机械式无杆气缸位置伺服控制系统研究

作     者：岳红伟 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张业明;赵法卿

授予年度：2020年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：无杆气缸 特性测试 改进人工蜂群算法 摩擦补偿 位置控制 节能优化 

摘      要：气动执行器因具有清洁、高效等特点被广泛应用于新兴工业场合。无杆气缸由于两腔活塞面积相同、同样行程下可以节省安装空间等优点,在气动机械手的定位、医疗辅助机器人的轨迹跟踪、产品的精密装配等场合中得到广泛的应用。为了提高无杆气缸的位置控制精度,本文对其控制系统进行研究,主要内容包括以下几个方面:(1)搭建控制系统实验平台,对气动系统进行特性测试。实验测试了比例方向控制阀的流量特性、阀芯位移特性和压力特性。改变比例阀的驱动电压测得机械式无杆气缸在不同速度下的摩擦力,并求出Stribeck摩擦模型的具体摩擦参数。(2)分析气动系统中各个元器件的物理结构,建立气动系统的数学模型。实验测出被控对象前后的输入和输出信号,在MATLAB中采用系统辨识策略辨识出系统的开环传递函数。(3)针对人工蜂群算法(ABC)局部寻优能力弱的问题,在新蜜源搜寻方式上增加惯性权重因子和当前最优解,在保证全局搜寻能力的基础上提高局部搜寻能力。针对收敛速度慢的问题,在搜寻方式上进行改进,避免了重复搜寻,提高了收敛速度。(4)根据机械式无杆气缸的摩擦特性,设计了基于群体智能优化算法的无杆气缸摩擦前馈补偿控制器。通过实验比较了传统PD控制策略、未优化的摩擦前馈补偿PD控制策略、基于改进人工蜂群算法(IABC)的摩擦前馈补偿控制策略和基于遗传算法(GA)的摩擦前馈补偿控制策略。结果表明基于群体智能优化算法的摩擦前馈补偿控制策略能提高系统的控制精度,其中基于IABC算法的摩擦前馈补偿控制策略效果更优。在气缸运动滑块上添加不同质量进行加载实验,验证了系统的稳定性和鲁棒性。(5)根据功率匹配原则确定气动系统的最优供气压力来达到节能的目的,为系统节能优化提供了新的解决方案。