基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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 WidthModulation，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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

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；

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；

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；

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；

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；

所述控制器根据位移误差信号e

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。

步骤一、计算气缸活塞位移误差e

步骤二、当|e

式中，a代表位移误差e

δ

步骤三、当位移误差e

步骤四、当位移误差e

步骤五、当e

步骤六、当e

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

令x

式中，u为控制量，

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：

其中，v

步骤九、根据步骤八的式(10)得到的控制量u通过控制器的DO口输出给对应高速开关阀的信号输入端，作用于高速开关阀气缸位置系统，实现气缸位置的快速精准定位。其显著提高了气缸位置控制的响应速度及气缸位置定位精度，并且降低气体损耗节约能量。

有益效果：

1、本发明通过五模式切换策略最大限度地利用了开关阀的常开时间，提高了响应速度，减少高速开关阀的工作状态频繁切换造成的气体浪费，在具体使用气缸位置定位的系统中，如气动机械手的工作，提高了其定位精度和动作的快速性，有着更高的工作效率。

2、本发明通过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自身的非线性因素进行有效补偿，提高了位移控制精度。

附图说明

图1是基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制系统结构示意图；

图2是本发明的控制系统框图；

图3是位移误差和位移误差变化率的切换隶属度函数曲线；

图4是带负载0.5Hz正弦信号跟踪曲线。

其中，1-进气阀A、2-排气阀A、3-进气阀B、4-排气阀B、5-气源、6-无杆气缸、7-位移传感器、8-控制器。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统，其结构包含四个高速开关阀:进气阀A1、排气阀A2、进气阀B3、排气阀B4、气源5、无杆气缸6、位移传感器7和控制器8。进气阀A1、进气阀B3的进气口与气源5相连，进气阀A1、进气阀B3的出气口与无杆气缸6相连，排气阀A2、排气阀B4的进气口与无杆气缸6相连，排气阀A2、排气阀B4的出气口与大气环境相通，在无杆气缸6上安装位移传感器7，位移传感器7对被控气缸内活塞的位置进行测量并反馈给控制器6，控制器6的四路PWM信号输出端分别与进气阀A1、进气阀B3和排气阀A2、排气阀B4的信号输入端相连。

所述气源5提供的气源压力为0.6Mpa；所述进气阀A1、进气阀B3、排气阀A2、排气阀B4采用二位二通电磁高速开关阀，其开关频率可以达到150Hz；所述控制器为一种具有AD采集功能、PWM信号输出功能的嵌入式控制器(ARM微控制器S32K142)。所述无杆气缸6所带负载为1kg，气缸行程100mm，A、B腔活塞容积都为10.6ml。气缸位置控制系统的位移量设定值为30mm或者跟踪幅值30mm、频率0.5Hz以及1Hz的正弦曲线。

采用基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法的工作过程描述如下：根据位移误差信号e

表1五模式切换策略

如图2所示，采用基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法在实施时的具体步骤：

第1步，计算气缸活塞位移误差e

第2步，当|e

式中，a代表位移误差e

δ

第3步，当位移误差e

第4步，当位移误差e

第5步，当e

第6步，当e

第7步，针对于高速开关阀的气缸位置伺服控制系统的数学模型如下：

其中，M为无杆气缸活塞及其所带负载的质量，实际为1kg；x为气缸位移；p

令x

式中，u为控制量，

第8步，根据其状态空间方程式(7)，以及五模式切换的控制策略表1，对其设计五模式切换策略的三阶自抗扰控制器：

其中，v

实施过程中，控制器参数为：

k

具体实验验证效果如图4所示，跟踪30mm的阶跃信号时超调量为0mm，稳态误差为0.05mm；不带负载跟踪0.5Hz的正弦曲线时最大误差1.2mm，平均误差0.58mm，均方根误差0.96mm；不带负载跟踪1Hz的正弦曲线时最大误差4.0mm，平均误差1.96mm，均方根误差2.23mm；带负载1kg跟踪0.5Hz的正弦曲线时最大误差1.6mm，平均误差0.75mm，均方根误差1.12mm；带负载1kg跟踪1Hz的正弦曲线时最大误差4.9mm，平均误差2.36mm，均方根误差3.12mm，对比传统PID控制品质如表2所示。

表2控制品质比较

第9步、根据第8步的式(10)得到的控制量u通过控制器的DO口输出给对应高速开关阀的信号输入端，作用于高速开关阀气缸位置系统，实现气缸位置的快速精准定位。其相比于传统PID控制方式显著提高了气缸位置控制的响应速度及气缸位置定位精度，并且降低气体损耗节约能量。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。