第4章 氣動(dòng)比例伺服控制技術(shù)及應(yīng)用隨著電子、材料、控制理論及傳感器等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)比例伺服控制技術(shù)得到了快速提高。以比例伺服控制閥為核心組成的氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓力、流量連續(xù)變化的高精度控制，能夠滿足自動(dòng)化設(shè)備的柔性生產(chǎn)要求。氣動(dòng)控制系統(tǒng)與油壓控制系統(tǒng)相比，最大的不同點(diǎn)在于空氣與油壓的壓縮性和粘性的不同。空氣的壓縮性大、粘性小，有利于構(gòu)成柔軟型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。相反，壓縮性大會(huì)帶來(lái)壓力響應(yīng)的滯后；粘性小意味著系統(tǒng)阻尼小或衰減不足，易引起系統(tǒng)響應(yīng)的振動(dòng)。另外，由于阻尼小，系統(tǒng)的增益系數(shù)不可能高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受外部干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，難于實(shí)現(xiàn)高精度控制。過(guò)去人們一直認(rèn)為氣動(dòng)控制系統(tǒng)只能用于氣缸行程兩端的開(kāi)關(guān)控制，難于滿足對(duì)位置或力連續(xù)可調(diào)的高精度控制要求。但是，隨著新型的氣動(dòng)比例伺服控制閥的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)代控制理論的導(dǎo)入，氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)的控制性能得到了極大的提高。再加上氣動(dòng)系統(tǒng)所具有的輕量、價(jià)廉、抗電磁干擾和過(guò)載保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)越來(lái)越受到設(shè)計(jì)者的重視，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)大。4.1 氣動(dòng)比例伺服控制閥比例控制閥與伺服控制閥的區(qū)別并不明顯，但比例控制閥消耗的電流大、響應(yīng)慢、精度低、價(jià)廉和抗污染能力強(qiáng)；而伺服閥則相反。再者，比例控制閥適用于開(kāi)環(huán)控制，而伺服控制閥則適用于閉環(huán)控制。由于比例伺服控制閥正處于不斷地開(kāi)發(fā)和完善中，新類型較多。4.1.1 比例控制閥氣動(dòng)比例控制閥能夠通過(guò)控制輸入信號(hào)(電壓或電流)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)(壓力或流量)的連續(xù)成比例控制。按輸出信號(hào)的不同，可分為比例壓力閥和比例流量閥兩大類。其中比例壓力閥按所使用的電控驅(qū)動(dòng)裝置的不同，又有噴咀擋板型和比例電磁鐵型之分。其分類如圖4-1所示。圖4-1 氣動(dòng)比例控制閥的類型1 比例壓力閥（1）噴咀擋板型。噴咀擋板型比例壓力閥的主閥結(jié)構(gòu)和工作原理與先導(dǎo)式減壓閥相似，都是調(diào)整、控制二次輸出壓力。所不同的是前者用電控調(diào)壓裝置來(lái)代替后者的手動(dòng)調(diào)壓裝置，即用先導(dǎo)壓力來(lái)代替調(diào)壓彈簧。具體來(lái)講，就是利用電控驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)調(diào)節(jié)擋板與噴咀之問(wèn)的距離，改變作用在膜片上腔的背壓，使主閥芯在新的位置上達(dá)到平衡，從而得到一個(gè)與輸入信號(hào)成比例的輸出壓力。按檔板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同又有力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)型和壓電晶片驅(qū)動(dòng)型之分。力馬達(dá)主要由定磁鐵和動(dòng)線圈構(gòu)成，由動(dòng)線圈輸出直線位移。在力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)型比例閥中，把動(dòng)線圈與擋板直接相連。靠動(dòng)線圈中產(chǎn)生的與輸入信號(hào)成比例的力，來(lái)推動(dòng)擋板移動(dòng)。力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)型的特點(diǎn)：小電流(20mA)，不需專用的控制器。精度為1.5FS，響應(yīng)速度為0.6s。適用于中等控制精度和響應(yīng)速度的應(yīng)用場(chǎng)合。壓電晶片驅(qū)動(dòng)型是利用壓電晶片輸出的位移能隨著控制電壓而變化的特性，把壓電晶片與擋板直接相連。并內(nèi)藏二次壓檢測(cè)傳感器，構(gòu)成二次壓的局部負(fù)反饋控制。壓電晶片驅(qū)動(dòng)型的特點(diǎn)：由于在內(nèi)部采用了壓力負(fù)反饋控制方式，控制精度(0.5FS)、滯環(huán)小，但響應(yīng)速度慢(1.5s)。適用于高控制精度要求的應(yīng)用場(chǎng)合。（2）比例電磁鐵型把比例電磁鐵作為電控驅(qū)動(dòng)裝置，其主閥結(jié)構(gòu)與普通電磁換向閥相似。所不同的是作用在閥芯上的力，閥芯一端的作用力為比例電磁鐵的吸力F1，另一端為二次壓力F2。依靠?jī)闪Φ牟顏?lái)推動(dòng)閥芯移動(dòng)，從而調(diào)整二次壓力值，直到達(dá)到設(shè)定值。其動(dòng)作原理如圖3所示。在圖4-2中， 當(dāng)F1 F2時(shí)，P口與A婦接通供氣，提高二次壓力；當(dāng)F1=F2，即二次壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制開(kāi)口關(guān)閉。其特點(diǎn)為： 由于是直動(dòng)式，響應(yīng)速度快(0.10.2s)，但控制精度低(1.52.5FS)；比例線圈所需的驅(qū)動(dòng)電流大(0.8lA)，再者為了提高精度，需向閥芯施加顫振信號(hào)，故需專用的控制器，由各生產(chǎn)廠家提供，適用于高響應(yīng)速度，中等精度要求的應(yīng)用場(chǎng)合。圖4-3為比例電磁鐵型壓力比例閥的電流一壓力特性。圖4-2 比例電磁鐵型比例壓力閥的動(dòng)作原理圖4-3 比例電磁鐵型壓力比例閥的電流一壓力特性氣控比例壓力閥是一種比例元件，閥的輸出壓力與信號(hào)壓力成比例，圖4-4為比例壓力閥的結(jié)構(gòu)原理。當(dāng)有輸入信號(hào)壓力時(shí)，膜片6變形，推動(dòng)硬芯使主閥芯2向下運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)主閥口，氣源壓力經(jīng)過(guò)主閥芯節(jié)流后形成輸出壓力。膜片5起反饋?zhàn)饔茫⑹馆敵鰤毫π盘?hào)與信號(hào)壓力之間保持比例。當(dāng)輸出壓力小于信號(hào)壓力時(shí)，膜片組向下運(yùn)動(dòng)。使主閥口開(kāi)大，輸出壓力增大。當(dāng)輸出壓力大于信號(hào)壓力時(shí)，膜片6向上運(yùn)動(dòng)，溢流閥芯3開(kāi)啟，多余的氣體排至大氣。調(diào)節(jié)針閥7的作用是使輸出壓力的一部分加到信號(hào)壓力腔形成正反饋，增加閥的工作穩(wěn)定性。圖4-4 氣控比例壓力閥1 彈簧2閥芯3溢流閥芯4閥座5輸出壓力膜片8控制壓力膜片 7調(diào)節(jié)針閥圖4-5所示為噴嘴擋板式電控比例壓力閥。它由動(dòng)圈式比例電磁鐵、噴嘴檔板放大器、氣控比例壓力閥三部分組成，比例電磁鐵由永久磁鐵l0、線圈9和片簧8構(gòu)成。 當(dāng)電流輸入時(shí)，線圈9帶動(dòng)檔板7產(chǎn)生微量位移，改變其與噴嘴6之間的距離，使噴嘴6的背壓改變。膜片組4為比例壓力閥的信號(hào)膜片及輸出壓力反饋膜片。背壓的變化通過(guò)膜片4控制閥芯2的位置，從而控制輸出壓力。噴嘴6的壓縮空氣由氣源節(jié)流閥5供給。 圖4-5 電控比例壓力閥 1彈簧 2閥芯 3溢流口 4膜片組 5節(jié)流閥 6噴嘴 7擋板 8簧片 9 線圈 10磁鐵2 比例流量閥比例流量閥是通過(guò)控制比例電磁鐵線圈中的電流來(lái)改變閥芯的開(kāi)度(有效斷面積)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出流量的連續(xù)成比例控制。其外觀和結(jié)構(gòu)與壓力型相似。所不同的是壓力型的閥芯具自調(diào)壓特性，靠二次壓力與比例電磁力相平衡，來(lái)調(diào)節(jié)二次壓力的大小；而流量型的閥芯具有節(jié)流特性，靠彈簧力與比例電磁力相平衡，來(lái)凋節(jié)流量的大小和流通方向 按通數(shù)的不同，比例流量閥叉有二通與=通之分。其動(dòng)作原理如圖4-6所示。