气缸高速缓冲控制系统的研究
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摘要
气动技术以其特有的优势，在工业生产中得到了广泛应用，已成为自动化领域中的重要手段。现代化生产线要求气动系统的负载更高、速度更快、寿命更长，这使得气缸高速运行到端位停止时的缓冲问题显得越来越重要。本论文主要研究气缸缓冲控制系统的控制策略，主要分为以下六个章节：
第一章首先概述了气动技术的特点、应用现状和最新发展趋势，然后介绍了气缸缓冲技术的研究意义和发展过程。最后指出了本课题的提出过程和研究内容，着重介绍了电-气比例／伺服位置控制技术在气缸缓冲控制中的应用，并总结了本论文的主要工作。
第二章首先用机理分析的方法推导了电-气比例／伺服缓冲控制系统的数学模型，得到系统状态方程和传递函数。然后用系统辨识方法来建立系统数学模型，验证了气缸缓冲控制系统用三阶模型描述较合理，这为后面控制策略设计提供了依据。
第三章首先介绍了气缸缓冲控制系统实验平台的硬件设计和结构，包括气动部分和计算机控制部分。然后介绍了一种基于MATLAB软件的控制策略研究平台，由于充分利用了MATLAB软件包中的各种资源，将理论分析、仿真和实时控制有机地结合，大大提高了控制策略研究的效率。最后介绍了自己设计编写的基于VC的实时控制软件，可任意设计和修改实时控制算法，由于采用了硬件中断实时采集数据，保证了控制的实时性和可靠性。
第四章首先将电-气比例／伺服控制引入到缓冲控制中，分析了系统被控对象的基本特性，着重分析了气源压力变化、阀口死区、系统摩擦力特性和气路饱和现象对控制系统的影响。然后研究了微分加滤波、压力传感器和两类降维状态观测器这三种系统状态估计的方法，比较分析了各自的优缺点。最后一部分研究了实现系统状态反馈控制的方法，包括试凑法和极点配置法，并分析了各反馈参数、气源压力和负载质量对控制性能的影响。
第五章首先介绍了变结构控制的原理和应用发展情况，然后针对本实验系统设计了一个使用开关阀和端位位移传感器的变结构控制方案，实现缓冲过程的平稳无冲击和无回弹要求，并在不同气源压力、不同负载质量下分析了控制性能的变化，实验结果证明缓冲控制采用变结构控制是可行的，并具有很强的鲁棒性。
第六章是论文总结和展望。
Pneumatic control technique has been widely used in manufacture and become an important method of automation due to its unique advantages. Modern product line requires pneumatic system to have heavier load, higher speed and longer life. So the cushioning of the actuator is becoming more important. This thesis deeply researches on cushioning control strategy of the pneumatic cushioning control system. The whole thesis consists of six sections:
Chapter 1 first briefly states the pneumatic technique feature, the current application situation and the foreground of pneumatic control technique. Then it introduces the developing-history and current application situation of pneumatic cushioning methods. In the end this chapter points out the main content of the research work, especially introduces the electropneumtic proportional/servo control theory and application.
Chapter 2 deduces the mathematical model of electropneumtic proportional /servo cushioning controlled system by theoretical analysis. Because of the essential nonlinear characteristic of electropneumtic proportional/servo control system, the three orders model is validated right by system identification method. This result provide base for the controller design.
Chapter 3 firstly introduces the hardware structure design of the control system which including pneumatic part and computer control part. Then a control strategy research platform based on MATLAB software is presented. Because of using a lot of resources and integrating analyse, simulation and real-time control, the efficiency of research is improved greatly. In the end this chapter a real-time control software programmed by author is presented. User can chang it freely. The signals sampled on hardware interrupt assure the real-time property and control reliability.
Chapter 4 first analyzes the basic characteristics of electropneumtic proportional /servo cushioning controlled system, especial study the influence of the valve dead zone, system friction and saturation phenomenon. After that this chapter discusses three ways that gets system state (differential+filter, two kinds of state observer, pressure sensor) and compare with each other. At last this chapter researches two ways that make system performance optimal, test way and pole allocation way. The affections of feedback parameters, air pressure and load quality are analyzed.
Chapter 5 introduces the theory, application and foreground of the VSC (variable
structure control) system. Then a VSC controller using ON-OFF valve and two potentiometers are designed for cushioning control system. It can realize the balanced, no shock, no reversing cushioning. Experiments under different air pressure, load mass are carried out, and the results prove that the VSC controller can be used in pneumatic cushioning. It has good performance and robustness property. Chapter 6 summarizes the paper.
