本发明专利技术涉及基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法，属于气动伺服控制领域。本发明专利技术通过活塞向右快速移动、向右缓慢移动、完全关闭、活塞向左快速移动、向左缓慢移动五种不同的工作模式，最大限度地利用了高速开关阀完全打开的时间，同时节省气体的消耗。并通过对位移误差信号e0，位移误差变化率的计算和引入的阀值ε判定系统的具体工作模式，提高了系统响应速度，减少高速开关阀的工作状态频繁切换造成的气体浪费。此外通过设计扩张状态观测器以及非线性误差反馈控制律，对PWM控制中存在的非线性区以及系统结构自身的非线性因素进行有效补偿，设计了五模式切换的自抗扰控制器，提高了基于高速开关阀的气缸位置控制精度。度。度。
【技术实现步骤摘要】
基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法
[0001]本专利技术涉及基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法，特别涉及一种基于高速开关阀全桥回路五模式切换的气缸位置伺服控制方法，属于气动伺服控制领域。
技术介绍
[0002]气动技术以压缩空气为工作介质进行能量与信号的传递与控制，是实现生产自动化的一门重要技术。气动控制阀是对气体压力实现高精度控制及快速响应的关键。数字气动是气动技术未来的发展方向之一，其中高速开关阀作为数字气动的核心元件具有抗污染能力强，价格便宜以及无需额外增加D/A转换模块等诸多优点，被越来越多地应用于气缸位置控制系统。在基于高速开关阀的气缸位置控制系统中，一般采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术，来实现高速开关阀近似比例控制的功能。由于气缸两腔各需要两个高速开关阀来控制进气和排气，通常采用四个二位二通高速开关阀组成全桥回路来进行气缸位置控制。
[0003]由于气体的可压缩性、气缸活塞在运动中受到的摩擦力、气缸惯性负载以及高速开关阀的输出流量非线性等因素的存在，导致气缸位置定位及轨迹跟踪控制精度较低。开环控制系统当受到干扰作用后，气缸位置一旦偏离了原来的平衡状态，系统就没有消除或减小误差的功能。而传统PID控制算法无法解决高速开关阀的流量非线性带来的控制精度不高等诸多问题。并且在基于高速开关阀全桥回路的气缸位置伺服控制系统中，四个高速开关阀要频繁切换，高速开关阀处于PWM信号的控制下，无法完全打开，因此充气和排气速率始终无法达到最大，造成响应速度较慢，因此需要对四个高速开关阀的控制信号进行合理分配。
技术实现思路
[0004]本专利技术针对传统非增压式切换策略造成的响应速度慢、气体损耗大和控制精度低的问题，公开一种基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法，目的提高气缸位置控制的响应速度及控制精度，降低气体损耗，该气缸位置控制系统可以用在气动机械手的位置控制、焊接汽车生产线上、焊枪的定位等，提高了定位的速度，进一步提高了工作效率。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006]所述高速开关阀全桥回路的气缸位置伺服控制系统包含：气源、无杆气缸、两个进气阀、两个排气阀、位移传感器和控制器；
[0007]所述进气阀A、进气阀B的进气口与气源相连，进气阀A的出气口与气缸容腔A相连，进气阀B的出气口与气缸容腔B相连；
[0008]所述排气阀A的进气口与气缸容腔A相连，排气阀B的进气口与气缸容腔B相连，排气阀A、排气阀B的出气口与大气环境相通；
[0009]所述无杆气缸上安装位移传感器，位移传感器对被控气缸内活塞的位置进行测量并反馈给控制板；
[0010]所述控制器的四路PWM信号输出端与进气阀A、进气阀B、排气阀A、排气阀B的信号输入端相连；
[0011]所述控制器根据位移误差信号e0和预设的阀值ε控制四个阀的工作状态分为气缸活塞快速向右移动、缓慢向右移动、气缸活塞快速左移、缓慢向左移动和完全关闭五种不同的工作模式。
[0012]基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法，基于高速开关阀全桥回路的气缸位置伺服系统，控制此系统对气缸位置定位实现高效、精确的控制。
[0013]步骤一、计算气缸活塞位移误差e0的大小，并预设阀值ε，当|e0|≤ε时，系统进入全部关闭模式，避免高速开关阀的频繁切换，同时节省气体的消耗。
[0014]步骤二、当|e0|>ε时，分别计算位移误差e0和位移误差的变化率的隶属度函数，再计算快速段和慢速段的输出强度系数δ
f
和δ
s
；
[0015][0016][0017]式中，a代表位移误差e0的范围，b代表位移误差的变化率的范围。
[0018]δ
f
＝U
e
·
U
ec
，δ
s
＝1
‑
δ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]步骤三、当位移误差e0>ε时且δ
f