在圖4-6中，依靠 與F2的平衡，來(lái)改變閥芯的開(kāi)口面積和位置。隨著輸入電流的變化，三通閥的閥芯按 的順序移動(dòng)， 二通閥的閥芯剛按 的順序移動(dòng)。比例流量閥主要應(yīng)用于氣缸或氣馬達(dá)的位置或速度控制。圖4-6 比例電磁鐵型比例流量閥的動(dòng)作原理4.1.2 伺服控制閥氣動(dòng)伺服閥的工作原理與氣動(dòng)比例閥類似，它也是通過(guò)改變輸入信號(hào)來(lái)對(duì)輸出信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、成比例的控制。與電液比例控制閥相比，除了在結(jié)構(gòu)上有差異外，主要在于伺服閥具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)性能。但其價(jià)格較貴，使用維護(hù)較為困難。氣動(dòng)伺服閥的控制信號(hào)均為電信號(hào)，故又稱電一氣伺服閥。是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)的電氣轉(zhuǎn)換裝置。它是電一氣伺服系統(tǒng)中的核心部件。圖4-7為力反饋式電一氣伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖。其中第一級(jí)氣壓放大器為噴嘴擋板閥，由力矩馬達(dá)控制，第二級(jí)氣壓放大器為滑閥。閥芯位移通過(guò)反饋桿5轉(zhuǎn)換成機(jī)械力矩反饋到力矩馬達(dá)上。其工作原理為：當(dāng)有一電流輸入力矩馬達(dá)控制線圈時(shí)，力矩馬達(dá)產(chǎn)生電磁力矩，使擋板偏離中位（假設(shè)其向左偏轉(zhuǎn)），反饋桿變形。這時(shí)兩個(gè)噴嘴檔板閥的噴嘴前腔產(chǎn)生壓力差（左腔高于右腔），在此壓力差的作用下，滑閥移動(dòng)（向右），反饋桿端點(diǎn)隨著一起移動(dòng)，反饋桿進(jìn)一步變形，變形產(chǎn)生的力矩與力矩馬達(dá)的電磁力矩相平衡，使擋板停留在某個(gè)與控制電流相對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角上。反饋桿的進(jìn)一步變形使擋板被部分拉回中位，反饋桿端點(diǎn)對(duì)閥芯的反作用力與閥芯兩端的氣動(dòng)力相平衡，使閥芯停留在與控制電流相對(duì)應(yīng)的位移上。這樣，伺服閥就輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的流量，達(dá)到了用電流控制流量的目的。 圖4-7 電-氣伺服閥1節(jié)流口 2過(guò)濾器 3氣室 4補(bǔ)償彈簧 5反饋桿 6噴嘴 7擋板 8線圈 9支持彈簧 10導(dǎo)磁體 11磁鐵MPYE型氣動(dòng)伺服閥是FESTO 公司于開(kāi)發(fā)的一種直動(dòng)式氣動(dòng)伺服閥，其結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。主要由力馬達(dá)、閥芯位移檢測(cè)傳感器、控制電路、主閥等構(gòu)成。閥芯由力馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，其位移由傳感器檢測(cè)，形成閥芯位移的局部負(fù)反饋，從而提高了響應(yīng)速度和控制精度。圖4-8 MPYE型氣動(dòng)伺服罔結(jié)構(gòu)圖該閥為三位五通，O型中位機(jī)能。電源電壓為DC24V，輸入電壓為010V。在圖4-9的輸入電壓對(duì)應(yīng)著不同的閥芯開(kāi)口面積和位置，也即不同的流量和流動(dòng)方向。電壓為5V時(shí)，閥芯出于中位；05V時(shí)，P口與A口相通；510V時(shí)，P口與B口相通。突然停電時(shí)，結(jié)構(gòu)上使閥芯返回到中位，氣缸原位停止，提高了系統(tǒng)的安全性。該閥具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，如表4-1所示。圖4-9 輸入電壓一輸出流量的特性曲線 (MPYE型伺服閥，F(xiàn)ESTO公司生產(chǎn))表4-1 MPYE型氣動(dòng)伺服閥的主要性能指標(biāo)4.1.3 氣動(dòng)數(shù)字控制閥脈寬調(diào)制氣動(dòng)伺服控制是數(shù)字式伺服控制，采用的控制閥大多為開(kāi)關(guān)式氣動(dòng)電磁閥，稱脈寬調(diào)制伺服閥，也稱氣動(dòng)數(shù)字閥。脈寬調(diào)制伺服閥用在氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大作用。常用的脈寬調(diào)制伺服閥的結(jié)構(gòu)有四通滑閥型和三通球閥型。圖4-10為滑閥式脈寬調(diào)制伺服閥原理。滑閥兩端各有一個(gè)電磁鐵，脈沖信號(hào)電流輪流加在兩個(gè)電磁鐵上，控制閥芯按脈沖信號(hào)的頻率作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖4-10 氣動(dòng)數(shù)字閥（脈寬調(diào)制伺服閥）1電磁鐵 2銜鐵 3閥體 4閥芯 5反饋彈簧開(kāi)關(guān)電磁閥型比例壓力閥如圖4-11所示。其電控調(diào)壓裝置由進(jìn)、排氣高速開(kāi)關(guān)電磁閥、二次壓檢測(cè)傳感器和控制電路構(gòu)成。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)，排氣電磁閥關(guān)閉，向主閥先導(dǎo)腔供氣，主閥芯下移，輸出二次壓力。同時(shí)二次壓力值由壓力傳感器檢測(cè)，并反饋到控制電路。控制電路以輸入信號(hào)與輸出二改壓的偏差為基礎(chǔ)，用PWM 控制方式驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)腔壓力的調(diào)節(jié) 直到偏差為零，進(jìn)、排氣電磁閥均關(guān)閉，主閥芯在新的位置上達(dá)到平衡，從而得到一個(gè)與輸入信號(hào)成比例的輸出壓力，其特點(diǎn)為：僅當(dāng)電磁閥動(dòng)作時(shí)才消耗壓縮空氣，耗氣量小、耐振動(dòng)、對(duì)空氣質(zhì)量要求低 精度為11.5FS，響應(yīng)速度為0.20.5s。適用于中等控制精度和響應(yīng)速度的應(yīng)用場(chǎng)合。圖4-11 開(kāi)關(guān)電磁閥型比例壓力閥的動(dòng)作原理4.1.4 新型驅(qū)動(dòng)方法及電-氣比例伺服控制閥的發(fā)展隨著新材料的出現(xiàn)及其應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)方法也發(fā)生了巨大的變化，從傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)到電控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電一氣比例伺服控制閥的研究成為電氣技術(shù)的熱點(diǎn)。新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都有著共同點(diǎn)：位移控制精密、控制方便、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)等 。1 壓電驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)形成驅(qū)動(dòng)能力，可以構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)的精密驅(qū)動(dòng)器件。壓電晶體產(chǎn)生的位移與輸入信號(hào)有較好的線性關(guān)系，控制方便，產(chǎn)生的力大，帶負(fù)載能力強(qiáng)，頻響高，功耗低，將它作為驅(qū)動(dòng)元件取代傳統(tǒng)的電磁線圈來(lái)構(gòu)造氣動(dòng)比例伺服閥，使比例伺服閥微小型化，這將給電子控制智能和氣動(dòng)系統(tǒng)的集成提供全新的發(fā)展空間。壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以利用雙晶片的彎曲特性(如圖4-12a、b所示)，制作成各種開(kāi)關(guān)閥、減壓閥，也可以利用壓電疊堆直接推動(dòng)閥芯(如圖4-12c所示)構(gòu)造成直動(dòng)式或帶位移放大機(jī)構(gòu)的比例伺服閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)(流量或壓力)的高精度控制。圖4-12 壓電驅(qū)動(dòng)構(gòu)造氣動(dòng)閥示意圖2 超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器超磁致伸縮材料是一種新型的電(磁)一機(jī)械能轉(zhuǎn)換材料，具有在室溫下應(yīng)變量大、能量密度高、響應(yīng)速度快等特性，國(guó)外已應(yīng)用于伺服閥、比例閥和微型泵等流體控制元件中。