第一章首先概述了气动技术的特点、应用现状和最新发展趋势，然后介绍了气缸缓冲技术的研究意义和发展过程。最后指出了本课题的提出过程和研究内容，着重介绍了电-气比例／伺服位置控制技术在气缸缓冲控制中的应用，并总结了本论文的主要工作。
第二章首先用机理分析的方法推导了电-气比例／伺服缓冲控制系统的数学模型，得到系统状态方程和传递函数。然后用系统辨识方法来建立系统数学模型，验证了气缸缓冲控制系统用三阶模型描述较合理，这为后面控制策略设计提供了依据。
第三章首先介绍了气缸缓冲控制系统实验平台的硬件设计和结构，包括气动部分和计算机控制部分。然后介绍了一种基于MATLAB软件的控制策略研究平台，由于充分利用了MATLAB软件包中的各种资源，将理论分析、仿真和实时控制有机地结合，大大提高了控制策略研究的效率。最后介绍了自己设计编写的基于VC的实时控制软件，可任意设计和修改实时控制算法，由于采用了硬件中断实时采集数据，保证了控制的实时性和可靠性。
第四章首先将电-气比例／伺服控制引入到缓冲控制中，分析了系统被控对象的基本特性，着重分析了气源压力变化、阀口死区、系统摩擦力特性和气路饱和现象对控制系统的影响。然后研究了微分加滤波、压力传感器和两类降维状态观测器这三种系统状态估计的方法，比较分析了各自的优缺点。最后一部分研究了实现系统状态反馈控制的方法，包括试凑法和极点配置法，并分析了各反馈参数、气源压力和负载质量对控制性能的影响。
第五章首先介绍了变结构控制的原理和应用发展情况，然后针对本实验系统设计了一个使用开关阀和端位位移传感器的变结构控制方案，实现缓冲过程的平稳无冲击和无回弹要求，并在不同气源压力、不同负载质量下分析了控制性能的变化，实验结果证明缓冲控制采用变结构控制是可行的，并具有很强的鲁棒性。
第六章是论文总结和展望。
Pneumatic control technique has been widely used in manufacture and become an important method of automation due to its unique advantages. Modern product line requires pneumatic system to have heavier load, higher speed and longer life. So the cushioning of the actuator is becoming more important. This thesis deeply researches on cushioning control strategy of the pneumatic cushioning control system. The whole thesis consists of six sections:
Chapter 1 first briefly states the pneumatic technique feature, the current application situation and the foreground of pneumatic control technique. Then it introduces the developing-history and current application situation of pneumatic cushioning methods. In the end this chapter points out the main content of the research work, especially introduces the electropneumtic proportional/servo control theory and application.
Chapter 2 deduces the mathematical model of electropneumtic proportional /servo cushioning controlled system by theoretical analysis. Because of the essential nonlinear characteristic of electropneumtic proportional/servo control system, the three orders model is validated right by system identification method. This result provide base for the controller design.
Chapter 3 firstly introduces the hardware structure design of the control system which including pneumatic part and computer control part. Then a control strategy research platform based on MATLAB software is presented. Because of using a lot of resources and integrating analyse, simulation and real-time control, the efficiency of research is improved greatly. In the end this chapter a real-time control software programmed by author is presented. User can chang it freely. The signals sampled on hardware interrupt assure the real-time property and control reliability.
Chapter 4 first analyzes the basic characteristics of electropneumtic proportional /servo cushioning controlled system, especial study the influence of the valve dead zone, system friction and saturation phenomenon. After that this chapter discusses three ways that gets system state (differential+filter, two kinds of state observer, pressure sensor) and compare with each other. At last this chapter researches two ways that make system performance optimal, test way and pole allocation way. The affections of feedback parameters, air pressure and load quality are analyzed.
Chapter 5 introduces the theory, application and foreground of the VSC (variable
structure control) system. Then a VSC controller using ON-OFF valve and two potentiometers are designed for cushioning control system. It can realize the balanced, no shock, no reversing cushioning. Experiments under different air pressure, load mass are carried out, and the results prove that the VSC controller can be used in pneumatic cushioning. It has good performance and robustness property. Chapter 6 summarizes the paper.
