气动伺服系统试验系统介绍

气动伺服实验系统介绍
一、气动系统的特点和应用
气动比例伺服控制系统是由电气信号处理部分和气动功率输出部分所组成的闭环控制系统。

气动比例、伺服控制系统与液压比例、伺服控制系统比较有如下特点：1）能源产生和能量储存简单。

2）体积小、重量轻。

3）温度变化对气动比例、伺服机构的工作性能影响很小。

4）气动系统比较安全，不易发生火灾，并且不会造成环境污染。

5）由于气体的可压缩性，气动系统的响应速度低，在工作压力和负载大小相同时，液压系统的响应速度约为气动系统的50倍。

同时，液压系统的刚度约为相当的气动系统的400倍。

6）由于气动系统没有泵控系统，只有阀控系统，阀控系统的效率较低。

阀控液压系统和气动伺服系统的总效率分别为60%和30%左右。

7）由于气体的粘度很小，润滑性能不好。

在同样加工精度情况下，气动部件的漏气和运动副之间的干摩擦相对较大，负载易出现爬行现象。

综合分析，气动控制系统适用于输出功率不大（气动控制系统的极限功率约为4kW），动态性能要求不高，工作环境比较恶劣的高温或低温，并对防火有较高要求的场合。

气动伺服技术的应用领域很广泛，尤其是在机械系统中要求具有可编程功能的运动控制领域，以及没有机械变送装置的线性运动控制领域。

目前已经有应用的领域有：农业、材料加工、包装机械、机械工具、机器人、食品加工等。

早期的应用如Pendar摆放机器人(采用开关阀PWM控制)，近期的有Silsoe研究所研制的自动挤牛奶机，在这里气体的可压缩性或叫柔性己经变成了优点。

Phillip和Festo已经生产出了用于材料装卸和储运的气动伺服机械系统。

由Rexroth-Mannesman生产的气动伺服线性模块已经应用于自动组装系统，如PCB元件的插装，其速度和X-Y坐标的精度都得到了最大限度的利用气动伺服技术。

在一些更高级的领域也有应用，如移动机器人，由Portech生产的
机器人专门用于代替人在危险环境中工作，如核装置的拆除、核废料的处理等。

另一个与众不同的应用领域是在公共展示中的活动演示系统，这又是充分利用了空气可压缩性带来的柔性。

当今，气动伺服技术的主要研究方向是快响应、宽频带、高精度。

日本的花房秀郎、原田正一等人用开关阀、节流阀的串并联实现气缸的分区控制，获得±0.4mm 的定位精度。

意大利的G.Belforate 等人也对这种系统进行了研究，他采用的是无密封装置气缸和FESTO 公司的开关阀、单向节流阀及FPC606微处理器等元件。

理论上，这种控制能获得±0.0314mm 定位精度，实际系统受间隙的影响，获得定位精度约±0.35mm 。

气动伺服控制系统按其采用的电—气转换元件的不同可分为电—气比例伺服系统和电—气开关伺服系统。

本次毕业设计所用的实验装置为电—气比例伺服系统。

电—气比例伺服系统用模拟信号控制的比例阀或伺服阀作电—气信号转换元件。

这类系统控制精度高、响应较快，但伺服阀或比例阀造价昂贵，因而系统成本高，而且对工作环境要求严。

二、气动伺服系统的机理建模
本次实验所用硬件设备包括：气动伺服阀、气缸、负载、位置检测装置和计算机（包含数据采集卡）。

伺服阀、气缸和位置检测装置实物如图1所示。

图1 气动伺服系统实物图
气动伺服系统的基本工作原理如图2所示，汽源用来提供压缩空气，压缩空气通过比例阀的控制进入左侧气缸或右侧气缸，从而使气缸一侧的压力高于或等于另一侧，使活塞带动负载完成要求的运动或保持静止状态。

底板
减压阀
气缸
伺服/比例阀 位置检测元件
电动控制
图2 气动系统的工作原理图
上述系统如果以比例阀输入为整个系统的输入，以滑块位置为系统的输出，可以利用气动系统原理建立输入输出间的分析模型——机理建模。