超磁致伸縮材料具有獨(dú)特的性能：在室溫下的應(yīng)變值很大(150010200010-6)，是鎳的4050倍，是壓電陶瓷的58倍；能量密度高(1400025000Jm)，是鎳的400500倍，是壓電陶瓷的1014倍；機(jī)電耦合系數(shù)大；響應(yīng)速度快(達(dá)到s級(jí))；輸出力大，可達(dá)220880N。由于超磁致伸縮材料的上述優(yōu)良性能，因而在許多領(lǐng)域尤其是在執(zhí)行器中的應(yīng)用前景良好。超磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出位移大、輸出力大、帶負(fù)載能力強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)微型化、并可采用無(wú)線控制。如圖8所示的超磁致伸縮執(zhí)行器，主要采用棒狀超磁致伸縮合金直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件，不采用放大機(jī)構(gòu)。由于超磁致伸縮材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，因此采用預(yù)壓彈簧使其在一定的壓力下工作。圖中兩塊永久磁鐵用來(lái)提供一定的偏磁場(chǎng)，使超磁致伸縮棒在特定的線性范圍內(nèi)工作。圖4-13 超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器示意圖利用圖4-13所示結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器直接推動(dòng)閥芯移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的比例關(guān)系；也可以利用這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器做成各種減壓閥或開(kāi)關(guān)閥。4.2 氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)4.2.1 比例伺服控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成比例控制閥加上電子控制技術(shù)組成的比例控制系統(tǒng)，可滿足各種各樣的控制要求。比例控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖4-14所示。圖中的執(zhí)行元件可以是氣缸或氣馬達(dá)、容器和噴嘴等將空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。比例控制閥作為系統(tǒng)的電一氣壓轉(zhuǎn)換的接口元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件供給氣壓能量的控制。控制器作為人機(jī)的接口，起著向比例控制閥發(fā)出控制量指令的作用。它可以是單片機(jī)、微機(jī)及專用控制器等。比例控制閥的精度較高，一般為0.52.5FS。即使不用各種傳感器構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，也能得到十分理想的控制效果，但不能抑制被控對(duì)象參數(shù)變化和外部干擾帶來(lái)的影響。對(duì)于控制精度要求更高的應(yīng)用場(chǎng)合，必需使用各種傳感器構(gòu)成負(fù)反饋，來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度，如圖4-14中虛線部分所示。圖4-14 比例控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖4-15 FESTO伺服控制系統(tǒng)的組成對(duì)于MPYE型伺服閥，在使用中可用微機(jī)作為控制器，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動(dòng)。可使用標(biāo)準(zhǔn)氣缸和位置傳感器來(lái)組成價(jià)廉的伺服控制系統(tǒng)。但對(duì)于控制性能要求較高的自動(dòng)化設(shè)備，宜使用廠家提供的伺服控制系統(tǒng)（如圖4-15所示），它包括MPYE型伺服閥、位置傳感器內(nèi)藏氣缸、SPC型控制器。在圖4-15中，目標(biāo)值以程序或模擬量的方式輸入控制器中，由控制器向伺服閥發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的運(yùn)動(dòng)控制。氣缸的位移由位置傳感器檢測(cè)，并反饋到控制器。控制器以氣缸位移反饋量為為基礎(chǔ)，計(jì)算出速度、加速度反饋量。再根據(jù)運(yùn)行條件(負(fù)載質(zhì)量、缸徑、行程及伺服閥尺寸等)，自動(dòng)計(jì)算出控制信號(hào)的最優(yōu)值，并作用于伺服控制閥，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。控制器與微機(jī)相連接后，使用廠家提供的系統(tǒng)管理軟件，可實(shí)現(xiàn)程序管理、條件設(shè)定、遠(yuǎn)距離操作、動(dòng)特性分析等多項(xiàng)功能。控制器也可與可編程控器相連接，從而實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的順序動(dòng)作、多軸運(yùn)行等功能。4.2.2 比例伺服控制閥的選擇主要根據(jù)被控對(duì)象的類型和應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇比例閥的類型。被控對(duì)象的類型不同，對(duì)控制精度、響應(yīng)速度、流量等性能指標(biāo)要求也不同。控制精度和響應(yīng)速度是一對(duì)茅盾，兩者不可同時(shí)兼顧。對(duì)于已定的控制系統(tǒng)，以最重要的性能指標(biāo)為依據(jù)，來(lái)確定比例閥的類型。然后再考慮設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，如污染、振動(dòng)、安裝空間及安裝姿態(tài)等方面的要求，最終選擇出合適類型的比例閥。表4-2給出了不同應(yīng)用場(chǎng)合下，比例閥優(yōu)先選用的類。表4-2 不同應(yīng)用場(chǎng)合下比例閥優(yōu)先選用的類型MPYE型伺服閥最早只有G18(700Lmin )一個(gè)尺寸， 目前已發(fā)展到M5(100Lmin) G38(2000Lmin)有5個(gè)規(guī)格。主要根據(jù)執(zhí)行元件所需的流量來(lái)確定閥的規(guī)格，選擇起來(lái)較簡(jiǎn)單。4.2.3 控制理論氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)的性能雖然依賴于執(zhí)行元件、比例伺服閥等系統(tǒng)構(gòu)成要素的性能但為了更好地發(fā)揮系統(tǒng)構(gòu)成要素的作用，控制器的控制量的計(jì)算又是至關(guān)重要的。控制器通常以輸入值與輸出值的偏差為基礎(chǔ)，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)目刂扑惴梢栽O(shè)計(jì)出不受被控對(duì)象參數(shù)變化和干擾影響，具有較強(qiáng)魯棒性的控制系統(tǒng)。控制理論被分為古典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大類。P1D控制是古典控制理論的中心，它具有簡(jiǎn)單、實(shí)用易掌握等特點(diǎn)，在氣動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用。P1D控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是比例、積分及微分增益系數(shù)的確定。臺(tái)適的增益系數(shù)的獲得，需經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，工作量很大。另一方面，P1D控制不適用于控制對(duì)象參數(shù)經(jīng)常變化、外部有干擾、大滯后系統(tǒng)等場(chǎng)合。在此情況下，一是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制并行組成控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，在線調(diào)整增益系數(shù)，抑制因參數(shù)變化等對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響。二是使用各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、H控制及控制等來(lái)設(shè)計(jì)控制器，構(gòu)成具有鞍強(qiáng)魯棒性的控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用現(xiàn)代控制理論來(lái)控制氣缸的位置或力的研究相當(dāng)活躍，并取得了一定的研究成果。