基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统和方法技术方案

发明专利技术公开了一种基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统和方法，系统中的控制器检测气缸输出杆的位置，根据目标位置的大小，并根据控制器检测到的单杆双作动气缸左腔和右腔的压力之和与高压气源和大气的压力之和的差值关系，通过组合充气阀和排气阀的开启使得气缸输出杆向右移动与向左移动，从而实现气缸输出杆位置的精确快速控制。根据内部气压，外部气压和的关系采用不同的控制策略，将气压平衡的策略与根据位置误差分段的策略结合在一起，构成了完整的高精度控制方法，控制脉动小，避免了采用PWM方法时存在的频繁充放气而导致的气源浪费与噪声，减小了极限位置的控制死区，大大提高了阀的使用寿命与位置控制精度。

【技术实现步骤摘要】
基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统和方法
本专利技术属于气动伺服控制领域，特别涉及一种基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统。
技术介绍
气动伺服控制是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化和自动化的一门技术。由于压缩空气获取成本低廉、无环境污染、使用维护成本低、系统设计环境要求低以及使用寿命长等一系列优点，使得气动伺服控制技术广泛应用在各种工业生产过程中。在现代汽车焊接生产线上，车身各工序的移动、车身外壳的快速定位以及焊枪的快速接近都需要用到精确的气动位置控制。气动控制阀是气动伺服控制系统的关键。高速开关阀相较于伺服阀/比例阀，有着结构简单和成本低廉的特点，而如何采用低成本、易维护的高速开关阀代替伺服阀/比例阀组件高精度的气动伺服控制系统，一直是现代气动伺服控制研究的热点问题。目前在采用高速开关阀的气动伺服控制系统中广泛采用的是脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)方法。在带负载的气动位置控制中，经过改进的PWM方法使高速开关阀的平均驱动电压与负载移动速度的关系接近线性化，这种线性关系的建立使得原本极度非线性的气动系统能够获得更高的控制精度。传统的位置控制方法一般不考虑内外气压的差异，并且仅仅采用PWM方法固定的控制多个阀的开启和关闭，实际造成了在气缸输出杆运动的左右极限位置容易卡死，并且控制死区较大。采用PWM方法也会带来气压的脉动误差，造成能源的浪费和控制效果较差。XiangrongShen等在JournalofDynamicSystems,Measurement,andControl期刊2006年128期的“NonlinearModel-BasedControlofPulseWidthModulatedPneumaticServoSystems”文章中提到了一种3模式切换的高速开关阀切换方法以克服单纯PWM方法带来的脉动误差，SeanHodgson等在Mechatronics期刊2012年22期的“Improvedtrackingandswitchingperformanceofanelectro-pneumaticpositioningsystem”文章中提到了一种考虑内外气压差的高速开关阀切换方法，通过简单的分段控制提高了位置控制的精度。但是上述基于PWM的方法都不能从根本上解决位置控制存在的控制死区问题，控制精度也难以进一步提高。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有存在的问题和不足，本专利技术的目的是解决传统PWM控高速开关阀位置控制系统控制精度低、存在控制死区的问题。技术方案：基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统，包含单杆双作动气缸1、左充气阀2、左排气阀3、左压力传感器4、右充气阀5、右排气阀6、右压力传感器7、位置传感器8、单杆双作动气缸左腔9、单杆双作动气缸右腔10、气缸输出杆11、负载12、滑台13和控制器14；在单杆双作动气缸1的左进气孔安装左充气阀2、左排气阀3和左压力传感器4，左充气阀2的进气端与高压气源连接，左排气阀3的排气端与大气环境相通，在单杆双作动气缸1的右进气孔安装右充气阀5、右排气阀6和右压力传感器7，右充气阀5的进气端与高压气源连接，右排气阀6的排气端与大气环境相通；气缸输出杆11与负载12相连，负载12在滑块滑台13上水平滑动，并在气缸输出杆11上安装位置传感器8；单杆双作动气缸左腔9的压力由左压力传感器4测量，单杆双作动气缸右腔10的压力由右压力传感器7测量，气缸输出杆11的位置由位置传感器8测量，控制器14采集并处理所有传感器的信号和数据；根据气缸输出杆11位置与目标控制位置的差值，规定了气压平衡大偏离调控策略和气压平衡小偏离调控策略，这两种策略结合控制器14检测到的单杆双作动气缸左腔9和单杆双作动气缸右腔10的压力之和与高压气源和大气的压力之和的差值关系，通过产生不同的四阀开启脉冲，保持单杆双作动气缸左腔9、单杆双作动气缸右腔10、高压气源和大气之间的压力平衡，使得气缸输出杆11位置控制始终处于可调控的状态，减小气缸输出杆11位置控制左侧或者右侧的控制死区，实现气缸输出杆位置的精确快速控制。