<δ
s
，进气阀A和排气阀B受到PWM信号的控制且两路PWM信号的占空比均为u，而进气阀B和排气阀A均完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向右慢速移动。
[0020]步骤四、当位移误差e0<
‑
ε时且δ
f
<δ
s
，进气阀B和排气阀A受到PWM信号的控制且两路PWM信号的占空比均为u，而进气阀A和排气阀B均完全关闭，此时无杆气缸B腔进气而A腔排气，因此气缸的活塞向左慢速移动。
[0021]步骤五、当e0>ε且δ
f
≥δ
s
，进气阀A和排气阀B完全打开，进气阀B和排气阀A完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向右快速移动。
[0022]步骤六、当e0<
‑
ε且δ
f
≥δ
s
，进气阀B和排气阀A完全打开，进气阀A和排气阀B完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向左快速移动。
[0023]步骤七、高速开关阀的气缸位置伺服控制系统的模型如下：
[0024][0025][0026][0027]其中，M为无杆气缸活塞及其所带负载的质量；x为气缸位移；p
a
、p
b
分别为A、B腔内
的气体压力；S
a
为A腔的活塞面积，S
b
为B腔的活塞面积；S
a
和S
b
面积相等；F
f
为无杆气缸受到的摩擦力；f为其它未建模动态以及外界的扰动；k为空气绝热指数；R为理想气体常数；T
s
为气源温度；L为气缸长度；q
ma
、q
mb
分别为流入A腔、B腔气体的质量流量，F
c
为气缸的库仑摩擦力；C为气缸的粘性阻力系数；F
s
代表气缸的最大静摩擦力。
[0028]令x1＝x，y＝x1将式(6)改为状态空间的形式，即公式(7)：
[0029][0030]式中，u为控制量，为系统的总扰动，b0为系统增益估计值。
[0031][0032][0033]步骤八、根据式(7)以及步骤一至六，设计系统五模式切换策略的三阶自抗扰控制器：
[0034][0035][0036]其中，v0为给定位置参考信号，v1为v0的光滑跟踪信号，v2为v1的微分信号，v3为v2的微分信号，r为跟踪微分器的速度因子；y为系统输出，z1,z2,z3为系统状态的观测值，z4为系统总扰动的观测值，β1,β2,β3,β4为扩张状态观测器参数，b0为系统增益估计值；k1,k2,k3为非线性本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法，其特征在于：基于高速开关阀全桥回路的气缸位置伺服系统，控制此系统对气缸位置定位实现高效、精确的控制；步骤一、计算气缸活塞位移误差e0的大小，并预设阀值ε，当|e0|≤ε时，系统进入全部关闭模式，避免高速开关阀的频繁切换，同时节省气体的消耗；步骤二、当|e0|＞ε时，分别计算位移误差e0和位移误差的变化率的隶属度函数，再计算快速段和慢速段的输出强度系数δ
f
和δ
s
；；式中，a代表位移误差e0的范围，b代表位移误差的变化率的范围；δ
f
＝U
e
·
U
ec
，δ
s
＝1
‑
δ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)步骤三、当位移误差e0＞ε时且δ
f
＜δ
s
，进气阀A和排气阀B受到PWM信号的控制且两路PWM信号的占空比均为u，而进气阀B和排气阀A均完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向右慢速移动；步骤四、当位移误差e0＜
‑
ε时且δ
f
＜δ
s
，进气阀B和排气阀A受到PWM信号的控制且两路PWM信号的占空比均为u，而进气阀A和排气阀B均完全关闭，此时无杆气缸B腔进气而A腔排气，因此气缸的活塞向左慢速移动；步骤五、当e0＞ε且δ
f
≥δ
s
，进气阀A和排气阀B完全打开，进气阀B和排气阀A完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向右快速移动；步骤六、当e0＜
‑
ε且δ
f
≥δ
s
，进气阀B和排气阀A完全打开，进气阀A和排气阀B完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向左快速移动；步骤七、高速开关阀的气缸位置伺服控制系统的模型如下：步骤七、高速开关阀的气缸位置伺服控制系统的模型如下：步骤七、高速开关阀的气缸位置伺服控制系统的模型如下：其中，M为无杆气缸活塞及其所带负载的质量；x为气缸位移；p
a
、p
b
分别为A、B腔内的气体压力；S
a
为A腔的活塞面积，S
b
...
【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，王昱衡，孙志涵，王波，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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