4.2.4 典型應(yīng)用1 張力控制帶材或板材(紙張、膠片、電線、金屬薄板等)的卷繞機(jī)，在卷繞過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，要求卷筒張力保持一定。由于氣動(dòng)制動(dòng)器具有價(jià)廉、維修簡(jiǎn)單、制動(dòng)力矩范圍變更方便等特點(diǎn)，所以在各種卷繞機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。圖4-16為采用比例壓力閥組成的張力控制系統(tǒng)圖。在圖10中，高速運(yùn)動(dòng)的帶材的張力由張力傳感器檢測(cè)，并反饋到控制器。控制器以張力反饋值與輸人值的偏差為基礎(chǔ)，采用一定的控制算法，輸出控制量到比例壓力閥。從而調(diào)整氣動(dòng)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力，以保證帶材的張力恒定。在張力控制中，控制精度比響應(yīng)速度要求高，建議選用控制精度較高的噴嘴檔板型比例壓力閥。圖4-16 用比例壓力閥組成的張力控制系統(tǒng)圖2 加壓控制圖4-17為比例壓力閥在磨床加壓控制中的應(yīng)用例子。在該應(yīng)用場(chǎng)合下，控制精度比響應(yīng)速度要求高，所以應(yīng)選用控制精度較高的噴咀檔板型或開(kāi)關(guān)電磁閥型比例壓力閥。應(yīng)該注意的是，加壓控制的精度不僅取決于比倒壓力閥的精度氣缸的摩擦阻力特性影響也很大。標(biāo)準(zhǔn)氣缸的摩擦阻力要隨著工作壓力、運(yùn)動(dòng)速度等因素變化，難于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加壓控制。所以在此應(yīng)用場(chǎng)合下，建議選用低速、恒摩擦阻力氣缸。系統(tǒng)中減壓閾的作用是向氣缸有桿腔加一恒壓，以平衡活塞桿和夾具機(jī)構(gòu)的自重。3 位置和力的控制（1）控制方法采用電氣伺服控制系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無(wú)級(jí)柔性定位(由于氣體的可壓縮性，能實(shí)現(xiàn)柔性定位)和無(wú)級(jí)調(diào)速；比例伺服控制技術(shù)的發(fā)展以及新型氣動(dòng)元件的出現(xiàn)，能大幅降低工序節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。伺服氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)系統(tǒng)輸出物理量(壓力或流量)的連續(xù)控制，主要用于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)和制動(dòng)、速度控制、力控制(如機(jī)械手的抓取力控制)和精確定位。通常氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)主要由氣動(dòng)比例伺服控制閥、執(zhí)行元件(氣缸或馬達(dá))、傳感器(位移傳感器或力傳感器)及控制器等組成，如圖4-18所示。圖4-17 磨床加壓機(jī)構(gòu)氣動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成圖4-18 伺服定位控制系統(tǒng)氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的定位精度、動(dòng)態(tài)特性主要取決于控制器算法和控制參數(shù)，控制器在系統(tǒng)中占有重要地位。控制器包括反饋控制電路和控制方法，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能要求選擇相應(yīng)的控制策略。PID控制是古典控制理論的中心，在氣動(dòng)控制技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于獲得適當(dāng)?shù)谋壤⒎e分、增益系數(shù)，這些參數(shù)的獲得需要大量實(shí)驗(yàn)，工作量大；PID控制不適于控制對(duì)象參數(shù)經(jīng)常變化、外部干擾、大滯后系統(tǒng)等場(chǎng)合，需要利用現(xiàn)代控制技術(shù)，如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制技術(shù)相結(jié)合，在線調(diào)整系統(tǒng)增益系數(shù)，抑制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的影響；也可以采用自適應(yīng)控制方法、最優(yōu)控制方法、魯棒控制等設(shè)計(jì)控制器。（2）汽車方向盤(pán)疲勞試驗(yàn)機(jī)氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)非常適合應(yīng)用于像汽車部件、橡膠制品、軸承及鍵盤(pán)等產(chǎn)品的中、小型疲勞試驗(yàn)機(jī)中。圖4-19為氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)在汽車方向盤(pán)疲勞試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用例子。該試驗(yàn)機(jī)主要由被試體(方向盤(pán))、伺服控制閥、伺服控制器、位移和負(fù)荷傳感器及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。要求向方向盤(pán)的軸向、徑向和螺旋方向，單獨(dú)或復(fù)臺(tái)(兩軸同時(shí))地施加正弦波變化的負(fù)荷，然后檢測(cè)其壽命。該試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)是：a精度和簡(jiǎn)單性兼顧。b在兩軸同時(shí)加載時(shí)，不易形成相互干涉。（3）擠牛奶機(jī)器人在日本ORION公司開(kāi)發(fā)的自動(dòng)擠牛奶機(jī)器人中，擠奶頭裝置的X、Y、Z、三軸方向的移動(dòng)，是靠FESID伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的。XYZ軸選用的氣缸(帶位移傳感器)尺寸分別為40l000、50X300和2500，對(duì)應(yīng)的MPYE系列伺服閥分別為GI4、G18和G18。伺服控制器為SPC100型。以奶牛的屁股和橫腹作為定位基準(zhǔn)，XYZ軸在氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，擠奶頭裝置向奶牛乳頭部定位。把位移傳感器的絕對(duì)0點(diǎn)定為0V，滿量程定為10V。利用SPC100的模擬量輸人控制功能，只要控制輸人電壓值，即可實(shí)現(xiàn)軸的位置的控制。利用該功能不僅能控制軸的位置，電可實(shí)現(xiàn)軸的速度控制。即在系統(tǒng)的響應(yīng)頻率范圍內(nèi)，可按照輸入電壓波形(臺(tái)形波、正弦波等)的變化，來(lái)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。圖4-19 汽車方向盤(pán)疲勞試驗(yàn)機(jī)氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)在該應(yīng)用例子中，定位對(duì)象是活生生的奶牛。奶牛在任何時(shí)刻有踢腿、晃動(dòng)的可能。由于氣動(dòng)控制系統(tǒng)所特有的柔軟性，能順應(yīng)奶牛的這種隨機(jī)動(dòng)作，而不會(huì)使奶牛受到任何損傷。在這種場(chǎng)合下，氣動(dòng)控制系的長(zhǎng)處得到了最大地發(fā)揮。4.3 氣動(dòng)比例伺服控制元件及系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例4.3.1 直動(dòng)式電反饋高壓電氣比例減壓閥國(guó)外的電氣比例減壓閥產(chǎn)品多為先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，由于先導(dǎo)閥多用比例電磁鐵或高速開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，且先導(dǎo)閥耗氣量較大。新型的直動(dòng)式電反饋高壓電氣比例減壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)先導(dǎo)耗氣量、調(diào)壓范圍寬、調(diào)壓精度高。1結(jié)構(gòu)原理直動(dòng)式電反饋高壓電氣比例減壓閥，由比例電磁鐵、閥體、閥芯、端蓋、彈簧、壓力傳感器、比例放大器等組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖4-20所示。該閥閥芯采用雙邊矩形零開(kāi)口形式的滑閥型結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、閥口面積增益為線性等特點(diǎn)。該閥在端蓋上開(kāi)有一凹槽，使彈簧腔始終通大氣。