气动比例阀控系统摩擦力补偿及仿真研究
赵秀华,王晓强，范桂杰
[文章摘要] 在气动比例位置控制系统中，摩擦力的存在是影响其定位精度的一个关键因素。本文采用叠加低幅高频颤振信号的方法，运用BP网络自学习功能在线调整颤振信号幅值，解决了由比例阀和无杆气缸的摩擦力引起的系统定位精度的问题。仿真结果证明该方法是有效的。 [关 键 词] 气动比例系统；摩擦力补偿；BP网络
The Friction Compensation and the Simulation Study of the
Pneumatic Proportional Valve Control System
ZHAO Xiu-hua, WANG Xiao-qiang，FAN Gui-jie
Abstract: In order to achieve high precision position control in pneumatic system, friction must be compensated for. In this paper, A kind of Adding pulse signal to the original control signal method was introduced to solve this problem, adjusting the value of the pulse signal online using the self-learning function of the BP network. The simulation results proved that the method is effective. Key words: Pneumatic proportional system; friction compensation; BP network;
在气动比例位置控制系统中，系统低速运行的话，结果也会使阀受到很大的磨损。对于脉冲时会出现不平稳的现象，这会影响系统的正常工控制，同样的，由于动力学因素和气缸的限制，作，降低系统的定位精度[1]。这主要是因为系统不可能产生加在气缸上的高频压力信号。所以要中比例阀和气缸存在着静、动摩擦力等非线性特补偿比例系统的摩擦力，必须使用除上述两种方性。系统在低速运行时具有如图1所示的摩擦特法之外的其他方法。 性曲线，从控制理论上分析，这一现象将产生一理想的摩擦补偿是在控制信号的变化方向上个正反馈，从而引起系统不稳定（爬行）。因此，叠加脉冲信号的函数，每个脉冲都有足够的能量克服摩擦力的影响是提高系统性能的一个重要因以消除静态摩擦。如果能量过小，阀会处于锁紧素。 状态。如果能量过大，阀的滑动量就会超过所需
的范围。
本文主要是对图2所示系统的比例阀和气缸的摩擦力进行补偿，从而提高它的定位精度。
2 实验系统组成和原理
图1 低速运动时的摩擦特性曲线 Fig.1 Friction property curve of low speed
1 气动比例系统摩擦力特性及补偿分析
摩擦力补偿有两个主要途径[23]，即颤振控制和脉冲控制。颤振控制是在控制信号上叠加一个高频不等幅的信号。主要思想是颤振信号的幅值足够大以克服摩擦力，并且频率足够高以使在系统信号的频率范围上产生扰动。由于从控制阀的输出幅值在很大程度上受到限制，因此，不可能产生一个高频压力信号加在气缸上，即使可能
，
如图2所示，本实验系统主要由无杆气缸、比例控制阀、位移传感器、A/D、D/A转换装置和计算机等组成。
气缸采用DGPL-25-500-PPV- A-GF-B型无杆气缸，是系统的被控对象，目的是实现活塞位移按给定规律变化。传感器为MLO-POT-500-TLF型电位计式模拟位移传感器，是系统的反馈检测元件，在线检测活塞位移，输出电压随测量位置在0～10V之间连续变化。比例阀采用MPYE-5-1/8-010B型3位5通比例阀，作用是把电信号转化为气动信号，驱动气缸活塞动作。A/D、D/A转换由HY-6070通用数据采集控制板
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赵秀华 女 工学硕士 机械工程系助教 王晓强 男 工学硕士 机械工程系讲师 范桂杰 女 工学硕士 机械工程系助教
应用技术研究
完成。
实验系统的工作原理：通过计算机软件对比例阀、无杆气缸的控制调节作用，使输入电压信号ue与气缸位移反馈信号uf（uf与气缸位移是线性关系）之差u减小并趋于零，从而实现气缸位移对输入信号的跟踪。
