一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究

论文摘要

本文分析了基于开关电磁阀的气动比例舵机的组成及工作原理,借助于电磁学、气压动力学和气压伺服的相关理论,建立了电磁阀数学模型、气缸流量方程、气缸两腔的压力方程等系统动态特性方程,并对其进行了线性化,同时结合实验确立了系统控制对象——阀控缸的传递函数。基于阀控缸控制对象,分别设计了PI、PID控制器和基于指数趋近率的连续及离散滑模变结构控制器。在simulink中,搭建了采用以上不同控制策略的系统仿真模型,分别对舵机系统进行了阶跃响应和正弦波带宽响应仿真,通过对仿真得到的超调量、调节时间、带宽等指标的对比,仿真结果表明:以上控制律都能达到系统指标,采用滑模控制律比采用PI和PID控制律的控制效果更好。在系统控制律的实现上,课题设计了基于PIC16F877单片机的数字PID控制算法软件程序,并设计和制作了相应的外围硬件配套电路。同时对舵机样机进行了时域、频域响应测试,试验结果表明:设计的数字PID控制器能满足系统的要求,控制系统在快速性和稳定性上均能达到指标要求,这为将来工程项目的立项研究提供了积极的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和发展现状
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 舵机的发展现状
• 1.2 气动伺服技术简介
• 1.2.1 气动伺服系统的组成和分类
• 1.2.2 气动伺服控制系统的发展和现状
• 1.3 舵机设计要求和技术指标
• 1.4 本课题的主要研究工作
• 第二章 气动比例舵机组成与原理概述
• 2.1 气动比例舵机系统方案
• 2.1.1 基于开关阀的气动比例舵机组成
• 2.1.2 脉宽调制（PWM）控制
• 2.1.2.1 脉宽调制（PWM）技术简介
• 2.1.2.2 PWM 工作原理
• 2.1.2.3 脉宽调制信号的产生
• 2.2 气动比例舵机系统设计及工作原理
• 2.2.1 气动比例舵机系统设计
• 2.2.2 舵机工作原理
• 2.3 与bang-bang 舵机性能比较
• 第三章 气动比例舵机系统建模
• 3.1 阀控缸环节
• 3.1.1 PWM 数学模型
• 3.1.2 舵机驱动器数学模型
• 3.1.3 开关电磁阀数学模型
• 3.1.3.1 电压平衡方程
• 3.1.3.2 电磁吸力方程
• 3.1.3.3 衔铁力平衡方程
• 3.1.3.4 阀芯的运动分析
• 3.1.4 气缸数学模型
• 3.1.4.1 气缸的流量方程
• 3.1.4.2 气阀的压力流量特性
• 3.1.4.3 气缸两腔的压力方程
• 3.1.4.4 气缸摩擦力模型
• 3.1.5 阀控缸环节传递函数
• 3.2 传动组件环节
• 3.3 反馈电位计环节
• 3.4 舵机系统方框图
• 第四章 PID 控制及控制器设计
• 4.1 PID 控制器的基本结构
• 4.1.1 PID 控制器参数对控制性能的影响
• 4.1.2 控制规律的选择
• 4.2 数字PID 控制算法
• 4.3 数字PID 控制器参数选择及滤波
• 4.3.1 数字PID 控制器的参数整定
• 4.3.2 数字PID 控制器采样周期选择
• 4.3.3 数字PID 控制器滤波方法
• 4.4 控制器的单片机实现
• 4.4.1 PIC16F877 单片机性能特点
• 4.4.2 控制器硬件电路设计
• 4.4.2.1 求差与A/D 采样电路
• 4.4.2.2 单片机通信电路
• 4.4.3 控制器软件设计
• 4.4.3.1 采样周期的选择
• 4.4.3.2 A/D 转换
• 4.4.3.3 PWM 输出的实现
• 4.4.3.4 程序软件设计
• 第五章 系统滑模变结构控制及控制器设计
• 5.1 滑模变结构控制的基本特性
• 5.1.1 滑模变结构控制的基本问题
• 5.1.2 滑模控制的动态品质
• 5.1.3 滑模控制的抖振问题
• 5.1.4 滑模控制对干扰及摄动的不变性
• 5.2 滑模变结构控制设计
• 5.2.1 线性系统的连续滑模控制
• 5.2.1.1 连续滑模控制切换函数s （ x ） 的设计
• 5.2.1.2 连续滑模控制输入u （ x ） 的设计
• 5.2.2 线性系统的离散滑模控制
• 5.2.2.1 离散滑模切换函数s （ k ） 的设计
• 5.2.2.2 离散滑模控制输入u （ k ） 的设计的设计
• 5.3 阀控缸系统滑模控制实现
• 5.3.1 阀控缸的连续滑模控制实现
• 5.3.2 阀控缸的离散滑模控制实现
• 5.4 系统干扰及参数摄动性分析
• 5.4.1 系统干扰性分析
• 5.4.2 系统参数摄动性分析
• 第六章 系统仿真与试验
• 6.1 系统Simulink 仿真及分析
• 6.1.1 Simulink 简介
• 6.1.2 系统Simulink 仿真
• 6.1.2.1 采用PI 控制律的系统Simulink 仿真
• 6.1.2.2 采用PID 控制律的系统Simulink 仿真
• 6.1.2.3 采用连续滑模控制律的系统Simulink 仿真
• 6.1.2.4 采用离散滑模控制律的系统Simulink 仿真
• 6.1.3 仿真结果分析
• 6.2 系统试验测试
• 6.2.1 试验测试目的
• 6.2.2 系统时域响应测试
• 6.2.3 系统频域响应测试
• 6.2.3.1 频域响应测试原理
• 6.2.3.2 舵机测试系统简介
• 6.2.3.3 舵机频域响应测试
• 6.3 舵机传递函数辨识及验证
• 6.3.1 舵机传递函数辨识
• 6.3.2 试验测试及验证
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 附录A 题目
• 附录 B 附录 B 题目