利用調(diào)節(jié)螺釘，可調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量，進(jìn)而可調(diào)節(jié)閥芯處于工作位置時(shí)與比例電磁鐵推力相平衡的彈簧壓緊力。圖4-20 直動(dòng)式電反饋高壓電氣比例減壓閥結(jié)構(gòu)原理該閥輸出腔A的壓力由壓力傳感器檢測(cè)并反饋給比例放大器，經(jīng)與輸入給定信號(hào)比較后，由比例放大器產(chǎn)生控制信號(hào)給比例電磁鐵，形成模擬式閉環(huán)控制。當(dāng)控制信號(hào)較小、比例電磁鐵的推力F1小于彈簧的預(yù)壓力F0時(shí)(F0=Kx0，K為彈簧的剛度，x0為預(yù)壓縮量)，此時(shí)閥的P腔與A腔不通, A腔與T腔相通，閥處于放氣狀態(tài)；當(dāng)控制信號(hào)增加，比例電磁鐵的推力達(dá)到彈簧的壓緊力F2時(shí)(F2= K(x0+x1)， x1為閥芯處于零位時(shí)彈簧的位移量)，閥處于零位工作狀態(tài)。當(dāng)控制信號(hào)增大,比例電磁鐵的推力F1大于彈簧的壓緊力F2時(shí)，閥A腔與T腔封閉，P腔與A腔相通，A腔壓力增高。此時(shí)閥輸出腔A的壓力通過(guò)壓力傳感器將壓力信號(hào)反饋給比例放大器。經(jīng)過(guò)比較后，比例放大器的輸出減小，比例電磁鐵的推力F1減小，閥芯右移,閥口減小，A腔壓力也隨之降低。由于電反饋的作用，A腔壓力能始終保持恒定，實(shí)現(xiàn)了A腔壓力與輸入給定信號(hào)成比例的變化關(guān)系，反之亦然。2實(shí)驗(yàn)與性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖4-21所示。它包括由計(jì)算機(jī)、12位PLC711S數(shù)據(jù)采集卡、比例放大器、電氣比例減壓閥組成的數(shù)字式電氣比例減壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)和由排氣節(jié)流閥等組成的負(fù)載模擬單元構(gòu)成。該系統(tǒng)中，壓力傳感器檢測(cè)閥的輸出壓力并反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)作為控制器，進(jìn)行比較和控制運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)給比例放大器，控制電氣比例減壓閥的輸出壓力。數(shù)據(jù)采集卡用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器與比例放大器、控制器與電氣比例減壓閥的壓力傳感器之間的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4-21 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖4-22為該閥的靜態(tài)輸入控制特性曲線。最大輸入壓力為1. 7MPa,輸出壓力范圍為01. 6MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該閥具有較寬的調(diào)節(jié)范圍和良好的靜態(tài)特性。圖4-22 閥靜態(tài)輸入控制特性曲線圖4-23為該閥的動(dòng)態(tài)階躍輸出壓力響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)條件：閥出口負(fù)載容腔容積V=0.4L，工作介質(zhì)為壓縮空氣。從圖中可以看出，超調(diào)量Mp=4.9%，調(diào)整時(shí)間ts=120ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該閥具有較好的動(dòng)態(tài)特性。圖4-23 閥動(dòng)態(tài)階躍輸出壓力響應(yīng)曲線以下是該閥的具體技術(shù)指標(biāo)：公稱通徑 4mm最大輸入壓力 1. 7MPa輸出壓力范圍 01. 6MPa額定流量 350L/min電源電壓 24VDC輸入電壓 15V動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間 120ms線性度 2%F. S滯環(huán) 1%F. S.工作溫度 550直動(dòng)式電反饋高壓電氣比例減壓閥調(diào)壓范圍寬、調(diào)壓精度高，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，其性能指標(biāo)可滿足一般工程系統(tǒng)的要求。該閥是氣動(dòng)系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的接口元件，便于與計(jì)算機(jī)相連，形成數(shù)字式電氣比例控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程系統(tǒng)的自動(dòng)控制。4.3.2 智能控制在氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)中的應(yīng)用由于氣體的可壓縮性、氣缸的摩擦力、氣控回路的飽和現(xiàn)象、伺服閥的閥口疊量及其泄漏以及系統(tǒng)的滯環(huán)和偏差等原因，氣動(dòng)系統(tǒng)本質(zhì)上屬于非線性系統(tǒng)，其中，氣缸的摩擦特性對(duì)氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的性能影響較大。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的定位精度、動(dòng)態(tài)特性主要取決于控制器算法和控制參數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，在控制器算法上采用狀態(tài)反饋原理可以獲得令人滿意的控制效果，但是狀態(tài)反饋控制器的參數(shù)必須是最優(yōu)的，其反饋增益應(yīng)能夠根據(jù)用戶信息優(yōu)化，在控制器中集成自優(yōu)化、自學(xué)習(xí)及自適應(yīng)等智能。對(duì)于系統(tǒng)描述的理論推導(dǎo)是基于控制對(duì)象的線性化后的線性模型并在一定的假設(shè)下進(jìn)行的。因此，一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)的許多現(xiàn)象尚未考慮在內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)實(shí)際的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的模型要遠(yuǎn)比線性模型復(fù)雜，尤其是在選用標(biāo)準(zhǔn)氣缸的情況下相當(dāng)?shù)姆蔷€性系統(tǒng)可用一個(gè)線性子系統(tǒng)及內(nèi)含一個(gè)無(wú)記憶的非線性增益的Hanmmrstein模型來(lái)表示。本例在線性化分析的基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型并引入隨機(jī)干擾信號(hào)模擬系統(tǒng)的隨機(jī)干擾，采用Hanmmrstein模型模擬系統(tǒng)的非線性本質(zhì)，對(duì)氣動(dòng)位置比例系統(tǒng)進(jìn)行了智能控制仿真研究。l 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣缸、信號(hào)發(fā)生器、比例閥、位移傳感器、MD、DA轉(zhuǎn)換裝置和計(jì)算機(jī)控制六個(gè)部分組成，如圖4-24所示。其中，氣缸采用FESTO公司DGPL-25-500-PPV-A -GF -B型無(wú)桿氣缸，位移傳感器為MID-POT-500-TLF型，比例閥采用FESTO公司的MPYE-5-18-010B型電氣比例方向閥A/D、DA轉(zhuǎn)換由ADLINK公司ACL-8112DG型數(shù)據(jù)采集板完成。該系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件，電一氣比例控制閥，氣缸的調(diào)節(jié)作用，使輸入電壓信號(hào)與氣缸位移反饋信號(hào)之差減小并趨于零。從而實(shí)現(xiàn)氣缸位移對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。圖4-24 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖2 智能控制具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采用二輸入單輸出模糊控制器與常規(guī)PID并聯(lián)控制。大偏差范圍內(nèi)采用Fuzzy控制，在小偏差范圍轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸出值與設(shè)定值之差處于零值論域時(shí)，由于模糊控制器在偏差落在零值論域時(shí)不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差和自振蕩，所以此時(shí)切換為常規(guī)模糊控制器控制。