建模过程涉及到气体热力学和动力学的三个基本方程，其描述如下：
1. 质量流量节流方程：
根据气体动力学和热力学基本方程，有：流经节流口的气体质量流量为： k k s k s s v s p p p p k RT k Wx p M 12.)()()1(2+−−= （1）
其中k：定压比热和定容比热之比
R：气体常数 Ps：进口压力
Ts：环境温度 P：出口压力
W：阀芯面积梯度 v x ：阀芯位移
2. 质量流量连续性方程：
根据质量守恒定律，假定工作介质为连续的，贮藏到某控制体中去的质量的贮藏率应等于流入的质量流量减去流出的质量流量，即有：
()dM d V dV d M M V dt dt dt dt
ρρρ−===+∑∑ 入出 （2） 其中：ρ：气体密度 V：气体体积
3. 伺服气动缸里平衡方程：
最后一个基本方程是气动缸里平衡方程，如忽略库仑摩擦等非线性负载和空气质量的影响，根据牛顿第二定律，可列平衡方程得：
L L L L b a F y K dt
dy B dt y d M p p A +++=−22)( （3） 式中：M L :活塞和负载的总质量
B L ：负载的粘性阻尼系数 K L ：负载的弹簧刚度
F L ：外负载力 Pa：a 腔压力
Pb：b 腔压力
根据以上的三个基本方程，经联立推导，再用泰勒公式进行近似线性化，用微分代替增量，可得到系统微分方程，由于这个过程推导复杂，所以详细的推导过程可以参考有关书籍，在这只得出最后的结论。

在假定系统所带为无弹性负载，即K L =0，且b 腔压力很小可以忽略的条件下，系统的传函可化简为：
)12(22))((1))((222020++=+++++++
=S S S AP RT K RT AS p K S B S M k RT K A K S B S M k RT s V K A
K X Y h
h h i s
m s i L L L s ca L L L s ca m v x ωζω （4） 其中
L
i h M V A kp 02
2=ω （气压固有频率） i
L L i L i s
ca h kp M V A B V kp M Ap RT K 222200+=ζ （气压阻尼比） 可以得到最终的被控对象传递函数
)12(2)(2++=S S S AP RT K S Y h
h h i s
m ωζω （5）
三、气动伺服系统的模型
由上面的分析可见，气动伺服系统被控对象的数学模型是一个具有积分环节和二阶振荡环节的三阶系统。

该数学模型的参数确定是一件十分复杂的工作，因此，可以采用基于频率响应的频域辨识方法得到系统频率特性，也就是系统的频域模型。

具体的方法是给系统加入各种频率的正弦信号，记录系统输出的稳态信号，稳态的正弦信号与输入信号的复数比就是在频率处的频率特性，将所有频段的频率特性都得到后就可得到系统的数学模型。

采用这样的方法得到了系统的数学模型如下：
)11353.0004578.0(45
.25)(2+∗+∗∗=s s s s G （6） 利用这个数学模型就可以求得系统的性能。

需要指出的是，由于系统中非线性因素的影响，采用上述频率特性测试方法得到的数学模型并不精确，因为这个数学模型并没有考虑到非线性的影响，实际上非线性的影响在某些频段是十分严重的。

这会直接影响理论上的校正设计和实际结果的一致性，同学们可以在实际实验时分析相关问题。

四、气动伺服系统的框图
系统的控制由计算机来完成，整个控制系统的框图如图3所示。

其中控制算法在计算机中采用VB 编制程序完成，控制系统的采样时间为10ms ，基本满足控制系统的要求。

在实现时所设计的超前和滞后校正控制器通过前项差分进行离散化，然后通过计算机D/A 实现控制。

计算机
图3 气动伺服控制系统框图
实验所使用的软件界面如图4所示。

界面采用VB 设计，可以实现用来选择输入形式、校正方式、校正环节参数等，选择好后，如果电路和气路连接正确，点击开始，可以实现控制。

图4 实验软件界面
五、实验电路和气路的连接
1、实验电路的连接：
稳压电源为比例阀、位置检测装置提供+24V
图5 稳压电源
数据采集卡接口盒提供系统模拟信号与计算机之间的信号接口。

