【摘 要】
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该文以爬壁机器人为研究载体,研究重点在于开关阀控制气动控制系统的基本特性和鲁棒控制策略的研究.在考虑开关阀滞后特性和开关特性的基础上,建立了基于开关阀的气压位置伺
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该文以爬壁机器人为研究载体,研究重点在于开关阀控制气动控制系统的基本特性和鲁棒控制策略的研究.在考虑开关阀滞后特性和开关特性的基础上,建立了基于开关阀的气压位置伺服系统的非线性模型.对该非线性模型,应用反馈线性化完成了系统的动态精确线性化,并对输入信号函数进行了近似线性化处理.该方法可以尽量地保留原系统的非线性信息.对系统的特性进行分析发现:系统的参数摄动比较大,参数随着活塞位置的变化非线性变化;相等的进气和排气质量流量对加速度(压力)变化率的影响具有不等性和不对称性;开关阀具有滞后特性和开关特性,影响了系统最小每拍排气量;摩擦力变化复杂.由于气动系统的阻尼和刚度较小,气动系统的这些非线性容易导致系统发生粘滑振荡,影响了系统的精度,影响系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能.通过分析开关阀控制系统的继电器特性,得到抑制气压驱动系统的自振和强迫振荡的条件:满足系统性能的情况下,尽量减小系统的增益;为了抑制系统的零输入自振或粘滑振荡,开关阀存在有一定的死区是必须的.合理的开关阀规划对系统的鲁棒控制至关重要.一方面,针对气压驱动系统特点,采用修正的排气调节方式,能够提高系统的工作点压力;提高系统动态阻尼;对外力的干扰抑制性好,运动平稳;另一方面,减小开关阀最大排气截面积与最大充气截面积比值,减小进气和排气流量对加速度变化率的不等性影响,能够减小最小每拍排气量,提高系统的精度,增加系统的动态阻尼,可以改善系统性能;并且,特意预留很窄的死区狭缝,抑制开关系统的零输入自振.理论分析和实验验证表明,开关阀的规划对系统性能的提高是显著和有效的.在对系统特性分析和开关阀合理规划的基础上,针对气动位置控制系统对象参数摄动量大和负载变化范围大等问题,采用包含小闭环的双自由度控制结构,用定量反馈控制理论来设计系统的双自由度控制器,充分考虑了系统参数的摄动和鲁棒性能要求,具有定量设计的特点,并且可以在希望的性能下,设计次最小增益的控制器,提高了系统的鲁棒稳定性.最后,为适应气压控制系统更高性能的需要,该文还对系统的跟踪性能进行了分析.通过分析,得出气动系统的动态误差是由于诸多因素造成的,其中开关阀较大的滞后、系统误差、以及粘性摩擦力是影响系统跟踪性能的重要因素.为了尽量的提高系统的跟踪性能,该文提出一种采用Stribeck摩擦力模型,基于参考输入信号,综合系统误差和摩擦力误差补偿的综合补偿策略,补偿平滑,对不同输入信号的适应性强,极大地提高了系统的跟踪性能.
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