模糊控制器采用基于遺傳算法的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)（如圖4- 15所示），模糊系統(tǒng)采用Takagi，Sugeno和Kang首先提出的TSK模型，即輸出以輸入變量的顯函數(shù)形式表式。形成一種從輸入、輸出數(shù)據(jù)集合中系統(tǒng)地產(chǎn)生模糊規(guī)則的新方法。對(duì)于雙輸入單輸出系統(tǒng)，TSK模糊模型為：IF is ， is ，THEN ，其中j =1，2，m，m一模糊規(guī)則數(shù)量，為每一輸入模糊變量的分檔數(shù)。系統(tǒng)輸入為，一偏差， 一偏差變化，若輸入量采用單點(diǎn)模糊集合的模糊化方法，則對(duì)于給定的輸入系統(tǒng)輸出量為：為第j條規(guī)則的輸出，j對(duì)應(yīng)輸入向量的第j條規(guī)則的適應(yīng)度。3 模糊控制系統(tǒng)控制原理及仿真網(wǎng)絡(luò)的第一層負(fù)責(zé)將輸入信號(hào)模糊化，得到信號(hào)的隸屬度，取隸屬函數(shù)為高斯函數(shù) 。網(wǎng)絡(luò)的第二層把模糊化的結(jié)果相乘，實(shí)際得到的是每條模糊推理規(guī)則的可信度。網(wǎng)絡(luò)的第三層計(jì)算規(guī)則的歸一化可信度。，。網(wǎng)絡(luò)的第四層計(jì)算每條規(guī)則的輸出：i=1，2，3，4網(wǎng)絡(luò)的第五層計(jì)算總的輸出，它是各條規(guī)則輸出的累加。 (如圖2所示)，利用遺傳算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器(NFN)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該網(wǎng)絡(luò)每個(gè)輸入分為兩個(gè)模糊子集，所以模糊化模塊共有l(wèi)2個(gè)參數(shù)。輸出解模糊模塊共有4條規(guī)則，有43=12個(gè)參數(shù)，由于事先沒(méi)有知識(shí)，這24個(gè)參數(shù)的取值無(wú)法確定，需要進(jìn)行學(xué)習(xí)。為了使學(xué)習(xí)算法于被控對(duì)象無(wú)關(guān)具有通用性，采用了變長(zhǎng)混合編碼的遺傳算法，把這24個(gè)參數(shù)當(dāng)做24個(gè)基因，組成了一條染色體進(jìn)行尋優(yōu)。遺傳算法中符合度函數(shù)F取為：F=1/ (1+E)，式中E為與控制目標(biāo)的誤差，可取為：圖4- 25 模糊智能控制原理圖式中，一實(shí)際輸出值， 一期望輸出值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化分析后，可得到閥控缸的傳遞函數(shù)為：， 式中為系統(tǒng)固有頻率，為氣動(dòng)阻尼比； 為速度放大系數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，氣源壓力為0.8MPa，負(fù)載200N，氣缸行程500mm，活塞直徑25mm，求得 =8.5，=40，= 0.26。取采樣周期為T(mén)=0.2 s，對(duì)系統(tǒng)離散化后可得離散系統(tǒng)模型。智能控制仿真框圖如圖4-26所示，圖中我們用非線性增益及線性化后的閥控缸模型組成的Hammerstein模型近似氣動(dòng)系統(tǒng)的非線性性，Hammerstein模型中的非線性增益用一個(gè)P階多項(xiàng)式來(lái)近似： 系數(shù)及階次p可適當(dāng)加以選擇，以便使增益符合給定的無(wú)記憶非線性增益。本實(shí)驗(yàn)中取p=2，=0.5，=0.5，考慮到氣動(dòng)系統(tǒng)的非線性本質(zhì)及干擾的存在，在仿真時(shí)加了個(gè)小幅白噪聲信號(hào)，模擬系統(tǒng)的非線性特性。分別采用單純的PID控制，模糊控制(采用初始模糊控制器)及基于遺傳算法的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)控制器，對(duì)無(wú)桿氣缸進(jìn)行仿真，其對(duì)正弦信號(hào)的跟蹤如圖所示。圖4-27為PID控制響應(yīng)曲線，圖4-28為模糊控制響應(yīng)曲線，圖4-29為基于遺傳算法的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)控制響應(yīng)曲線。在采用基于遺傳算法的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)控制的情況下，增大死區(qū)特性為15時(shí)，同樣得到了較好的仿真結(jié)果，如圖4-30所示。對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)見(jiàn)圖4-31。圖4-26 智能控制仿真框圖 圖4-27 PID控制響應(yīng)曲線， 圖4-28 模糊控制響應(yīng)曲線圖4-29基于遺傳算法的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò) 圖4-30基于遺傳算法的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)增大控制響應(yīng)曲線 死區(qū)特性為15時(shí)控制響應(yīng)曲線圖4-31 階躍響應(yīng)仿真曲線由仿真結(jié)果可看出，仿真曲線與理想曲線吻合較好。智能控制算法的控制效果較為滿意。4.3.3 基于C8051F脈寬調(diào)制(PWM)的氣動(dòng)比例調(diào)壓閥1總體結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)(氣動(dòng)比例調(diào)壓閥)由先導(dǎo)式調(diào)壓閥、兩位三通高速開(kāi)關(guān)閥、氣動(dòng)壓力傳感器(MOTORO-LA公司的MPX5700)、控制電路、LCD (SMSO424)顯示和電源模塊組成，如圖4-32所示。該系統(tǒng)的硬件控制電路是以Silicon Laboratories公司的C8051F020單片機(jī)為核心，包括壓力傳感器信號(hào)放大、串口通訊、鍵盤(pán)控制、高速開(kāi)關(guān)閥驅(qū)動(dòng)、程序下載以及三端穩(wěn)壓等模塊。系統(tǒng)上電后，通過(guò)鍵盤(pán)輸入壓力值，啟動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到調(diào)壓閥出口壓力值低于設(shè)定壓力值時(shí)進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)，向調(diào)壓閥先導(dǎo)腔供氣，輸出壓力增加。同時(shí)系統(tǒng)將壓力傳感器檢測(cè)到的出口壓力反饋給控制電路，重新得出輸出壓力值與設(shè)定壓力值的偏差，計(jì)算出控制量U。將其作為單片機(jī)PID控制的輸入，輸出PWM信號(hào)經(jīng)75452反相驅(qū)動(dòng)器放大驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣電磁閥對(duì)先導(dǎo)腔進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，直到主閥芯在新的位置上達(dá)到平衡，得到一個(gè)與輸入成比例的輸出壓力。其工作流程如圖4-33所示。圖4-32系統(tǒng)組成圖圖4-33 工作流程圖2系統(tǒng)控制（1）控制策略由于空氣的壓縮性大、粘性小會(huì)帶來(lái)壓力響應(yīng)滯后、容易引起系統(tǒng)響應(yīng)振動(dòng)等。因此對(duì)氣體進(jìn)行壓力控制具有明顯的非線性、不確定性,難于建立精確的數(shù)學(xué)模型。PID控制作為一種常用的控制算法，其最大的特點(diǎn)在于魯棒性強(qiáng)，不必建立精確的數(shù)學(xué)模型。但PID控制的比例、積分及微分增益系數(shù)難于確定,需經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，工作量大。而PID歸一參數(shù)整定法是一種簡(jiǎn)易的整定法：U(KT)=Kp2.45e(KT)-3.5e(KT-T)+1.25e(KT-2T)由上式可以看出，對(duì)3個(gè)參數(shù)整定轉(zhuǎn)化為對(duì)1個(gè)參數(shù)Kp整定，使問(wèn)題明顯簡(jiǎn)化，控制效果顯著。控制算法流程圖，如圖4-34所示。圖4-34PID控制算法流程圖（2）控制方式該系統(tǒng)是采用PWM信號(hào)控制進(jìn)、排氣高速開(kāi)關(guān)電磁閥的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口壓力的調(diào)節(jié)。PWM(PulseW idthModulation)控制方式的原理如圖4-35所示。