数据采集卡接口盒插孔定义（模拟输入信号）：
插孔号 插孔定义 插孔号 插孔定义
1 DGND 20 DGND
2 OUT1 21 OUT2
3 OUT0 22 GATE2
4 CLK2 23 CLK1
5 GATE0 24 CLK0
6 GATE1 25 INTIN
7 DGND 26 AGND
8 AGND 27 VOUT3
9 VOUT2 28 VOUT1
10 VOUT0
29 AGND 11 AGND
30 CH15(IN7-) 12 CH14(IN06-)
31 CH13(IN05-) 13 CH12(IN04-)
32 CH11(IN03-) 14 CH10(IN02-)
33 CH9(IN01-) 15 CH8(IN00-)
34 CH7(IN07+) 16 CH6(IN06+)
35 CH5(IN05+) 17 CH4(IN04+)
36 CH3(IN03+) 18 CH2(IN02+)
37 CH1(IN01+) 19 CH0(IN00+)
CH00～CH15：PCI2306 A/D 卡输入通道号
IN00+ ～IN07+ ：双端模拟信号输入正端
IN00- ～IN00- ：双端模拟信号输入负端
DA0：模拟信号输出端
DA1：模拟信号输出端
DA2：模拟信号输出端
DA3：模拟信号输出端
INTIN ：外部触发信号，当TR 有一由低至高的变化(上升沿)时。

程序举例见软件说明书相应部分。

AGND ：模拟地
DGND ：数字地
图6 数据采集卡接口盒
A ）
比例阀的电气连接： 比例阀的输入端有四个插头，红色和蓝色为电源线插头，白色和黑色为信号线插头。

电源线插头连接到稳压电源上，红色接＋24V ，蓝色接0V 。

信号线插头连接到数据采集卡接口盒上，黑色接10号（VOUT0）插孔，白色接11号
（AGND）插孔。

图7 比例阀
B）位置检测装置的电气连接：
位置检测装置的输出端有四个插头，红色和蓝色为电源线插头，白色和黑色为信号线插头。

电源线插头连接到稳压电源上，红色接＋24V，蓝色接0V。

信号线插头连接到数据采集卡接口盒上，黑色接19号（IN00+）插孔，白色接15号（IN00-）插孔。

图8 位置检测装置
2、气路的连接：
系统的气路用气管进行连接。

A）空气压缩泵，减压阀的出气管与分气块：
减压阀出气管和分气块进气口已连接好，无需实验者连接。

（a ）空气压缩泵
（b ）减压阀与分气块的连接
图9空气压缩泵、减压阀、分气块
B ）
比例阀的气路连接： 比例阀的进气口接分气块的出气口，
图10 比例阀 C ）气缸的气路连接：
气缸的进气口接比例阀的出气口。

注意连接时比例阀的左侧出气口接气缸的左侧进气口、比例阀的右侧出气口接气缸的右侧进气口。

分气块进气口 分气块出气口
比例阀进气口
图11 气缸
图12 连接好的比例阀和气缸
图13 连接好的气路图
气动系统正常的工作压力在4-6公斤之间，这个压力由气泵压缩空气产生。

六、附录
6.1 气动伺服系统数学模型的频域辩识
由第二部分机理建模方法可知，系统开环近似为二阶振荡加积分环节，但是由于建模过程中的简化和一些参数无法准确获得，因此必须对系统参数进行辩识，一种基本的辩识方法是采用频域辩识，即给系统输入一定幅值和频率的正弦信号，测量输出正弦信号的幅值和频率，得到频率特性，尤其是幅相频率特性（BODE
图）计算相应的传递函数。

下面介绍其基本方法和其中存在的问题，以
便同学们可以更深刻地理解系统的模型，尤其是对模型的不精确性有一定认识。

进行频域辩识时，系统的结构如图所示。

图14 开环辨识系统的结构
在计算机中利用软件产生一离散的正弦信号，经D/A转换成模拟连续的正弦信号，直接施加给系统，然后把输出通过A/D转换成数字信号送入计算机作相应的记录。

不断改变频率，记录输出信号与输入信号的幅值比和相位差，就可以得到BODE图，从而进行模型的参数辩识。

辩识过程中需要注意的问题：1、频率范围的选取：对于实际的控制系统，有效的频率范围应该在低频段，对于气动系统一般是1/10赫兹到几十赫兹；2、信号的幅值：输入正弦信号的幅值选择取决于输出信号的幅度是否超过限幅值，一般在低频段幅值选取应该比较小，高频段要大。

3、比例阀零点的校准：由于系统的模型中含有积分环节，因此，如果正弦信号的零点偏离了阀的零点，相当于输入有一个小的直流分量，这个分量经过积分后会使输出不断增大，使测量无
法进行。