引文
[1] 路甬祥，阮健，陈行，气动技术的发展方向，液压与气动，1991，(2)。
[2] 陆鑫盛，周洪编著，气动自动化系统的优化设计，上海科学技术文献出版社，2000。
[3] 帕·克罗斯，气动技术，中国上海同济大学出版社，1990，8
[4] 周洪，气动技术的新发展，液压气动与密封，1999，(5)。
[5] FESTO公司，气动产品样本，2000。
[6] 周洪，阀岛和现场总线技术及其应用，1998，(3)。
[7] 赵彤，从SMC看世界气动技术发展(上)，液压与气动，1993，(2)。
[8] 赵彤，从SMC看世界气动技术发展(下)，液压与气动，1993，(2)。
[9] 周洪，气动伺服定位技术及其应用，液压与气动，1999，(1)。
[10] 杨尔庄，国内外液压气动位置控制技术现状与发展方向，液压与气动，1988，(3)。
[11] 张志英，杨尔庄，液压气动技术展望，液压与气动，1993，(1)
[12] 黄军万，汤荣铭，王学芳，空气压自动缓冲器的设计，液压与气动，2001，(4)。
[13] 周洪，气动比例技术及其应用，液压与气动，1999，(3)。
[14] Dr．Kurt Stroll，从压缩空气的早期应用到现代气动技术系统，Translate from O+P，1997。
[15] 李企芳，牛均英，气动行业的发展状况和市场分析，液压气动与密封，1994，(4)。
[16] 孟繁华，李天贵，气动技术在自动化中的应用，国防工业出版社，1988。
[17] 杨尔庄，国内外液压气动位置控制技术现状与发展方向，液压与气动，1988，(3)。
[18] 梁锦棠，气动技术的应用，机械开发，1998，(4)。
[19] 杨铁林，王益群，气动高效符合缓冲装置，东北重型机械学院学报，1993，(3)。
[20] 张百海，贾嫒嫒，柴森春，江泽民，气缸气缓冲特性的实验研究，北京理工大学学报，2002，(3)。
[21] 黄军万，汤荣铭，王学芳，空气压自动缓冲器的设计，液压与气动，2001，(4)。
[22] 路甬祥，周洪，电液、电气比例控制技术的新进展，机床与液压，1988，(2)。
[23] J.L.Shearer, Study of Pneumatic Process in the Continuous Control of Motion with Compressed Air-Ⅰ, Trans. Of ASME, 1956, 233-241.
[24] J.L.Shearer, Non-Linear Analog Study of a High Pressure Pneumatic Servo Mechanism, Trans. Of ASME, 1959, (3).
[25] 毛文杰，三自由度电-气比例/伺服机械手的轨迹控制研究，浙江大学硕士论文，2000。
[26] 朱力，计算机控制智能高速缓冲控制系统的研究，浙江大学硕士论文，2002。
[27] 周洪，电-气比例/伺服系统及其控制策略研究，浙江大学博士论文，1988。
[28] Kaname Yoshida, On a Minimum-energy Control of a Pneumatic Cylinder, ISA, 1983.
[29] S.Liu , J.E.Bobrow , An Analysis of a Pneumatic Servo System and Its Application to a
Computeer-Controlled Robot, Journal of Dynamic System Measurement and control, 1988, (9).
[30] Tapio Virvalo, Designing a Pneumatic Position Servo System , Power International , June 1989.
[31] 刘培玉，应用最优控制，大连理工大学出版社，1990。
[32] 陈大军，电气比例伺服位置控制系统的研究，浙江大学博士论文，1995。
[33] Ming-Cheng SHIH and Yu-Feng HUANG, Pneumatic Servo-Cylinder for Adjusting the Active Condition to be at Optium , 1980.
[34] 赵长安，鲁棒控制系统，北京，宇航出版社，1991。
[35] Huang Wenmei, et al, A Pneumatic Position Servo System with Variable Structure Control , ISFP'91 pp190-198.
[36] 许宏光，电气伺服系统研究，哈尔滨工业大学博士论文，1992。
[37] Ning Shu, et al. Computer "PCM" and Learning Control for positioning of pneumatic Cylinder, Proc. of the Second JHPS International Symposium on Fluid Power, Tokyo, Sept, 1993, pp583-588.
[38] Pu J and Thatcher.R.H, Position Control of Pneumatic Device and the Use of Learning Methodoligies, Proc. 8th Int. Symposium on Fluid Power, 1988.
