分析气动位置伺服系统建模与pid控制仿真研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com气动位置伺服系统建模与PID控制仿真研究★口高恒口尚群立杭州电子科技大学信息与控制研究所杭州310018摘要：通过对气动位置伺服系统工作机理的研究，建立了该系统的数学模型。介绍了几种改进的PID方法在伺服系统中的应用，用这几种方法对所建模型进行仿真，仿真结果验证了模型的正确性。关键词：气动比例伺服系统数学模型PID控制算法中图分类号：TH138．7，TP211．3文献标识码iA文章编号：1000—4998(2009)1l一0021—03近年来，随着512业的飞速发展和5

2、12业自动化程度的日益提高，气动技术以其自身独特的传动方式和优点，如清洁、结构简单、气体来源充足和成本相对较低，已在工业自动化领域广泛应用。然而随着自动化程度的提高，传统的点位控制气动系统已很难满足要求，气动伺服已成为气动技术的一个重要研究领域。但由于气体本身固有的可压缩性、阀口流动的非线性、气缸摩擦力的影响和气动系统的低阻尼特性等原因，气动伺服系统本质上属于非线性系统，这给气动伺服的连续轨迹控制和系统的控制精度带来了很大的困难⋯。本文以气动比例伺服系统为对象，建立了对象系统的数学模型，选取气缸中点为经常

3、工作点，对模型进行线性化并研究了几种改进PID算法的控制效果及其差异，为具体的工程应用提供了理论依据。1气动位置伺服系统的模型该气动伺服位置跟踪控制系统的硬件平台主要由标准气缸、比例伺服阀、位移传感器、压力传感器、数据采集卡和工业控制计算机组成(如图1)。气缸为德国FESTO公司生产的单活塞双作用标准气缸，71向控制为简化推导，作如下假设：①所用工作介质为理想阀为FESTO公司生产的MPYE一5—1／8HF型电一气气体，满足理想气体状态方程；②供气压力P日和温度伺服阀，压力传感器是HONEYWEII公司的

4、4000PC，恒定；③气缸中的气体是均匀的，每一瞬时腔中各A／D和D／A的实现则由研华公司的PCL一812PG数点的参数相等；④气缸与外界以及两腔之间没有泄露；据采集卡来完成。压缩空气为0．6MPa。系统工作时，工⑤气体在流过阀口或其它节流孔时的流动状态均为等控机发出需要跟踪的控制信号，经D／A转换并放大后熵绝热过程。驱动伺服阀，位移传感器检测出活塞的位移信号并通1．1流量连续性方程过A／D转换反馈到计算机中与指定输入进行比较，得根据质量守恒定律，流人I腔的气体质量流量应出偏差控制量，从而实现连续轨迹控制

5、。等于容腔的质量变化率：伺服阀、比例阀、开关阀组成的气动伺服系统拥有，l一个共性，那就是用阀来控制进人或排出气缸两腔的Qm。(pt)(1)气体质量，调节两腔压力，从而控制气缸的位移、速度应用理想气体状态方程：★国家自然科学基金资助项目(编号：60774031)pt=Pt／()(2)收稿日期：2009年6月由式(1)和式(2)得：机械制造47卷第543期2OO9／11I21lI学兔兔www.xuetutu.comQ=1d(PlVl将式(6)、(7)、(10)和(12)分别进行拉氏变换并整、，理后可得阀控缸系

6、统的开环传递函数f，1：=(Pt+等dT1)(3)G(5)=后／s(82／∞：+25／+1)(13)其中：∞=4(2kPloA+k2kfRro)／Vl0M按假设，过程中的温度与起始时的温度。之‘。fVl0+R间应满足绝热条件：一“242A2kP1oVloM+kk2RToMfV~oTx=Tl0(Pt／Pl0)‘“(4)k=2Ak,RTo／(2APlo+kzRTof)将式(4)对时间求导得：丑一生二旦旦2PlD控制方法及其在伺服系统中的应用dt—kPldt在很多控制系统中，大量的重要过程参数需要在代入式(3)

7、整理得：不断变化的外界环境中仍能维持基本恒定或完全恒Q-=而1(P-+VIHPI)(5)定。对要求不高的系统进行控制，常规的PID就可以满在小扰动假设下，如果初始值取在中间平衡位置足其要求。而一个高品质要求的伺服系统，要满足响应(因为气缸活塞在中间位时系统的稳定性最差)，进行快、无或小超调、精度高、抗干扰能力强和鲁棒性好等线性化处理后得到：要求，这时，常规的PID控制会出现整定不良的问题，造成系统控制性能不佳，影响系统的运行效果，为此，AQ(Pl0A警+V1odAP1)(6)人们在常规PID算法结构的基础

8、上，研究了一些改进同理可得Ⅱ腔的方程：措施，以提高控制系统的性能。aQ1(P2。A+V2odAP2)(7)一一2．1普通PID控制器原理1．2比例阀的阀口流量方程由假设条件，将通过阀口的气体流动过程近似为理想气体通过收缩喷管的一维等熵流动，采用流量公式【、]：‘【：毒圭=：堕PICl毋P√去()(^+l】／(^_1]，elc典型的PID控制回路如图3，其中r为设定值，e(8)为偏差，为PID控制器输出，Y为被控量，Proces