比例阀的零点电压理论值为5伏，经过精确调整和实验，当
D/A输出为
2019.5时，位置偏离很小可以忽略不记。

4、系统中非线性的影响：系统的数学模型理想情况下为线性，但是实际中由于静摩擦等原因的存在，系统的输入和输出呈现出一定的非线性，这会使输出的正弦波的波形发生畸变，一组输入和输出曲线如图所示，从输出曲线中可以看到明显的波形畸变。

因此，只能得到近似的BODE。

图15 模型非线性引起的输出信号畸变
一组辩识的曲线如图所示，曲线可以得到系统的近似数学模型（最小相位）。

图16 开环系统的BODE图
6.2 数字控制系统软件的编制
计算机中的控制程序采用Visual Basic 6编制，由于VB6具有较好的界面设计功能，因此可以设计出人机交互性十分好的控制程序。

程序可以采用图形化设计方式独立设计运行界面，如果感兴趣同学们可以在这部分自己编制程序设计个性化的界面。

控制程序可以通过定时器事件来完成，每个定时事件到来时，运行定时事件处理程序，完成A/D的采样，控制算法和进行D/A转换。

进行A/D采样和D/A输出都通过通用I/O板卡供应商提供的API函数来实现，程序中只需要引用厂家提供的头文件和库文件就可以。

具体的API函数调用格式如下：
设备初始化：
DeviceID = 0 ' 设当前被操作的PCI设备只有一个
hDevice = PCI2306_CreateDevice(DeviceID) '创建设备对象
A/D采样：
NumBack = PCI2306_ReadDevOneAD(hDevice, AdchanneL)
其中hDevice为设备的操作句柄，AdchanneL为A/D转换的通道。

NumBack为返回的A/D采样值。

D/A输出：
PCI2306_WriteDeviceProDA hDevice, Uo, DAChannel
其中hDevice为设备的操作句柄，DAChannel为输出通道选择，Uo为输出数据。

控制算法的计算通常采用离散控制算法，对于超前校正和滞后校正设计时是针对连续系统进行的，实际控制是计算机进行的离散控制，如果采样时间足够小，针对连续系统设计的控制器可以直接离散化使用。

最简单的离散化方法是欧拉法。

如控制器的传递函数为
11
U s E s αβ+=+ 则()()()()()()()()11E s s U s s sE s E s sU s U s αβαβ+=+⇒+=+
有()()()()e
t e t u t u t αβ+=+ ，如采样步长为T ，上式可以变为 ()()()()()()1111e k e k T e k u k u k T u k αβ−−+−=−−+−⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦
()()()()()()11u k e k T e k T u k ααβ=+−−+−−⎡⎤⎣⎦
计算机（离散）控制中的另外一个重要问题是采样时间的确定问题，一般情况下，采样定理给出了选择采样时间的依据，气动系统本身的频带较窄，因此，采样时间很容易满足要求。

理论上在计算机计算速度 允许的情况下将采样时间设计的尽量小对控制是有利的。

综合考虑该实验中的采样时间设计为10ms 。

在采用VB 编制控制软件时，如果采用一般的定时器控件来完成定时操作，定时精度很低（1/18秒），根本无法满足实时控制的要求。

因此，例程中采用VB 调用WINDOWS 中断来实现精确定时。

具体的方法是在变量和函数声明时作如下声明：
Public Declare Function timeSetEvent Lib "winmm.dll" ( _
ByVal uDelay As Long, ByVal uResolution As Long, _
ByVal lpFunction As Long, ByVal dwUser As Long, _
ByVal uFlags As Long) As Long
Public Declare Function timeKillEvent Lib "winmm.dll" ( _
ByVal uID As Long) As Long
Public Const TIME_CALLBACK_FUNCTION = &H0
Public Const TIME_PERIODIC = 1
这段声明将使用户可以直接调用winmm.dll 库中的函数实现精确定时。

引用API 函数只需使用如下函数：
初始化：
uIDchao = timeSetEvent(10, 0, AddressOf CALLBACK_Timerchao, 0, _
TIME_PERIODIC) ‘完成初始化
引用：
Public Function CALLBACK_Timerchao(uIDchao As Long, uMsg As Long, _ dwUser As Long, dw1 As Long, dw2 As Long) As Long ……
编制定时处理程序
……
End Function
关闭：
timeKillEvent uIDchao
有了这些软件的信息，同学们就可以自己编制具有良好界面和灵活控制方法的控制程序了。