氣動比例閥控系統(tǒng)摩擦力補償及仿真研究.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-氣動比例閥控系統(tǒng)摩擦力補償及仿真研究趙秀華,王曉強，范桂杰文章摘要在氣動比例位置控制系統(tǒng)中，摩擦力的存在是影響其定位精度的一個關鍵因素。本文采用疊加低幅高頻顫振信號的方法，運用BP網(wǎng)絡自學習功能在線調(diào)整顫振信號幅值，解決了由比例閥和無桿氣缸的摩擦力引起的系統(tǒng)定位精度的問題。仿真結果證明該方法是有效的。關鍵詞氣動比例系統(tǒng)；摩擦力補償；BP網(wǎng)絡TheFrictionCompensationandtheSimulationStudyofthePneumaticProportionalValveControlSystemZHAOXiu-hua,WANGXiao-qiang，F(xiàn)ANGui-jieAbstract:Inordertoachievehighprecisionpositioncontrolinpneumaticsystem,frictionmustbecompensatedfor.Inthispaper,AkindofAddingpulsesignaltotheoriginalcontrolsignalmethodwasintroducedtosolvethisproblem,adjustingthevalueofthepulsesignalonlineusingtheself-learningfunctionoftheBPnetwork.Thesimulationresultsprovedthatthemethodiseffective.Keywords:Pneumaticproportionalsystem；frictioncompensation；BPnetwork；在氣動比例位置控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)低速運行時會出現(xiàn)不平穩(wěn)的現(xiàn)象，這會影響系統(tǒng)的正常工作，降低系統(tǒng)的定位精度1。這主要是因為系統(tǒng)中比例閥和氣缸存在著靜、動摩擦力等非線性特性。系統(tǒng)在低速運行時具有如圖1所示的摩擦特性曲線，從控制理論上分析，這一現(xiàn)象將產(chǎn)生一個正反饋，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定（爬行）。因此，克服摩擦力的影響是提高系統(tǒng)性能的一個重要因素。圖1低速運動時的摩擦特性曲線Fig.1Frictionpropertycurveoflowspeed1氣動比例系統(tǒng)摩擦力特性及補償分析摩擦力補償有兩個主要途徑2，3，即顫振控制和脈沖控制。顫振控制是在控制信號上疊加一個高頻不等幅的信號。主要思想是顫振信號的幅值足夠大以克服摩擦力，并且頻率足夠高以使在系統(tǒng)信號的頻率范圍上產(chǎn)生擾動。由于從控制閥的輸出幅值在很大程度上受到限制，因此，不可能產(chǎn)生一個高頻壓力信號加在氣缸上，即使可能的話，結果也會使閥受到很大的磨損。對于脈沖控制，同樣的，由于動力學因素和氣缸的限制，不可能產(chǎn)生加在氣缸上的高頻壓力信號。所以要補償比例系統(tǒng)的摩擦力，必須使用除上述兩種方法之外的其他方法。理想的摩擦補償是在控制信號的變化方向上疊加脈沖信號的函數(shù)，每個脈沖都有足夠的能量以消除靜態(tài)摩擦。如果能量過小，閥會處于鎖緊狀態(tài)。如果能量過大，閥的滑動量就會超過所需的范圍。本文主要是對圖2所示系統(tǒng)的比例閥和氣缸的摩擦力進行補償，從而提高它的定位精度。2實驗系統(tǒng)組成和原理如圖2所示，本實驗系統(tǒng)主要由無桿氣缸、比例控制閥、位移傳感器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置和計算機等組成。氣缸采用DGPL-25-500-PPV-A-GF-B型無桿氣缸，是系統(tǒng)的被控對象，目的是實現(xiàn)活塞位移按給定規(guī)律變化。傳感器為MLO-POT-500-TLF型電位計式模擬位移傳感器，是系統(tǒng)的反饋檢測元件，在線檢測活塞位移，輸出電壓隨測量位置在010V之間連續(xù)變化。比例閥采用MPYE-5-1/8-010B型3位5通比例閥，作用是把電信號轉(zhuǎn)化為氣動信號，驅(qū)動氣缸活塞動作。A/D、D/A轉(zhuǎn)換由HY-6070通用數(shù)據(jù)采集控制板完成。實驗系統(tǒng)的工作原理：通過計算機軟件對比-專業(yè)文檔，值得下載!