氣動比例位置系統(tǒng)的控制方法及動態(tài)特性研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、氣動系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、無污染、性價比高、維修方便及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、紡織、微電子、生物工程等工業(yè)自動化領(lǐng)域中。氣動比例技術(shù)的出現(xiàn),使氣動系統(tǒng)從邏輯控制領(lǐng)域擴(kuò)展到比例/伺服控制領(lǐng)域。但是由于氣動系統(tǒng)固有的非線性、剛度小、阻尼比小以及固有頻率低等缺點(diǎn),使得氣動比例位置系統(tǒng)定位技術(shù)進(jìn)展緩慢,其控制精度和工作性能難以達(dá)到理想的效果,從而限制了氣動系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的推廣及應(yīng)用。本文主要以提高氣動比例系統(tǒng)的控制精度為目標(biāo),

2、通過分析其摩擦力及動態(tài)特性,對系統(tǒng)的摩擦非線性補(bǔ)償及智能控制策略進(jìn)行研究。 本文綜述了氣動比例系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r,分析了氣動系統(tǒng)的緩沖定位技術(shù),闡述了智能控制技術(shù)在該領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用。在深入分析氣動比例系統(tǒng)的工作性能及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究系統(tǒng)的摩擦機(jī)理,并且通過疊加高頻低幅顫振信號補(bǔ)償系統(tǒng)的摩擦力,結(jié)合氣動比例系統(tǒng)的非線性特征,設(shè)計出模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器,使系統(tǒng)獲得了良好的控制精度。 首先,對氣動比例系統(tǒng)進(jìn)行了兩種方法

3、的數(shù)學(xué)建模研究。一種方法是機(jī)理建模,即通過分析氣缸與比例方向閥的力平衡特性以及壓力-流量特性,建立了系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型,并對模型進(jìn)行了系統(tǒng)辨識,得到了較為精確的數(shù)學(xué)模型,以便于為下一步的研究提供依據(jù)。另一種方法是基于圖形化的物理建模,通過仿真軟件AMESim,建立氣動比例位置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,這種方法可以最大程度的考慮系統(tǒng)的細(xì)節(jié)問題,從而能夠得到更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。由于圖形化建模是利用AMESim與Matlab/simulink的聯(lián)合仿

4、真平臺,把兩個優(yōu)秀的專業(yè)仿真工具聯(lián)合起來使用,既發(fā)揮AMESim突出的流體機(jī)械的仿真效能,又能借助MATLAB/Simulink強(qiáng)大的數(shù)值處理能力,取長補(bǔ)短,取得更加完美的互補(bǔ)效果,所以本文的所有研究都是在基于圖形化物理建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 其次,研究了補(bǔ)償氣動比例閥控缸系統(tǒng)摩擦力的理論。由系統(tǒng)的摩擦力帶來的穩(wěn)態(tài)誤差和低速爬行問題,通常是通過提高運(yùn)動部件的加工精度和改進(jìn)系統(tǒng)的潤滑條件來解決。在氣動比例系統(tǒng)中,可以通過改進(jìn)氣缸的機(jī)

5、械結(jié)構(gòu),或者采用高精度新型氣缸等措施來減少非線性摩擦對系統(tǒng)運(yùn)動性能的影響,但是由于這種方法會使成本顯著增加,也不可能最終消除非線性摩擦,所以會影響系統(tǒng)的定位精度和軌跡跟蹤精度。仿真及實(shí)驗(yàn)研究表明,通過疊加顫振信號補(bǔ)償系統(tǒng)的摩擦力,可克服氣動比例閥的中位死區(qū),提高系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)響應(yīng)特性。 再次,針對系統(tǒng)的非線性特性,研究了氣動比例系統(tǒng)的智能控制方法。文中分別對智能控制領(lǐng)域內(nèi)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法進(jìn)行了分析和仿真研究。模

6、糊控制能仿效人的模糊邏輯思維方法,允許系統(tǒng)在工作過程中某些數(shù)值型量的不精確性存在。但是模糊規(guī)則的確定對操作人員的經(jīng)驗(yàn)以及語言表達(dá)方式有一定的依賴性,不同人員對于問題認(rèn)識的深度和綜合能力直接影響到模糊控制系統(tǒng)的工作性能。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)通過其結(jié)構(gòu)的可變性,逐步適應(yīng)外部環(huán)境的各種因素的作用,能夠從不十分精確的輸入/輸出值描述中挖掘出研究對象之間的因果聯(lián)系,從而達(dá)到解決問題的目的。 為了減小控制系統(tǒng)對經(jīng)驗(yàn)知識的依賴性,增強(qiáng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力

7、以提高控制系統(tǒng)對運(yùn)行過程中工況條件變化時的適應(yīng)能力,針對比例閥控缸對象一類的非線性、時變不確定系統(tǒng),考慮采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決。因此,提出了一種模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(FNN)的控制方法,即在基本模糊控制器的基礎(chǔ)上,引入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù),利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能結(jié)合模糊邏輯推理,以進(jìn)一步改善比例閥控缸系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力。仿真結(jié)果表明,針對該系統(tǒng)設(shè)計的模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器,能夠很好的克服外界負(fù)載擾動對比例閥控缸系統(tǒng)的

8、影響,使系統(tǒng)的魯棒性提高。 最后,將模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能和疊加顫振信號的補(bǔ)償方法相結(jié)合,對比例閥的死區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究;在對高次曲線進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上,提出了采用高次曲線作為理想曲線實(shí)現(xiàn)氣動比例閥控缸位置控制系統(tǒng)軌跡跟蹤的方法;通過研制兩自由度氣動比例系統(tǒng)的控制程序及控制界面,實(shí)現(xiàn)了氣動比例系統(tǒng)在平面內(nèi)的高精度軌跡跟蹤研究;單自由度系統(tǒng)定位精度控制在±0.100mm以內(nèi),平面兩自由度連續(xù)軌跡跟蹤精度控制在±0.263m

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