基于能量控制的气动伺服系统仿真与实验研究学士学位论文.doc

毕业设计（论文） 题 目 基于能量的气动伺服系统仿真 与实验研究 专 业 机械设计制造及其自动化 学　　 号 学 生 指 导 教 师 　 答 辩 日 期 　　 　 摘 要 因为具有功率-质量比大、清洁、结构简单、易维护等优点,气动伺服技术在机器人、工业自动化和医疗机械等领域具有广泛的应用前景。但是气动系统具有很多不利于精确控制的弱点,如强非线性、参数时变性和模型不确定性等,导致目前气缸仅应用于一些低级任务，如推拉精确定位则采用其他执行元件。如何提高气动位置伺服系统的定位精度仍是当前气动技术研究的一个重要方向。本论文以一个双作用气缸的气动伺服系统为研究对象,以实现气缸精确的位置和压力的同步控制为研究目标,利用理论分析和实验相结合的方法,从建立精确描述系统特性的非线性模型入手,深入的研究了气动伺服位置控制。 本文运用实际气体热力学以及气体动力学方程，采用范德瓦尔状态方程对实际气体进行描述，基于能量方程建立了相应的质量流量特性方程。在此基础上对气缸两腔充放气过程进行分析，建立了容器内部实际气体压力数学模型。控制算法利用基于内能反馈的PD控制算法实现了对活塞位置和气缸左右腔气压同时调节的控制目标。 在MATLAB的SIMULINK模块中建立了气动伺服仿真模型，对气动伺服系统的动态特性进行仿真研究。得到控制器各参数对气动伺服系统动态特性影响的曲线。利用Actuator Constraint工具箱对气动伺服控制系统进行优化设计。在此基础上，针对位移负载、气源压力和质量负载对活塞定位位置精度的影响，进行了仿真分析。 搭建了由单杆气缸、比例流量阀、压力传感器、位移传感器等组成气动伺服系统实验平台。提出一种新型的方法，确定比例阀的中位电压和死区，求出稳定压力与控制电压间的规律。对摩擦力进行非线性拟合，获得摩擦力模型中的各参数，编写了气动位置伺服的控制程序和数据传输程序，进行了气动位置伺服实验，气缸的定位精度达到士0.l mm。 关键词：气动伺服系统；能量控制 Abstract Pneumatic cylinders are clean, easy to work with, and low cost. In addition, they have a high power-to-weight ratio and an excellent heat dissipation performance. These properties make them favorable for servo applications. The need for pneumatic servo position technology can be found in many applications, such as industrial automation, robotics and medical equipment. However, the dynamics of pneumatic systems are highly nonlinear. Furthermore, there normally exist rather severe parametric uncertainties and uncertain nonlinearities in the mode of pneumatic systems. This work presents that gas thermodynamic equation equations, gas dynamical equations and Van der Waals equation are used to describe the real gas. Mass flow equations of energy transmission are established. On this basis, the charging and releasing of chambers are analyzed to build up the numerical model of real gas within the chamber. An algorithm is proposed based on the gas internal energy, and the contr