-2例閥、無桿氣缸的控制調(diào)節(jié)作用，使輸入電壓信號eu與氣缸位移反饋信號fu（fu與氣缸位移是線性關系）之差u減小并趨于零，從而實現(xiàn)氣缸位移對輸入信號的跟蹤。2實驗系統(tǒng)組成示意圖Fig.2Sketchdrawingoftheexperimentsystem本文中所使用的摩擦補償信號是由一系列低幅高頻脈沖信號組成。摩擦力補償?shù)脑砣鐖D3所示，在控制信號變化率方向上，對控制信號疊加一短脈沖。只要誤差非零，信號就會不斷發(fā)生變化。加在比例閥上的壓力就會不斷變化，直到閥開始滑動。圖3疊加顫振信號的控制系統(tǒng)框圖Fig.3Framedrawingoftheaddingpulsesignalcontrolsystem控制信號由兩部分組成：)()()(tututuke式中)(tu為PID控制器的輸出，)(tuk為脈沖信號，)(tuk的特征參數(shù)：脈沖時間間隔kh，幅值a，脈寬，)(tuk由下式?jīng)Q定：kpkppkhtthtttutusignatu0)()()(pt為前一脈沖時刻。a為變量，通過BP網(wǎng)絡自學習計算得到。BP網(wǎng)絡結構如圖4所示，采用383的結構。圖4用于自學習的BP網(wǎng)絡結構示意圖Fig.4SketchdrawingoftheBPnetworkstructure)()1()(kakaka（k=1,2,3）)2()1(2)()()1()()(kekekeCkBekekeAka（k=1,2,3）其中A、B、C的值為BP網(wǎng)絡的輸出。)()()(kykrke為系統(tǒng)對控制信號的跟蹤誤差；目的是通過在線調(diào)節(jié)補償值，使性能指標函數(shù)2/)()()(2kykrkE極小化，其中，)(kr為輸入，)(ky為系統(tǒng)輸出。3幅值a、脈寬和脈沖間隔kh的確定a應選定一初始值。如果a過大，比例閥開口量過大，會導致氣缸低壓端產(chǎn)生真空，發(fā)生失控現(xiàn)象。測試表明：a選擇在0.01a0.04范圍內(nèi)比較合適。本研究選取a=0.03。當閥滑動時，輸入的能量不能太大，這一點非常重要。因此，脈沖信號的脈寬應該較小。在實際應用中，不應小于采樣周期，可以為一個或多個采樣周期，可調(diào)。本研究取=1.5ST，采樣周期ST為定位時間的1/120。脈沖信號的時間間隔kh應比控制器的采樣時間間隔大，也要大于脈寬。本文將脈沖間隔kh和脈寬聯(lián)系起來。kh取為nhk，其中2n5，這里取n=4。4仿真研究圖5圖8是利用MATLAB中的Simulink軟件對圖2所示系統(tǒng)的摩擦力補償方法的仿真圖形。圖5、圖6分別是補償前輸入信號分別為階躍信號和正弦信號時的仿真曲線，圖7、圖8為補償后的仿真曲線。其中曲線1為理想曲線，曲-專業(yè)文檔，值得下載!-3線2為仿真曲線。圖5補償前階躍信號跟蹤圖Fig.5Simulationdrawingoftrackingstepsignalbeforecompensation圖6補償前正弦信號跟蹤圖Fig.6Simulationdrawingoftrackingsinesignalbeforecompensation從圖中可以看出，摩擦力補償前，系統(tǒng)響應速度比較慢，定位誤差較大，特別是正弦信號，而補償后系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間明顯縮短，定位誤差很小，理想曲線和仿真曲線幾乎重合。這說明采用該補償方法是可行的。圖7補償后階躍信號跟蹤圖Fig.7Simulationdrawingoftrackingstepsignalaftercompensation圖8補償后正弦信號跟蹤圖Fig.8Simulationdrawingoftrackingsinesignalaftercompensation5結論本文采用疊加脈沖信號的方法，運用BP網(wǎng)絡自學習功能在線調(diào)整脈沖信號幅值，解決了氣動比例系統(tǒng)中由比例閥和氣缸的摩擦力引起的系統(tǒng)定位不準的問題。應用MATLAB中的Simulink軟件補償前后的系統(tǒng)性能進行了仿真，結果證明通過疊加脈沖信號并在線調(diào)整脈沖信號幅值對系統(tǒng)的摩擦力進行補償?shù)姆椒ㄊ怯行У?，補償后，系統(tǒng)的性能得到明顯改善。參考文獻：1陸鑫盛周洪.氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設計M.上海：上?？茖W技術文獻出版社，2000：399-401.2叢爽.兩種補償動態(tài)摩擦力的先進控制策略J.自動