气动智能控制系统的研究及应用

本书针对气动比例系统的工作性能及特点，介绍了智能控制技术在气动比例系统领域中的应用，并设计了智能混合控制器，实现了对气动比例系统良好的轨迹跟踪及控制性能。是作者多年来从事流体传动及控制技术系统教学和科研工作的结晶，同时融入了国内外同行近年来所取得的新成果。 

本书针对气动比例系统的工作性能及特点，介绍了智能控制技术在气动比例系统领域中的应用，并设计了智能混合控制器，实现了对气动比例系统良好的轨迹跟踪及控制性能。

全书共分6章，包括气动比例系统的特点及发展状况，气动系统的摩擦补偿技术，智能控制技术在该领域中的研究与应用。本书在深入分析气动比例系统的工作性能及特点的基础上，研究系统的摩擦机理，并且通过叠加高频低幅颤振信号补偿系统的摩擦力，结合气动比例系统的非线性特征，研究了智能混合控制器，实现系统良好的轨迹跟踪性能，为拓展气动比例系统的应用领域及提高气动比例系统的控制性能奠定了基础。鉴于流体的相似性，本书内容也可以用于电液比例系统或其它相关的领域中。

本书适用于从事流体传动及控制专业、机械电子、电气自动化和生产过程自动化领域工作的工程技术人员学习，也可以作为大专院校工业自动化、机械电子、流体传动与控制等专业的教学参考书。

 

第1章概述001

1.1气动比例系统研究的发展与现状002

1.1.1气动比例系统的特点002

1.1.2气动比例系统的国内外发展状况003

1.2气动系统的摩擦力补偿005

1.2.1摩擦力模型研究005

1.2.2气动比例阀的死区效应008

1.2.3气缸的摩擦机理研究010

1.2.4气动系统的摩擦补偿技术研究012

1.3智能控制理论及其在气动比例系统中的应用013

1.3.1神经网络控制015

1.3.2模糊控制016

1.3.3模糊神经网络控制017

1.3.4滑模变结构控制018

1.3.5专家控制018

1.4多模态智能混合控制概念019

1.4.1多模态智能混合控制的必要性019

1.4.2多模态智能混合控制的定义020

第2章气动比例系统数学建模与辨识022

2.1气动比例系统非线性模型的建立023

2.1.1比例阀压力-流量方程024

2.1.2比例阀电压平衡方程025

2.1.3气缸两腔流量连续性方程026

2.1.4气缸两腔压力微分方程027

2.1.5气缸活塞力平衡方程028

2.2气动比例系统数学模型及其线性化处理028

2.3气动比例系统模型辨识及稳定性分析030

2.3.1输入信号的选择及辨识数据的生成030

2.3.2辨识过程及辨识结果031

2.4气动比例系统的稳定性分析036

2.5气动比例系统的仿真研究038

2.5.1系统仿真方法简介038

2.5.2基于AMESim的气动比例系统建模041

2.5.3AMESim与Matlab/Simulink的联合仿真044

2.5.4仿真结果分析047

2.6本章小结056

第3章气动比例系统动态特性研究058

3.1阀控缸系统动态特性分析059

3.1.1气源压力对系统动态特性的影响065

3.1.2工作负载对系统动态特性的影响066

3.1.3气体流量对系统动态特性的影响066

3.2系统动态特性实验方案及结果067

3.2.1实验系统介绍067

3.2.2系统动态特性实验方案及参数选择070

3.2.3多因素正交实验直观图分析073

3.2.4系统动态特性实验方案验证074

3.3实验方案显著性检验及回归分析076

3.4本章小结080

第4章气动比例阀控缸系统摩擦力补偿082

4.1气动比例阀控缸系统摩擦力补偿原理083

4.1.1气动比例阀控缸系统摩擦力补偿策略概述083

4.1.2基于粘弹性材料理论的摩擦建模083

4.1.3阀控缸系统动态模型分析088

4.2系统的模态参数识别094

4.2.1固有频率测定094

4.2.2系统质量与刚度的测定094

4.3阀控缸系统的摩擦力补偿分析096

4.4阀控缸系统摩擦力补偿实验098

4.5本章小结102

第5章气动比例系统智能控制研究104

5.1气动比例系统的模糊控制研究105

5.1.1模糊控制基本原理105

5.1.2模糊控制器设计106

5.1.3基于模糊控制的系统仿真分析111

5.2气动比例系统的神经网络控制研究112

5.2.1神经网络学习规则112

5.2.2神经网络控制器设计113

5.2.3基于BP网络气动比例系统的具体实现116

5.2.4气动比例位置系统神经网络控制仿真研究122

5.3气动比例系统多模态智能混合控制器设计124

5.3.1智能混合控制器结构125

5.3.2神经模糊控制器设计126

5.3.3多模态智能混合控制算法135

5.4多模态智能混合控制器稳定性分析138

5.5气动比例系统智能混合控制研究141

5.5.1仿真研究141

5.5.2实验研究144

5.6本章小结147

第6章气动比例系统平面轨迹跟踪实验149

6.1控制系统软件研制与平台开发150

6.1.1控制系统程序开发150

6.1.2控制界面设计154

6.1.3实验参数设置154

6.2单自由度系统定位实验156

6.3双自由度轨迹跟踪实验157

6.4本章小结169

参考文献170

 

