[发明专利]基于四开关阀同开策略的气动位置控制系统

说明书

本发明提出基于四开关阀同开策略的气动位置控制系统及其控制方法，该系统含四个螺线管高速开关阀，一个双作用气缸，三个压力变送器，一个LVDT位置传感器，以及用于驱动高速开关阀的驱动板与控制器。本发明为取得利于控制的腔内气压，在连杆运动的过程中，增加一个四个高速开关阀同时开启的工作模式，使得左右空腔气压迅速地达到稳定的气压段。通过合理调整四个螺线管开关阀的开关时机确保气缸左右两腔保持足够的稳定气压，促使气缸连杆的稳定运行，减少由惯性导致的位置回弹，进而减少了位置控制中的抖动。本发明结构简单，成本低廉并且极大的提高了位置控制精度。

技术领域

本发明属于气动伺服控制领域，特别涉及一种基于四开关阀同开策略的气动位置控制系统及其控制方法。

背景技术

随着数字控制技术的发展，气动伺服系统有了较大的突破。气动控制元件响应快速，结构简单轻便，使用清洁，便于维护，广泛运用于控制领域。气动控制系统中依靠空气作为介质传递能量，空气的压缩性大、粘性小，有利于构成柔软型驱动机构和实现高速运动。但是，压缩性的提高导致了压力响应的滞后；粘性的减小意味着系统阻尼较小，容易引起系统超调与震荡。

目前大多数气动位置控制系统依靠伺服/比例阀进行精确控制。如今的伺服阀经过多年的发展可轻松实现连续的对于压力、流量的控制，并且能够取得较高的控制精度，但是伺服阀也有成本昂贵和阀体积大等缺点。相比伺服阀，高速开关阀的结构简单，价格低廉。基于开关阀的系统体现出加大的非线性特性，但是能够通过脉冲调制技术如脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术与脉冲编码调制(Pulse Code Modulation， PCM)技术得到近似线性的流量或者压力系数，进而使得采用开关阀的气动控制系统表现出类似于采用比例阀的控制效果。基于开关阀的控制系统的控制成本较低并且系统复杂程度低，但是，受开关阀自身的特性所限，系统的调控精度与速度均有限，并且含有较大的控制死区。

R.B.van Varseveld在1997年提出了改进后的非线性控制算法，在采用摩擦补偿、位置前馈等补偿控制算法后得到了较为良好的响应特性。Sean Hodgson、Mahdi Tavakoli、Minh Tu Pham等人与2015在IEEE/ASME Transactionst on Mechantronics 中发表的对四个螺线管高速开关阀组成的16种开关阀切换组合进行了实验研究，并运用滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)与PWM结合的方法验证了最佳的组合方案。但是由于电磁阀的开关特性，导致开关电磁阀的开启与关闭均有一定的响应时间，使得 PWM的占空比有一定的死区与饱和区，进而使控制系统的特性受到影响。Minh Tu Pham 等人为了减少死区影响采用了价格昂贵的超高速开关阀(开关频率500KHZ以上)将控制死区减少。

基于PWM的控制策略提高了传统开关阀的控制精度，使得开关阀的运用范围得到了较大的扩充。但仅依靠PWM控制策略不能取得高精度的控制效果。

发明内容

发明目的：在传统的控制策略中，未考虑到对腔内气压的控制，这导致了运动腔内的气压会过高或过低，进而导致过高的放气速度或者充气速度，对控制效果有较大影响。本发明为了取得可以稳定的利于控制的腔内气压，提出一种基于四开关阀同开策略的气动位置控制系统及其控制方法。本发明在活塞杆运动的过程中，增加一部分四个高速开关阀同时打开的时间，使得左右空腔气压迅速地达到稳定的相同稳定的气压。合理调整四个螺线开关阀的开关时机确保气缸左右两腔保持一定的稳定气压，促使活塞的稳定运行，减少由惯性导致的位置回弹，进而减少了位置控制中的抖动。本发明能够通过精确调整气缸左右气压实现对于阀芯位置的精确控制，实现利用结构较为简单的高速开关阀 (开关频率50KHZ)，取得接近比例伺服阀控制效果。其稳态位置精度能够达到0.5％本发明结构简单，成本低廉进一步提高了位置控制精度。

发明内容：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：