三軸氣壓伺服空間軌跡控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、本文主要對三軸氣壓伺服軌跡跟蹤系統(tǒng)進行了研究。
　　首先對氣壓動力系統(tǒng)模型進行了深入研究。對比例流量閥動靜態(tài)特性進行理論分析和實驗了研究，分析了臨界壓力比和流量系數(shù)隨閥開口面積變化的規(guī)律，測試了比例流量閥的頻率特性。在閥開口從小到大過程中，臨界壓力比不是固定值，而是呈非線性規(guī)律變化。臨界壓力比的值遠小于0.528，介于0.38-0.17之間。比例流量閥流量系數(shù)在不同閥口面積下不是固定值，而是隨閥開口大小呈非線性規(guī)律變化。在頻率特性

2、中，采用激光測距儀直接測量閥芯位移輸出，采用掃頻信號激勵直接得出閥的頻率特性，避免間接辨識方法中，壓力測量、氣體熱力學過程等因素帶來的影響。測出了比例流量閥動態(tài)特性，閥的帶寬隨輸入信號電壓幅值增大而減小，而供氣壓力的變化對比例流量閥帶寬沒有影響，閥的動態(tài)特性可用二階振蕩環(huán)節(jié)近似。
　　對氣缸內氣體動態(tài)熱力學過程進行研究，采用集中參數(shù)法，推導出氣體溫度動態(tài)方程和氣體壓力微分方程，建立了氣缸內氣體熱力學動態(tài)過程的數(shù)學模型。通過對模型進

3、行了實驗和仿真對比驗證，本文建立的熱力學過程數(shù)學模型仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)能很好吻合，實際氣缸內氣體的熱力學過程介于等溫和絕熱之間。采用工作點線性化方法推導了系統(tǒng)的線性模型，并分析了氣壓動力系統(tǒng)的動態(tài)特性。
　　對典型線性氣壓伺服控制系統(tǒng)進行了改進。采用微分跟蹤器安排過渡過程，有效緩解了快速性和過渡過程穩(wěn)定性的矛盾。采用非線性誤差反饋律替代傳統(tǒng)的線性反饋，實現(xiàn)大誤差小增益和小增益大誤差特性。實驗結果顯示，這些控制方法的應用，明顯提高了

4、氣壓伺服定位系統(tǒng)的性能，過渡過程平穩(wěn)光滑無沖擊，且系統(tǒng)魯棒性強，定位精度在±0.05mm以內。
　　對氣壓伺服系統(tǒng)的動態(tài)誤差系數(shù)進行了理論分析，氣壓伺服閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應滯后造成的跟蹤誤差主要由于輸入信號的速度項產(chǎn)生，且速度動態(tài)誤差系數(shù)大小隨輸入信號速度的變化而變化。根據(jù)氣壓伺服系統(tǒng)這一特點，設計了變增益速度前饋控制器。變增益速度前饋控制方法能有效地補償系統(tǒng)閉環(huán)的相位滯后，明顯提高了軌跡跟蹤精度。最后分別對實驗臺X、Y和Z三個單軸系

5、統(tǒng)進行了實驗研究，在單軸軌跡跟蹤實驗中，X軸在正弦信號下跟蹤誤差在±0.4mm以內，Y軸在±0.5mm以內，Z軸跟蹤誤差在±0.1mm以內。
　　建立了傳統(tǒng)定義的兩軸輪廓誤差模型。分析了各單軸動靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)特性對輪廓誤差的影響，系統(tǒng)各單軸動靜態(tài)參數(shù)不匹配會增大輪廓誤差，輪廓誤差還與跟蹤速度有關，跟蹤速度越大，帶來的輪廓誤差越大。為了將平面兩軸交叉耦合控制推廣到三軸系統(tǒng)，建立了基于輪廓誤差估計模型的三軸氣壓伺服系統(tǒng)輪廓誤差模型。并

6、根據(jù)三軸輪廓誤差估計模型，推導出輪廓誤差傳遞函數(shù)，將一個多輸入系統(tǒng)轉化為單輸入單輸出系統(tǒng)的設計問題。最后，應用定量反饋理論，設計了基于輪廓誤差估計模型的三軸氣壓伺服系統(tǒng)交叉耦合控制器。
　　采用本文提出的交叉耦合控制方法，對平面和空間三軸曲線跟蹤進行了實驗研究。實驗數(shù)據(jù)表明，無論是雙軸還是空間三軸曲線，交叉耦合控制都能使實際軌跡平穩(wěn)光滑的跟蹤指令軌跡，輪廓誤差比無交叉耦合控制時明顯提高。采用交叉耦合控制后，空間曲線輪廓誤差精度提高