[發明專利]基于四開關閥同開策略的氣動位置控制系統

有效

• 申請號: 201710889216.1
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107748511B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 謝琦;林忠麟;黃向華;張天宏
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

本發明提出基于四開關閥同開策略的氣動位置控制系統及其控制方法，該系統含四個螺線管高速開關閥，一個雙作用氣缸，三個壓力變送器，一個LVDT位置傳感器，以及用于驅動高速開關閥的驅動板與控制器。本發明為取得利于控制的腔內氣壓，在連桿運動的過程中，增加一個四個高速開關閥同時開啟的工作模式，使得左右空腔氣壓迅速地達到穩定的氣壓段。通過合理調整四個螺線管開關閥的開關時機確保氣缸左右兩腔保持足夠的穩定氣壓，促使氣缸連桿的穩定運行，減少由慣性導致的位置回彈，進而減少了位置控制中的抖動。本發明結構簡單，成本低廉并且極大的提高了位置控制精度。

技術領域

本發明屬于氣動伺服控制領域，特別涉及一種基于四開關閥同開策略的氣動位置控制系統及其控制方法。

背景技術

隨著數字控制技術的發展，氣動伺服系統有了較大的突破。氣動控制元件響應快速，結構簡單輕便，使用清潔，便于維護，廣泛運用于控制領域。氣動控制系統中依靠空氣作為介質傳遞能量，空氣的壓縮性大、粘性小，有利于構成柔軟型驅動機構和實現高速運動。但是，壓縮性的提高導致了壓力響應的滯后；粘性的減小意味著系統阻尼較小，容易引起系統超調與震蕩。

目前大多數氣動位置控制系統依靠伺服/比例閥進行精確控制。如今的伺服閥經過多年的發展可輕松實現連續的對于壓力、流量的控制，并且能夠取得較高的控制精度，但是伺服閥也有成本昂貴和閥體積大等缺點。相比伺服閥，高速開關閥的結構簡單，價格低廉。基于開關閥的系統體現出加大的非線性特性，但是能夠通過脈沖調制技術如脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)技術與脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation， PCM)技術得到近似線性的流量或者壓力系數，進而使得采用開關閥的氣動控制系統表現出類似于采用比例閥的控制效果。基于開關閥的控制系統的控制成本較低并且系統復雜程度低，但是，受開關閥自身的特性所限，系統的調控精度與速度均有限，并且含有較大的控制死區。

R.B.van Varseveld在1997年提出了改進后的非線性控制算法，在采用摩擦補償、位置前饋等補償控制算法后得到了較為良好的響應特性。Sean Hodgson、Mahdi Tavakoli、Minh Tu Pham等人與2015在IEEE/ASME Transactionst on Mechantronics 中發表的對四個螺線管高速開關閥組成的16種開關閥切換組合進行了實驗研究，并運用滑?？刂?Sliding Mode Control，SMC)與PWM結合的方法驗證了最佳的組合方案。但是由于電磁閥的開關特性，導致開關電磁閥的開啟與關閉均有一定的響應時間，使得 PWM的占空比有一定的死區與飽和區，進而使控制系統的特性受到影響。Minh Tu Pham 等人為了減少死區影響采用了價格昂貴的超高速開關閥(開關頻率500KHZ以上)將控制死區減少。

基于PWM的控制策略提高了傳統開關閥的控制精度，使得開關閥的運用范圍得到了較大的擴充。但僅依靠PWM控制策略不能取得高精度的控制效果。

發明內容

發明目的：在傳統的控制策略中，未考慮到對腔內氣壓的控制，這導致了運動腔內的氣壓會過高或過低，進而導致過高的放氣速度或者充氣速度，對控制效果有較大影響。本發明為了取得可以穩定的利于控制的腔內氣壓，提出一種基于四開關閥同開策略的氣動位置控制系統及其控制方法。本發明在活塞桿運動的過程中，增加一部分四個高速開關閥同時打開的時間，使得左右空腔氣壓迅速地達到穩定的相同穩定的氣壓。合理調整四個螺線開關閥的開關時機確保氣缸左右兩腔保持一定的穩定氣壓，促使活塞的穩定運行，減少由慣性導致的位置回彈，進而減少了位置控制中的抖動。本發明能夠通過精確調整氣缸左右氣壓實現對于閥芯位置的精確控制，實現利用結構較為簡單的高速開關閥 (開關頻率50KHZ)，取得接近比例伺服閥控制效果。其穩態位置精度能夠達到0.5％本發明結構簡單，成本低廉進一步提高了位置控制精度。

發明內容：為實現上述技術效果，本發明提出以下技術方案：