气动系统以其结构简单、无污染、性价比高、维修方便以及抗干扰能力强等优点，被广泛应用于化工、医药、纺织、微电子、生物工程等工业自动化领域中。气动比例技术的出现，使气动系统从逻辑控制领域扩展到比例/伺服控制领域。但是由于气动系统固有的非线性、刚度小、阻尼比小以及固有频率低等缺点，使得气动比例系统定位技术进展缓慢，其控制精度和工作性能难以达到理想的效果，从而限制了气动系统在工业领域中的推广及应用。

本书在总结作者多年研究成果的基础上，将其进一步理论化、系统化、规范化、实用化，主要以提高气动比例系统的轨迹跟踪精度为目标，通过分析其摩擦力及动态特性，对系统的摩擦非线性补偿及智能控制策略进行研究。

书中在深入分析气动比例系统的工作性能及特点的基础上，研究系统的摩擦机理，并且通过叠加高频低幅颤振信号补偿系统的摩擦力，结合气动比例系统的非线性特征，研究了智能混合控制器，实现系统良好的轨迹跟踪性能。

本书共分6章。第1章为概述，综述了气动比例系统的特点及发展状况，分析气动系统的摩擦补偿技术，阐述智能控制技术在该领域中的研究与应用。第2章对气动比例系统的数学模型进行系统辨识与稳定性分析。通过系统辨识，消除数学模型在机理建模及线性化过程中造成的误差，得到气动比例系统较为精确的数学模型。基于该模型进行稳定性分析，根据奈奎斯特稳定判据判定该气动比例系统属于稳定系统。第3章研究气动比例阀控缸系统动态模型，描述系统的气源压力、气体流量及工作负载等工作参数对系统定位精度的影响规律。对不同的气源压力、气体流量及工作负载下的定位精度进行多元非线性回归分析，建立系统的定位精度与动态参数之间的关系方程，通过该方程可以近似计算出系统在不同状态下的定位精度。第4章研究叠加高频低幅颤振信号补偿摩擦力的理论。采用现代控制理论与摩擦补偿来减小非线性对系统运动精度的影响。第5章研究气动比例系统的智能混合控制策略，有效克服系统的非线性。针对气动比例系统的非线性特点，将神经模糊控制引入到专家控制中，形成一种综合的实时智能混合控制策略。该控制器既具有专家控制的逻辑推理、模拟人的高级智能行为的能力，又具有神经模糊控制的直觉推理能力，将两种控制策略结合实现了并行控制与知识共享。研究发现，该混合控制结构响应快，控制性能高，兼顾快速性和灵活性，对于系统的任意轨迹跟踪具有较高的控制性能，对外干扰的鲁棒性较强。第6章研制二自由度气动比例系统的控制程序及控制界面，实现气动比例系统在平面内的高精度轨迹跟踪研究。从实用性的角度出发，设计出二自由度气动比例系统，实现气动比例系统在平面内的精确轨迹跟踪研究，可以替代价格昂贵的伺服系统。

同时鉴于流体传动的相似性，本书中的控制策略也可以拓展于电液比例系统或其它相关的领域中。

本书是基于LabVIEW，Microsoft公司的Visual C 以及MATLAB软件开发设计的，各章节的内容相互关联但又有一定的独立性，读者可以结合自己的学习方向深入地进行研究。

本书由山东交通学院的孔祥臻撰写。本书内容及相关研究工作得到山东大学工程机械学院刘延俊教授、王勇教授，加拿大工程院院士、萨斯喀彻温大学工程学院Chris Zhang教授的热情指导。上海大学张兵副教授、山东交通学院陈正洪副教授、济南创程机电设备有限公司高级工程师赵敬伟、煤炭工业济南设计研究院有限责任公司高级工程师蒋守勇也给予了无私的帮助。本书的研究工作得到了山东交通学院“攀登计划”重点科研创新团队资助。在此一并表示感谢。

由于水平有限，书中难免存在一些不足之处，真诚欢迎广大读者批评指正。

著者

2018年10月