圖4-35(a)中r(t)為控制信號(hào)，將該信號(hào)與載波信號(hào)c(t)進(jìn)行比較，如果在某時(shí)刻r(t)的值大于載波信號(hào)c(t)的值，則使高速開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟，否則閥閉合，從而得到一系列如圖4-35(b)所示的控制指令。將這些控制指令作用到高速開(kāi)關(guān)閥上，在每一個(gè)循環(huán)時(shí)間Ts內(nèi)，有Ton的時(shí)間閥的通路被打開(kāi)，有流量Q通過(guò)，其余時(shí)間高速開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，無(wú)流量通過(guò)。時(shí)間Ton與Ts之比稱為脈沖寬度調(diào)制率(占空比)，記為d,即d=Ton/Ts。由于高速開(kāi)關(guān)閥工作的載波信號(hào)周期可以調(diào)得很小，如0.050.1s。因此，可用平均流量表示這一時(shí)間內(nèi)的輸出流量。平均流量可表示為：式中：p為閥口壓差；C為閥口流量系數(shù)； A為閥開(kāi)口面積。圖4-35PWM控制原理圖圖4-36流量與占空比關(guān)系圖由上式可以看出通過(guò)閥體的流量與占空比成線性關(guān)系(圖4-36)，控制占空比就可以控制通過(guò)閥體的流量。此所控制系統(tǒng)正是要利用高速開(kāi)關(guān)閥調(diào)制信號(hào)的占空比流量特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。（3）軟件控制系統(tǒng)的軟件控制是采用模塊化設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)初始化程序、鍵盤(pán)管理程序、LCD顯示程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、PID控制程序、PWM控制程序、定時(shí)器中斷程序、串口通信程序等模塊組成。采用模塊化編程極大地方便了調(diào)試和優(yōu)化，其流程圖如圖4-37、4-38所示。圖4-37主函數(shù)流程圖3技術(shù)要點(diǎn)在控制電路上每個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥的兩端都應(yīng)反向并聯(lián)一個(gè)二極管，用來(lái)防止突然斷電時(shí)，電磁閥線圈產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)其它電子器件造成損害。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行壓力傳感器的標(biāo)定，確定氣體壓力與傳感器信號(hào)放大電路輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)壓力傳感器的標(biāo)定采用最小二乘法，在逼近意義上使用：i=Yi-(b+kXi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在額定壓力(00.7MPa)范圍內(nèi)，出口壓力與傳感器信號(hào)放大電路輸出的電壓呈線性關(guān)系。ADC采樣應(yīng)連續(xù)多次采樣(如10次)，進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，以避免系統(tǒng)因外界干擾帶來(lái)的振蕩。圖4-38ADC0初始化及采樣轉(zhuǎn)換流程圖4測(cè)試結(jié)果及結(jié)論基于PWM氣動(dòng)比例調(diào)壓閥的控制流量不宜太大，適合小流量。成本低，抗污染能力強(qiáng)。采用PID控制作為PWM氣動(dòng)調(diào)壓閥的控制策略，取得了良好的控制效果。實(shí)驗(yàn)證明，氣動(dòng)比例調(diào)壓閥既能產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的壓力，又能夠保證輸出壓力的穩(wěn)定,具有良好的控制性能及實(shí)用性。4.3.4 高精度氣動(dòng)機(jī)械手及應(yīng)用氣動(dòng)機(jī)械手是集機(jī)械、電氣、氣動(dòng)和控制于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。近年來(lái)，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，與電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。一種四自由度(不包括夾取自由度)氣動(dòng)機(jī)械手，應(yīng)用于高危物質(zhì)試驗(yàn)的場(chǎng)合，機(jī)械手的使用安全性要求相當(dāng)高；該機(jī)械手主傳動(dòng)部分采用某公司的新型無(wú)桿氣缸，帶制動(dòng)器及行程可讀出傳感器，定位精度相當(dāng)高；該機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，而且改變了一般機(jī)械手的受力為懸臂梁的特點(diǎn)，使得機(jī)械手臂負(fù)載進(jìn)一步加強(qiáng)；其PLC控制系統(tǒng)既可保證氣動(dòng)機(jī)械手單獨(dú)自動(dòng)工作，也可由使用人員手動(dòng)操作，且為網(wǎng)絡(luò)操作預(yù)留了接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。1 結(jié)構(gòu)氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-39所示。1支架2軸位移傳感器3軸無(wú)桿氣缸4Y軸無(wú)桿氣缸 5Y軸位移傳感器6軸位移傳感器7軸雙作用氣缸 8手指夾緊氣缸9、回轉(zhuǎn)氣缸10工作臺(tái)圖4-39 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械手手臂包括軸氣缸，Y軸氣缸和Z軸氣缸，3個(gè)氣缸可以實(shí)現(xiàn)三自由度下任意坐標(biāo)移動(dòng)。其中，軸氣缸和Y軸氣缸為某公司的新型機(jī)械式無(wú)桿氣缸，帶制動(dòng)器及行程可讀出傳感器，此一設(shè)計(jì)方案滿足了試驗(yàn)臺(tái)空間限制的要求。Z軸氣缸為帶制動(dòng)器和導(dǎo)向的雙作用氣缸，且?guī)в形灰苽鞲衅鳌Ｊ滞蟛康幕剞D(zhuǎn)氣缸選用小型葉片擺動(dòng)馬達(dá)，可使手腕在1800范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。手指具有3種不同的結(jié)構(gòu)：平行夾持式、支點(diǎn)回轉(zhuǎn)夾持式和真空吸盤(pán)式。手指根據(jù)不同的使用情況可以自由更換。2 氣動(dòng)原理因?yàn)闅怏w具有很大的可壓縮性，要做到氣動(dòng)機(jī)械手精確定位難度很大，尤其是難以實(shí)現(xiàn)任意位置的多點(diǎn)定位。傳統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)只能靠機(jī)械定位裝置的調(diào)定位置而實(shí)現(xiàn)可靠定位，并且其運(yùn)動(dòng)速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定，經(jīng)常無(wú)法滿足許多設(shè)備的自動(dòng)控制要求，這在很大程度上限制了氣動(dòng)機(jī)械手的使用范圍。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，電一氣比例和伺服控制系統(tǒng)，特別是定位系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用電一氣伺服定位系統(tǒng)可以非常方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無(wú)級(jí)定位(柔性定位)和無(wú)級(jí)調(diào)速，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度連續(xù)可調(diào)，從而達(dá)到最佳的速度和緩沖效果，大幅度降低氣缸的動(dòng)作時(shí)間和沖擊。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服定位系統(tǒng)相比，氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗環(huán)境污染及干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手的主傳動(dòng)部分控制采用某成套氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)，其原理如圖4-40所示。氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)由氣動(dòng)伺服閥、位移傳感器(無(wú)桿氣缸中附帶，數(shù)字量輸出)、驅(qū)動(dòng)裝置(ML2B系列無(wú)桿氣缸)及位置控制器(CEU2型)等4部分組成，可實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)的柔性定位和無(wú)級(jí)調(diào)速，定位精度可達(dá)0.1mm。