在气缸输出杆11设定位置与实测位置相差较大，即当位置误差ΔY的绝对值较大时执行气压平衡大偏离调控策略，策略中的每一种状态均能保持内外压力平衡；在需要向右移动的状态下，即当α＜ΔY时，α为常量，如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和小于高压气源与大气压力之和，以同时打开左充气阀2和右排气阀6为主要控制脉冲，仅打开左充气阀2为辅助控制脉冲，使得单杆双作动气缸左腔9快速充气并且气缸输出杆11快速右移；如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和大于高压气源与大气压力之和，主要控制脉冲不变，仅打开右排气阀6为辅助控制脉冲，使得单杆双作动气缸右腔10快速放气并且气缸输出杆11快速右移；如果腔内外气压处于平衡的状态，主要控制脉冲不变，不使用辅助脉冲，在不改变内外气压平衡的情况下使得气缸输出杆11快速右移；在需要向左移动的状态下，即当ΔY≤-α时，如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和小于高压气源与大气压力之和，以同时打开左排气阀3和右充气阀5为主要控制脉冲，仅打开右充气阀5为辅助控制脉冲，使得单杆双作动气缸右腔10快速充气并且气缸输出杆11快速左移；如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和大于高压气源与大气压力之和，主要控制脉冲不变，仅打开左排气阀3为辅助控制脉冲，使得单杆双作动气缸左腔9快速放气并且气缸输出杆11快速左移；如果腔内外气压处于平衡的状态，主要控制脉冲不变，不使用辅助脉冲，在不改变内外气压平衡的情况下使得气缸输出杆11快速左移。在气缸输出杆(11)设定位置与实测位置相差较小，即当位置误差ΔY的绝对值较小时执行气压平衡小偏离调控策略，策略中的每一种状态均能保持内外压力平衡；在需要向右移动的状态下，即当ε＜ΔY≤α时，ε为常量且ε小于α，如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和小于高压气源与大气压力之和，以仅打开左充气阀2为控制脉冲，根据控制量大小微调打开左充气阀2的时间，使得单杆双作动气缸左腔9慢速充气并且气缸输出杆11向右缓慢移动；如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和大于高压气源与大气压力之和，以仅打开右排气阀6为控制脉冲，根据控制量大小微调打开右排气阀6的时间，使得单杆双作动气缸右腔10慢速放气并且气缸输出杆11向右缓慢移动；如果腔内外气压处于平衡的状态，控制器12保持上一个控制周期的控制方式，减小气阀切换造成的震动，在不改变内外气压平衡的情况下使得气缸输出杆11缓慢右移；在需要向左移动的状态下，即当-α＜ΔY≤-ε时，如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和小于高压气源与大气压力之和，以仅打开右充气阀5为控制脉冲，根据控制量大小微调打开右充气阀5的时间，使得单杆双作动气缸右腔10慢速充气并且气缸输出杆11向左缓慢移动；如果单杆双作动气缸左腔9与单杆双作动气缸右腔10的压力之和大于高压气源与大气压力之和，以仅打开左排气阀3本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统，其特征在于，包含单杆双作动气缸(1)、左充气阀(2)、左排气阀(3)、左压力传感器(4)、右充气阀(5)、右排气阀(6)、右压力传感器(7)、位置传感器(8)、单杆双作动气缸左腔(9)、单杆双作动气缸右腔(10)、气缸输出杆(11)、负载(12)、滑台(13)和控制器(14)；在单杆双作动气缸(1)的左进气孔安装左充气阀(2)、左排气阀(3)和左压力传感器(4)，左充气阀(2)的进气端与高压气源连接，左排气阀(3)的排气端与大气环境相通，在单杆双作动气缸(1)的右进气孔安装右充气阀(5)、右排气阀(6)和右压力传感器(7)，右充气阀(5)的进气端与高压气源连接，右排气阀(6)的排气端与大气环境相通；气缸输出杆(11)与负载(12)相连，负载(12)在滑块滑台(13)上水平滑动，并在气缸输出杆(11)上安装位置传感器(8)；单杆双作动气缸左腔(9)的压力由左压力传感器(4)测量，单杆双作动气缸右腔(10)的压力由右压力传感器(7)测量，气缸输出杆(11)的位置由位置传感器(8)测量，控制器(14)采集并处理左压力传感器(4)、右压力传感器(7)和位置传感器(8)的信号和数据并对左充气阀(2)、左排气阀(3)、右充气阀(5)、右排气阀(6)进行控制。...

