化。

南京理工大学

与全硬件以及混合型系统想比，全数字化进给伺服系统有许多明显的优点[]:

（1）在全硬件和混合型系统中模拟信号因温度、器件老化等原因引起零点漂移和偏离，在全数字化系统中，对模拟电平以下的信号漂移，噪声干扰将不予响应，而且还可以用软件进行自动补偿，因而提高了速度、位置控制的精度和稳定性。

（2）在全硬件的模拟控制系统中，微弱信号的信噪比很难分离，而在全数字伺服系统中，可以通过数字滤波技术将其除去。

（3）全数字化伺服系统可以采用软件实现对各种测量误差进行补偿，实现精确的伺服控制。

（4）全数字化伺服系统中控制环全部软件化，很容易引进经典和现代控制理论，实现系统最佳控制。

（5）系统能够高速地传递各种状态信息参数，进行系统故障的自诊断和报警[17]。

3.气动伺服系统的组成与分类

气动伺服系统一般由控制器、电-气控制元件、气动执行元件和反馈器件（传感器）组成（如图1.1所示）。控制器一般指计算机或可编程控制器等器件；电-气控制元件为电气比例阀、电气伺服阀和电气开关阀；气动执行元件一般包括气缸、气爪和人工肌肉等；反馈器件一般指位移传感器、加速度传感器等。

南京理工大学

图1.1气动伺服系统的系统组成

气动伺服控制系统按被控参数分类，可分为速度控制系统、位置控制系统、力控制系统、位置与力复合控制系统等。 按控制元件分类，则有以下几种方式：

（1）以气动比例阀为控制元件构成的系统，气动比例阀随着比例电磁铁技术的日益成熟，已出现商品化产品，且价格适中。

（2）以气动伺服阀为控制元件构成的系统，这种方式性能最好，但由于气动伺服阀结构复杂、价格较高、利用条件苛刻，一般的应用场合难以接受。

（3）以气动开关阀为控制元件，配合以PWM、PCM、PNM等控制方式构成的系统。

按控制方式分类，气动伺服系统可分为电-气开关/伺服系统和电-气比例/伺服系统两类。其中，电-气比例/伺服系统占有主要地位。此类系统的电气控制元件是电-气比例/伺服阀，通过调节作用在比例电磁铁上的电压或电流大小，可实现阀出口流量或压力的连续控制，从而实现气动执行机构的高精度定位、速度或力的伺服控制。

南京理工大学

参考文献：

1 R. Harrision, R. H. Weston, P. R. Moor. A Study of Application Areas for Modular Robots Robotica.1987(5):217-221

2 L. R. Botting. The Response of a High Pressure Pneumatic Servomechanism to Step and Sinewave Inputs.Proc.of Instn.Mech.engr.1970(184):54-55

3N.R. Bevan, A. Collie, B. L. Luk. A Sensor Based Autonomous Climbing vehicle for Unstructured Environments. Automation and Robotics in Construction, Elsevier Science Publishers,1993:205-212

4 J. E. Bobrow, W. Mcdonell. Modeling, Identification and control of a Pneuma-tically Actuated Force Controllable Robot, IEEE Transcantions on Robotics and Automation,1998,14(5) 5王琦，气动机械人电-气位置伺服系统研究。哈尔滨工业大学博士学位论文.1998 6段运波，气动脉宽调制位置伺服系统的研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.1998 7 I. Krisztinica. Positioning Problem of Pneumatic. Industrial Robots.1976 8 陶国良，毛文杰等.气动伺服系统机械建模的试验研究。液压气动与密封，1999，（5）：26-32 9陶国良。王宣银等.气动比例/伺服位置控制系统的摩擦力特性研究.液压气动与密封，2001，（4）:9-12

10杨功军.气动智能多点位置控制系统的研究.北京理工大学博士论文,1995

11吕强.神经网络学习控制的研究及其在气动伺服系统中的应用.哈尔滨工业大学博士论文,1994.

12张翠芳.基于神经网络的气动脉宽调制位置伺服系统.哈尔滨工业大学博士论文,1997 13中国工程机械网.http://www.csai.cn

14王秋菊.气动机械手位置伺服控制系统的研究.湖南大学硕士学位论文.2004:4-5 15陶永华，尹怡欣，葛卢生.新型PID控制及其应用.机械工业出版社，1998:10

16陈萍，彭光正，赵彤.带锁定装置气缸的PWM位置伺服控制系统的研究.机械制造及自动化.2000(1):14

17张昱.基于DSP的高压巡线机器人全数字化伺服控制系统的研制.武汉大学硕士学位论文.2005:13-14

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aa77.html