2 实验系统组成示意图
Fig.2 Sketch drawing of the experiment system
本文中所使用的摩擦补偿信号是由一系列低幅高频脉冲信号组成。摩擦力补偿的原理如图3所示，在控制信号变化率方向上，对控制信号叠加一短脉冲。只要误差非零，信号就会不断发生变化。加在比例阀上的压力就会不断变化，直到阀开始滑动。
图3 叠加颤振信号的控制系统框图 Fig.3 Frame drawing of the adding pulse signal
control system
控制信号由两部分组成：
ue(t)u(t)uk(t)
式中u(t)为PID控制器的输出，uk(t)为脉冲信号，uk(t)的特征参数：脉冲时间间隔hk，幅值a，脉宽，uk(t)由下式决定：
uasign(u(t)u(tp))ttphkk(t)0ttphktp为前一脉冲时刻。
a为变量，通过BP网络自学习计算得到。
BP网络结构如图4所示，采用3×8×3的结构。
图4 用于自学习的BP网络结构示意图 Fig.4 Sketch drawing of the BP network structure
a(k)a(k1)a(k) （k=1,2,3…）
a(k)A[e(k)e(k1)]Be(k)C[e(k)2e(k1)e(k2)]
（k=1,2,3…）
其中A、B、C的值为BP网络的输出。
e(k)r(k)y(k)为系统对控制信号的跟踪误
差；目的是通过在线调节补偿值，使性能指标函数E(k)[r(k)y(k)]2/2极小化，其中，r(k)为输入，y(k)为系统输出。
3 幅值a、脉宽和脉冲间隔hk的确定
a应选定一初始值。如果a过大，比例阀开
口量过大，会导致气缸低压端产生真空，发生失控现象。测试表明：a选择在0.01 脉冲信号的时间间隔hk应比控制器的采样时间间隔大，也要大于脉宽。本文将脉冲间隔 hk和脉宽联系起来。hk取为hkn，其中 2≤n≤5，这里取n=4。 4 仿真研究 图5～图8是利用MATLAB中的Simulink软件对图2所示系统的摩擦力补偿方法的仿真图形。图5、图6分别是补偿前输入信号分别为阶 2 应用技术研究 跃信号和正弦信号时的仿真曲线，图7、图8为补偿后的仿真曲线。其中曲线1为理想曲线，曲线2为仿真曲线。 图7 补偿后阶跃信号跟踪图 图5 补偿前阶跃信号跟踪图 Fig.5 Simulation drawing of tracking step signal before compensation Fig.7 Simulation drawing of tracking step signal after compensation 图8 补偿后正弦信号跟踪图 图6 补偿前正弦信号跟踪图 Fig.6 Simulation drawing of tracking sine signal before compensation Fig.8 Simulation drawing of tracking sine signal after compensation 5 结论 本文采用叠加脉冲信号的方法，运用BP网络自学习功能在线调整脉冲信号幅值，解决了气动比例系统中由比例阀和气缸的摩擦力引起的系统定位不准的问题。应用MATLAB中的Simulink软件补偿前后的系统性能进行了仿真，结果证明通过叠加脉冲信号并在线调整脉冲信号幅值对系统的摩擦力进行补偿的方法是有效的，补偿后，系统的性能得到明显改善。 从图中可以看出，摩擦力补偿前，系统响应速度比较慢，定位误差较大，特别是正弦信号，而补偿后系统调节时间明显缩短，定位误差很小，理想曲线和仿真曲线几乎重合。这说明采用该补偿方法是可行的。 参考文献： [1] 陆鑫盛 周洪. 气动自动化系统的优化设计[M]. 上海：上海科学技术文献出版社，2000：399-401. [2] 丛爽. 两种补偿动态摩擦力的先进控制策略[J]. 自动化学报，1998.2：236～240. [3] B Armstrong-Helouvry, P.Dupont, C.C.de Wit, A Survey of Models, Analysis Tools and Compensation Methods for the Control of Machines with Friction[J]. Automatica 1994, 30（7）: 1083-1138 3 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容