[39] 王宣银，脉冲编码调制电-气开关/伺服系统的研究，哈尔滨工业大学博士论文，1995。
[40] C.R.Burrows, and C.R.Webb, Use of Root Loci in Design of Pneumatic Servomechanism, Control, pp423—427, Aug, 1966.
[41] 郑洪生，气压传动及控制，机械工业出版社，1987。朱春波，李玉军，包钢，王祖温，气动伺服系统控制策略研究平台，高技术通讯，2000，10。
[42] 洪涛，基于数字阀的水泥压力试验机控制系统的研究，浙江大学硕士论文，2002。
[43] 陈众，方璐，李楠，VC环境下小型工业监控软件的开发，现场总线及网络控制，2002。
[44] 姚志峰，周洁敏，陶云刚，路小波，基于windows95的高速数据采集，测控技术，1999，(4)。
[45] 吴广玉，系统辨识与自适应控制(上)，哈尔滨工业大学出版社，1987。
[46] 吴受章，应用最优控制，西安交通大学出版社，1986。
[47] 李友善，自动控制原理，国防工业出版社，1990。
[48] 李清泉，自适应控制系统理论、设计与应用，科学出版社，1990。
[49] 萧德云，实时在线闭环辨识实验研究，清华大学学报，1998，(8)。
[50] J．S．贝达特等，随机数据分析方法，国防工业出版社，1976。
[51] 塞奇，怀特，最优系统控制，水利电力出版社，1985。
[52] 解学书，最优控制理论和应用，清华大学出版社，1986。
[53] 刘豹，现代控制理论，机械工业出版社，1987。
[54] 吴麒，自动控制原理，清华大学出版社，1990。
[55] 蒋静坪，计算机实时控制系统，浙江大学出版社，1992。
[56] 楼顺天，李博菡，基于MATLAB的系统分析与设计—信号处理，西安电子科技大学出社，1999。
[57] 楼顺天，于卫，基于MATLAB的系统分析与设计—控制系统，西安电子科技大学出版社，1999。
[58] 薛定宇，控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用，清华大学出版社，1996。
[59] 蔡自兴，机器人原理及其应用，中南工业大学出版社，1988。
[60] Chris H．Pappas，William H．Murray，Visual C++6 参考大全，北京希望电子出版社，1999。
[61] 刘金，Windows 98开发人员指南，机械工业出版社，1999。
[62] 柳永新，Windows C程序设计，清华大学出版社，1999。Ning Shu，et al。Computer“PCM” and Learning Control for positioning of pneumatic Cylinder, Proc. of the Second JHPS International Symposium on Fluid Power, Tokyo, Sept, 1993, pp583-588.
[63] Pu J and Thatcher.R.H, Position Control of Pneumatic Device and the Use of Learning Methodoligies, Proc. 8th Int. Symposium on Fluid Power, 1988.
[64] 陈汉超 盛永才，气压传动和控制，北京工业学院出版社，1986，9。
[65] 夏巍，孙彬，何海珍，基于变结构控制的气动伺服系统控制起的研究，1997，12。
[66] 张北胜，气动位置伺服系统的变结构控制，安徽工学院学报，1997，16(2)。
[67] 袁胜发，变结构VSC控制在气动伺服压力控制系统中的应用研究，重庆工业高等专科学校学报，2000，(4)。
[68] 张厚祥，宗光华，分段变结构Bang-Bang控制器在气动脉宽调制位置伺服系统中的研究，机器人，2001，11。
[69] Anm K.Paul, J.K.Mishra, and M.G.Radke. Rduced Order Sliding Mode Control for Pneumatic Actuator IEEE TRANSSCTIONS ON CONTROL SYSTEM TECHNOLOGY,VOL.2,NO.3,SEPTEMBER. 1994
[70] G.D.Hanchin, .xgùner S.Drakunov. Nonlinear Control of a Rodless Pneumatic Servoactuator.
[71] G.D.Hanchin.Modeling of a rodless pneumatic servoactuator for control applications. Master's thesis, Dept. of Electrical Engineering, The Ohio State University,December 1991.
[72] 高为炳，变结构控制理论基础，中国科学技术出版社，1990．3
[73] 绪方胜彦，现代控制工程，科学出版社，1976。
[74] 郑大钟，线性系统理论，清华大学出版社，1990。
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[74] 郑大钟，线性系统理论，清华大学出版社，1990。
[75] 陈汉超 盛永才，气压传动和控制，北京工业学院出版社，1986，9。