CEU2型位置控制器可實(shí)現(xiàn)反饋控制參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化。只需輸入最基本的單元尺寸和運(yùn)行數(shù)據(jù)(氣缸行程、缸徑、負(fù)載重量和氣源壓力等)，即可完成定位系統(tǒng)的調(diào)試。機(jī)械手X軸、Y軸和Z軸3個(gè)主傳動(dòng)中設(shè)置了靜磁柵位移傳感器(無(wú)桿氣缸自帶)，如圖4-40所示。靜磁柵位移傳感器由“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”兩部分組成。“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺”軸線作無(wú)接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由“靜磁柵尺”解析出位移信息，經(jīng)轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生最小0.1mm脈沖的位移量數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)無(wú)需轉(zhuǎn)換直接傳遞給位移控制器，由位移控制器控制氣動(dòng)伺服閥實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各坐標(biāo)氣缸的精確定位運(yùn)動(dòng)。圖4-40 氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)簡(jiǎn)圖機(jī)械手總體氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖4-41所示。氣源經(jīng)三聯(lián)件處理后，通過(guò)相應(yīng)的電磁換向閥進(jìn)入各個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行元件。此系統(tǒng)中，選用了集裝式電磁換向閥，所有電磁換向閥由匯流板集裝在一起，以減少占用空間。1X軸無(wú)桿氣缸2Y軸無(wú)桿氣缸3Z軸雙作用氣缸4葉片式擺動(dòng)馬達(dá)5氣源三聯(lián)件6支點(diǎn)式手指7平行式手指8真空發(fā)生器組件圖4-41 機(jī)械手氣動(dòng)原理圖3 電氣控制及其程序編制圖4-42 機(jī)械手電氣原理簡(jiǎn)圖機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)主要由PLC(三菱Fx30MR型)1臺(tái)、PC機(jī)(內(nèi)置RS232C接口)1臺(tái)、RS232通信板(FXlN一232一BD型)1塊、位置控制器(CEU2型)3臺(tái)等部件構(gòu)成。可以實(shí)現(xiàn)兩種控制方式：由使用者操作手動(dòng)控制面板人工控制；通過(guò)PLC的RS232C接口，使用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其電氣原理圖如圖4-42所示。其中手動(dòng)控制能實(shí)現(xiàn)各類動(dòng)作，其精度不是很高；PC機(jī)能實(shí)現(xiàn)精確定位運(yùn)動(dòng)，而且能對(duì)運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行判斷和控制。機(jī)械手控制程序包括PLC控制程序和PC機(jī)控制程序兩部分。其中PLC程序采用梯形圖法編程，PC機(jī)客戶端程序采用VB編程。其主程序流程簡(jiǎn)圖如圖4-43所示。客戶端程序作為主程序，將幾種方式下使用的程序集成到一起，形成一個(gè)整體程序，通過(guò)主控指令和跳轉(zhuǎn)指令來(lái)運(yùn)行不同方式下的程序，并可通過(guò)增加各類壓力傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作部件氣壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果用戶要求，可以修改主程序中相應(yīng)程序來(lái)優(yōu)化機(jī)器手動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的動(dòng)作。圖4-43 主程序流程圖4 特點(diǎn)用氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無(wú)級(jí)定位(柔性定位)和無(wú)級(jí)調(diào)速，是一種實(shí)現(xiàn)空間任意位置多點(diǎn)精確定位的簡(jiǎn)單、有效的方法。新型帶位移傳感器及制動(dòng)裝置的無(wú)桿氣缸使機(jī)械手機(jī)構(gòu)緊湊，不需采用緩沖和另外定位裝置，受力情況也有較大改善。PC機(jī)在氣動(dòng)機(jī)械手控制中起主導(dǎo)作用，機(jī)械手可以方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的精確運(yùn)動(dòng)。客戶可方便地更改端程序，為機(jī)械手功能的擴(kuò)充創(chuàng)造了條件。系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)，IO接口簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)編程和修改參數(shù)方便。4.3.5 機(jī)間輸送機(jī)氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)1 控制系統(tǒng)的組成圖4-44為機(jī)間輸送機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，DA 、AD、伺服閥、氣缸、位移傳感器等環(huán)節(jié)組成。圖4-44 控制系統(tǒng)組成原理圖2 氣缸的選取氣缸伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件絕大多數(shù)是無(wú)桿氣缸和雙出桿氣缸，在此情況下氣缸兩腔的壓力作用面積是一致的，因此活塞在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)特性完全一致。氣缸的摩擦力對(duì)氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的性能有著極大的影響，特別是當(dāng)氣缸在低速運(yùn)動(dòng)或小步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這是因?yàn)楫?dāng)氣缸從靜止到開(kāi)始動(dòng)作時(shí)其摩擦力將突然下降。從控制理論上分析，這一現(xiàn)象將產(chǎn)生一個(gè)正反饋，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定(爬行)。但是，作為工業(yè)應(yīng)用的伺服定位系統(tǒng)必須能夠支持使用標(biāo)準(zhǔn)氣缸。系統(tǒng)選取模塊化的兩端接氣口的無(wú)桿氣缸(見(jiàn)圖4-45)。故選取某公司的DGP-40基本驅(qū)動(dòng)單元，缸徑為40 mm ，行程1000 mm 。圖4-45 無(wú)活塞桿的雙作用氣缸2 氣缸的運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程：式中 氣缸活塞的位移， 負(fù)載總質(zhì)量(包括氣缸可動(dòng)部件)，kg、 分別氣缸腔室A、B內(nèi)的壓力，動(dòng)摩擦系數(shù)，Nms庫(kù)侖摩擦力，NF 氣缸的軸向負(fù)載，N優(yōu)化控制理論設(shè)計(jì)步驟是：(1)對(duì)以上線性方程線性化，求得氣缸的位移 、速度主和加速度 線性方程。(2)根據(jù)氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)配置原理求出最佳狀態(tài)反饋增益。最佳反饋增益僅僅取決于基本的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如氣缸的缸徑和行程、伺服閥的通經(jīng)、負(fù)載重量和工作壓力高低等。3 伺服閥的選取氣動(dòng)伺服閥的功能是將計(jì)算機(jī)輸出的連續(xù)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)(電壓或電流信號(hào))經(jīng)過(guò)伺服閥轉(zhuǎn)換為連續(xù)氣控信號(hào)(壓力、流量)，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。表4-3所示為氣動(dòng)伺服閥的性能參數(shù)。表4-3 氣動(dòng)伺服閥的性能參數(shù)3 伺服閥的閥口流量氣體質(zhì)量流量表達(dá)式： （當(dāng)） （當(dāng)）4