关键词：气液联控伺服系统 工作性能分析

摘要：为从根本上克服常规气压伺服系统的缺点，将液体介质引入到气压伺服系统中，并对气、液进行闭环控制，从而构成了一种气、液复合介质控制系统—气液联控伺服系统。系统应用高速开关阀，用脉宽调制（PWM）的方法进行控制。采用单神经元自适应控制器，根据所建立的状态方程进行了系统的控制仿真，并进行了典型信号的跟踪试验。仿真和试验结果表明，气液联控伺服系统的正弦信号跟踪能力、低速性能均高于常规气压伺服系统，系统可实现无超调定位，且具有较高的位置刚度和精度。

气液联控的基本思想是将液体介质引入到常规气压伺服系统中，并进行闭环控制，以获得连续可调的阻尼力，进而直接影响系统的动、静态特性，这种气液复合控制系统称为气液联控系统。在该系统中，采用高速开关阀，用脉宽调制方法进行控制，液体部分不需要液压源，动力来自于气压部分，是一个封闭的自循环系统，因此其体积小，结构简单。液体介质的引入，给系统动态特性的调节提供了全新的途径，提高了控制的灵活性，能从根本上解决常规气压伺服系统的低频响、低精度和低刚度问题。目前，在常规气压伺服系统的应用中，基本上可以利用气液联控伺服系统，使常规气压伺服系统获得更好的静、动态性能。气液联控系统是一个具有强非线性的系统，用线性化方法进行理论分析时，仿真与试验结果差别很大，因此不适合采用线性系统理论进行系统分析。本文根据相关的物理方程，建立了系统的状态方程，据此进行了系统的控制性能仿真，同时在气液联控系统试验台上进行了控制试验。

1 气液联控伺服系统的原理和构成

气液联控伺服系统的结构如图1所示，系统由气液缸和负载、传感器、计算机和控制器，以及高速开关阀与其驱动电路组成。系统的基本工作原理是将位移（力）传感器采集的信号与给定信号相比较，得出偏差信号，经过控制算法计算，由计算机发出脉宽调制（PWM）控制信号来分别控制液压阀和气压阀的开或关，使得系统向着减小偏差的方向运动，从而实现负载位置（力）的伺服控制。

图1 气液联控伺服系统结构图

在本文研究的伺服系统中，采用高速开关阀作为控制阀，该种阀是采用PWM 的方法对系统进行控制的。在系统中选用直线光栅位移传感器来测量位移，并在气液缸活塞杆上加装了力传感器，以测取力信号。

2 气液联控伺服系统的状态方程

2.1 系统基本方程

在一个脉宽调制周期内，分析高速开关阀的质量流量。在计算中，认为气压腔内的温度与气源温度、环境温度都相同。这样的简化是合理的，因为根据试验结果，气缸内的温度变化不大，通常在±10°C以内。对系统中所用的2位三通气压高速开关阀，其质量流量方程为

式中δ、δ_e分别表示气缸腔内外的压力比和气压高速开关阀的临界压力比；τ＝T_p/T，为气压高速开关阀的占空比；T_p为在一个调制周期内开关阀的开启时间，即脉冲宽度；T为载波周期；q_m1\q_m2分别为气缸左右腔的质量流量；p_s、p₀、p₁、p₂分别是气源、环境和气缸左右腔的压力；C₁、C₂分别是气压高速开关阀进、排气通道的声速流导；b₁、b₂分别为气压高速开关阀进、排气通道的临界压力比。

