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