一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究

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1、 分类号 学号 GS06012031 U D C 密级 公开 工程硕士学位论文 一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究 硕士生姓名 张军昌 学 科 领 域 航天工程 研 究 方 向 舵 机 指 导 教 师 肖 凯 副教授 曹国武 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年五月 国防科学技术大学研究生院 二一一年五月 A research of proportion pneumatic actuator based on on/off valve Candidate：Zhang Jun Chang Advisor：Xiao Kai Cao Guo Wu A the

2、sis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the professional degree of Master of Engineering in Aerospace Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China （May，2011） 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标

3、注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩

4、印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。） 学位论文题目：一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者指导教师签名： 日期： 年 月 日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i ABSTRACT.ii 第一章 绪论 1 1.1 课题的研究背景和发展现状. 1 1.1.1 课题的研究背景 1 1.1.2 舵机的发展现状 1 1.2 气动伺服技术简介. 3 1.2.1 气动伺服系统的组成和分类 3 1.2.2 气动伺服控制系统的发展和现状 4 1.3 舵机设计要求和技术指标. 5 1

5、.4 本课题的主要研究工作. 6 第二章 气动比例舵机组成与原理概述 8 2.1 气动比例舵机系统方案 8 2.1.1 基于开关阀的气动比例舵机组成 8 2.1.2 脉宽调制（PWM）控制. 9 2.1.2.1 脉宽调制（PWM）技术简介. 9 2.1.2.2 PWM 工作原理. 9 2.1.2.3 脉宽调制信号的产生 10 2.2 气动比例舵机系统设计及工作原理. 10 2.2.1 气动比例舵机系统设计 10 2.2.2 舵机工作原理 12 2.3 与 bang-bang 舵机性能比较 13 第三章 气动比例舵机系统建模. 15 3.1 阀控缸环节. 16 3.1.1 PWM 数学模型 16

6、 3.1.2 舵机驱动器数学模型 16 3.1.3 开关电磁阀数学模型 16 3.1.3.1 电压平衡方程 16 3.1.3.2 电磁吸力方程 17 3.1.3.3 衔铁力平衡方程 18 3.1.3.4 阀芯的运动分析 18 3.1.4 气缸数学模型 20 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 II 页 3.1.4.1 气缸的流量方程 20 3.1.4.2 气阀的压力流量特性 22 3.1.4.3 气缸两腔的压力方程 24 3.1.4.4 气缸摩擦力模型 25 3.1.5 阀控缸环节传递函数 26 3.2 传动组件环节. 28 3.3 反馈电位计环节. 29 3.4 舵机系统方框图.

7、30 第四章 PID 控制及控制器设计 . 31 4.1 PID 控制器的基本结构. 31 4.1.1 PID 控制器参数对控制性能的影响 32 4.1.2 控制规律的选择 33 4.2 数字 PID 控制算法 33 4.3 数字 PID 控制器参数选择及滤波. 35 4.3.1 数字 PID 控制器的参数整定 35 4.3.2 数字 PID 控制器采样周期选择 36 4.3.3 数字 PID 控制器滤波方法 36 4.4 控制器的单片机实现. 37 4.4.1 PIC16F877 单片机性能特点 38 4.4.2 控制器硬件电路设计 39 4.4.2.1 求差与 A/D 采样电路. 39 4

8、.4.2.2 单片机通信电路 39 4.4.3 控制器软件设计. 41 4.4.3.1 采样周期的选择 41 4.4.3.2 A/D 转换. 41 4.4.3.3 PWM 输出的实现. 42 4.4.3.4 程序软件设计 43 第五章 系统滑模变结构控制及控制器设计. 45 5.1 滑模变结构控制的基本特性 45 5.1.1 滑模变结构控制的基本问题 45 5.1.2 滑模控制的动态品质 46 5.1.3 滑模控制的抖振问题 47 5.1.4 滑模控制对干扰及摄动的不变性 47 5.2 滑模变结构控制设计. 49 5.2.1 线性系统的连续滑模控制. 49 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位

9、论文 第 III 页 5.2.1.1 连续滑模控制切换函数( ) s x的设计 . 49 5.2.1.2 连续滑模控制输入( ) u x的设计. 50 5.2.2 线性系统的离散滑模控制. 52 5.2.2.1 离散滑模切换函数( ) s k的设计 . 52 5.2.2.2 离散滑模控制输入( ) u k的设计的设计. 52 5.3 阀控缸系统滑模控制实现 53 5.3.1 阀控缸的连续滑模控制实现. 53 5.3.2 阀控缸的离散滑模控制实现. 55 5.4 系统干扰及参数摄动性分析 56 5.4.1 系统干扰性分析. 56 5.4.2 系统参数摄动性分析. 57 第六章 系统仿真与试验 5