根据理想气体的状态方程，得到气缸两腔内的压力方程为

式中：V₁₀、V₂₀、A₁、A₂分别为气压缸左右腔的初始容积和左右腔活塞的有效面积；是理想气体常数；y是气缸活塞位移。

根据锐边节流孔的流量公式，得到液压缸阻尼力的方程为

式中：A
₃为液压缸活塞的有效面积；τ_L为液压高速开关阀的占空比；ρ为液体密度；C_d为流量系数；A为阀口面积F系统的力平衡方程为

式中：b_L为负载黏性阻尼系数；m为惯性负载质量；F_L为阻力负载；K_L为负载的弹簧刚度。

2.2 系统的状态方程

令活塞位移、活塞速度、气缸左腔压力、气缸右腔压力为状态变量，即

综合式（1）～式（4）可得系统的状态方程

3 气液联控伺服系统的控制策略

对于时变、强非线性的气液联控伺服系统，宜采用智能控制方法对其进行控制，为了适应快速实时控制的需要，采用单神经元自适应控制方法，系统采用单位输出反馈，控制系统结构如图2所示。神经元的输入变量为参考输入信号、参考输入信号变化量、输出误差和输出误差变化量，即

为了保证学习算法的收敛性和控制的鲁棒性，采用规范化学习算法，其控制器为

式中：u(t)为神经元的输出，即系统的控制量；w_i(t)为权值；d为神经元的学习速率。

图2 单神经元控制系统框图

由图2可见，神经元产生的控制信号由4部分组成，即前馈比例控制、前馈积分控制、反馈比例控制、和反馈微分控制。这是一种多层次多模式的控制结构，集前馈和反馈为一体，互为关联，互为补偿。前馈控制提高了系统、响应速度和对时变信号的跟踪能力，反馈比例控制能迅速减小跟踪误差，反馈微分控制可以改善系统的响应速度，减小超调值。反映了受控对象和过程响应的动态特性，神经元通过自身的学习策略不停地调整权值，使得系统在4种控制的综合作用下迅速消除偏差，实时跟踪给定的输入信号。因此，单神经元自适应控制系统是一个闭环稳定系统。

4 系统的仿真和试验

根据系统的状态方程式（5）和所设计的控制器，利用MATLAB中的simulink工具箱进行了气液联控伺服系统的正弦信号、低速斜坡信号的跟踪试验和阶跃响应试验的仿真。当系统进行仿真时，实时计算系统的输出，把活塞位移与理想输出进行比较后得出误差值，经控制器计算出控制量，再通过软件方式生成PWM信号，来控制气、液高速开关阀的占空比，进而控制气缸两腔的进排气量，使得系统向着减小偏差的方向运动。

在已建成的试验台上，对气液联控伺服系统和常规气压伺服系统进行了与仿真参数相同的单神经元控制器的控制试验，试验和仿真结果见图3、图4。对比图3和图4可以看出，与常规气压伺服系统相比，气液联控伺服系统跟踪阶跃信号稳态时无波动，因此可以实现无超调定位。当跟踪相同幅值和频率的正弦信号时，气液联控伺服系统的波动小，因此抖动现象得到了较大改善。设跟踪信号超出±0.01 mm的位移误差范围为爬行，可以看出，常规气压伺服系统在0.02 mm/s的斜坡输入响应中出现了爬行现象，说明常规气压伺服系统对摩擦等非线性干扰的抑制能力较差，难以响应较低的速度输入信号，而气液联控伺服系统在响应同一斜坡信号时，响应曲线在误差带之内，即没有出现爬行现象，这表明气液联控伺服系统对摩擦等非线性干扰的抑制能力增强，具有良好的低速性能。

图3 气液联控伺服系统的仿真与控制试验曲线

图4 常规气压伺服系统的控制试验曲线

5 结论

（1）由试验证明了气液联控伺服系统的原理和技术是可行的。

（2）在系统中加入液体阻尼后，不仅使系统更加容易稳定，而且很容易实现无超调定位。

（3）本文研究的单神经元自适应控制器适用于气液联控伺服系统的控制。

（4）对于强非线性的气液联控伺服系统，不宜采用线性化方法进行性能分析，而应采用非线性方法建模与仿真。本文的仿真结果与试验结果接近，对系统的分析和试验具有理论意义。

（5）由于气液联控伺服系统对典型信号的跟踪性能得到了很大改善，从而为气压伺服技术在不同领域的应用开拓了更广阔的空间。

参考文献

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