【技术特征摘要】
1.基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制系统，其特征在于，包含单杆双作动气缸(1)、左充气阀(2)、左排气阀(3)、左压力传感器(4)、右充气阀(5)、右排气阀(6)、右压力传感器(7)、位置传感器(8)、单杆双作动气缸左腔(9)、单杆双作动气缸右腔(10)、气缸输出杆(11)、负载(12)、滑台(13)和控制器(14)；在单杆双作动气缸(1)的左进气孔安装左充气阀(2)、左排气阀(3)和左压力传感器(4)，左充气阀(2)的进气端与高压气源连接，左排气阀(3)的排气端与大气环境相通，在单杆双作动气缸(1)的右进气孔安装右充气阀(5)、右排气阀(6)和右压力传感器(7)，右充气阀(5)的进气端与高压气源连接，右排气阀(6)的排气端与大气环境相通；气缸输出杆(11)与负载(12)相连，负载(12)在滑块滑台(13)上水平滑动，并在气缸输出杆(11)上安装位置传感器(8)；单杆双作动气缸左腔(9)的压力由左压力传感器(4)测量，单杆双作动气缸右腔(10)的压力由右压力传感器(7)测量，气缸输出杆(11)的位置由位置传感器(8)测量，控制器(14)采集并处理左压力传感器(4)、右压力传感器(7)和位置传感器(8)的信号和数据并对左充气阀(2)、左排气阀(3)、右充气阀(5)、右排气阀(6)进行控制。2.如权利要求1所述的基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制方法，其特征在于，控制器(14)根据气缸输出杆(11)位置与目标控制位置的差值，以及检测到的单杆双作动气缸左腔(9)和单杆双作动气缸右腔(10)的压力之和与高压气源和大气的压力之和的差值关系，进行气压平衡大偏离调控策略和气压平衡小偏离调控策略，通过产生不同的左充气阀(2)、左排气阀(3)、右充气阀(5)、右排气阀(6)四阀开启脉冲，保持单杆双作动气缸左腔(9)、单杆双作动气缸右腔(10)、高压气源和大气之间的压力平衡，使得气缸输出杆(11)位置控制始终处于可调控的状态，减小气缸输出杆(11)位置控制左侧或者右侧的控制死区，实现气缸输出杆位置的精确快速控制。3.如权利要求1所述的基于高速开关阀气压平衡调控策略的敏捷位置控制方法，其特征在于：在气缸输出杆(11)设定位置与实测位置相差较大，即当位置误差ΔY的绝对值较大时执行气压平衡大偏离调控策略，策略中的每一种状态均能保持内外压力平衡；在需要向右移动的状态下，即当α＜ΔY时，α为常量，如果单杆双作动气缸左腔(9)与单杆双作动气缸右腔(10)的压力之和小于高压气源与大气压力之和，以同时打开左充气阀(2)和右排气阀(6)为主要控制脉冲，仅打开左充气阀(2)为辅助控制脉冲，使得单杆双作动气缸左腔(9)快速充气并且气缸输出杆(11)快速右移；如果单杆双作动气缸左腔(9)与单杆双作动气缸右腔(10)的压力之和大于高压气源与大气压力之和，主要控制脉冲不变，仅打开右排气阀(6)为辅助控制脉冲，使得单杆双作动气缸右腔(10)快速放气并且气缸输出杆(11)快速右移；如果腔内外气压...

【专利技术属性】
技术研发人员：林忠麟，谢琦，张天宏，黄向华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32