10、8 6.1 系统 Simulink 仿真及分析 58 6.1.1 Simulink 简介 . 58 6.1.2 系统 Simulink 仿真 58 6.1.2.1 采用 PI 控制律的系统 Simulink 仿真. 59 6.1.2.2 采用 PID 控制律的系统 Simulink 仿真. 61 6.1.2.3 采用连续滑模控制律的系统 Simulink 仿真 . 62 6.1.2.4 采用离散滑模控制律的系统 Simulink 仿真 . 63 6.1.3 仿真结果分析 65 6.2 系统试验测试. 66 6.2.1 试验测试目的 66 6.2.2 系统时域响应测试 66 6.2.3 系统频域

11、响应测试 69 6.2.3.1 频域响应测试原理 69 6.2.3.2 舵机测试系统简介. 69 6.2.3.3 舵机频域响应测试 70 6.3 舵机传递函数辨识及验证. 71 6.3.1 舵机传递函数辨识. 71 6.3.2 试验测试及验证. 72 结 束 语. 74 致 谢 76 参考文献. 77 附录 A 附录 A 题目. 81 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 IV 页 附录 B 附录 B 题目. 82 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 V 页 表 目 录 表 4.1 经验整定法 PID 参数参考表 35 表 4.2 临界比例法 PID 整定参数参考表 36 表

12、 6.1 不同控制律条件，系统仿真动态指标表 65 表 6.2 舵机频率特性测试结果 71 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 VI 页 图 目 录 图 1.1 气动伺服系统组成简图 3 图 1.2 开关阀系统简图 4 图 2.1 舵机闭环系统方框图 8 (a) 比较器同相、反相端输入信号； 9 (b) 比较器输出端 PWM 信号 10 图 2.2 PWM 工作原理图 10 图 2.3 气动系统组成简图 10 图 2.4 开关电磁阀结构 11 图 2.5 普通气缸的结构简图 12 图 2.6 舵机工作原理图 13 图 3.1 舵机闭环系统方框图 15 图 3.2 舵机闭环系统方框图

13、15 图 3.3 电磁阀线圈的等效电路 17 图 3.4 阀芯位移随输入信号变化示意曲线 19 图 3.5 控制体质量流量示意图 20 图 3.6 气体经过节流小孔的流动示意图 22 图 3.7 气缸的运动模型 24 图 3.8 气缸摩擦力和速度的关系 25 图 3.9 气缸摩擦力的简化模型 26 图 3.10 舵轴摆动工作示意图 29 图 3.11 舵机系统方框图 30 图 4.1 PID 控制系统框图. 31 图 4.2 作差与采样电路图 39 图 4.3 串行通信接口电路原理图 41 图 4.4 单片机控制程序流程图 44 图 6.1 PI 控制系统仿真框图 60 图 6.2 PI 控制

14、，系统幅频曲线 60 图 6.3 PI 控制，系统单位阶跃响应 60 图 6.4 PI 控制，系统干扰及参数摄动下单位阶跃响应 61 图 6.5 PID 控制系统仿真框图. 61 图 6.6 PID 控制，系统幅频曲线. 61 图 6.7 PID 控制，系统单位阶跃响应. 62 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 VII 页 图 6.8 PID 控制，系统干扰及参数摄动下单位阶跃响应. 62 图 6.9 基于指数趋近率的连续滑模控制 Simulink 仿真框图 . 62 图 6.10 连续滑模控制，系统幅频曲线 63 图 6.11 连续滑模控制，系统单位阶跃响应 63 图 6.12

15、连续滑模控制，系统干扰及参数摄动下单位阶跃响应 63 图 6.13 基于指数趋近率的离散滑模控制 Simulink 仿真框图 . 64 图 6.14 离散滑模控制，系统幅频曲线 64 图 6.15 离散滑模控制，系统单位阶跃响应 64 图 6.16 离散滑模控制，系统干扰及参数摄动下单位阶跃响应 65 图 6.17 1Hz，1.2V 方波指令及系统方波响应. 67 图 6.18 1Hz，4V 方波指令及系统方波响应 67 图 6.19 1Hz，1.2V 正弦指令及系统正弦响应. 68 图 6.20 20Hz，1.2V 正弦指令及系统正弦响应. 68 图 6.21 30Hz，1.2V 正弦指令及

16、系统正弦响应. 69 图 6.22 频率响应测试原理图 69 图 6.23 舵机实测频率特性曲线 71 图 6.24 系统仿真频率特性曲线 72 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 i 页 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