气动比例阀控系统摩擦力补偿及仿真研究

在气动比例位置控制系统中，系统低速运行时会出现不平稳的现象，这会影响系统的正常工作，降低系统的定位精度[1]。这主要是因为系统中比例阀和气缸存在着静、动摩擦力等非线性特性。系统在低速运行时具有如图1所示的摩擦特性曲线，从控制理论上分析，这一现象将产生一个正反馈，从而引起系统不稳定（爬行）。
因此，克服摩擦力的影响是提高系统性能的一个重要因素。

图1 低速运动时的摩擦特性曲线

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[2，3]，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，即使可能的话，结果也会使阀受到很大的磨损。对于脉冲控制，同样的，由于动力学因素和气缸的限制，不可能产生加在气缸上的高频压力信号。所以要补偿比例系统的摩擦力，必须使用除上述两种方法之外的其他方法。

理想的摩擦补偿是在控制信号的变化方向上叠加脉冲信号的函数，每个脉冲都有足够的能量以消除静态摩擦。如果能量过小，阀会处于锁紧状态。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
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，使输入电压信号与气缸位移反馈信号（与气缸位移是线性关系）之差减小并趋于零，从而实现气缸位移对输入信号的跟踪。

图2 实验系统组成示意图

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

图4 用于自学习的BP网络结构示意图

控制信号由两部分组成：

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。

其中A、B、C的值为BP网络的输出。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，使性能指标函数极小化，其中，为输入，为系统输出。

3 .幅值、脉宽和脉冲间隔的确定
a 应选定一初始值。如果过大，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：选择在0.01<<0.04范围内比较合适。本研究选取=0.03。

当阀滑动时，输入的能量不能太大，这一点非常重要。因此，脉冲信号的脉宽应该较小。在实际应用中，不应小于采样周期，可以为一个或多个采样周期，可调。本研究取=1.5，采样周期为定位时间的1/120。

脉冲信号的时间间隔应比控制器的采样时间间隔大，也要大于脉宽。本文将脉冲间隔和脉宽联系起来。取为，其中2≤≤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5 补偿前阶跃信号跟踪图

图6 补偿前正弦信号跟踪图

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。

图7 补偿后阶跃信号跟踪图

图8 补偿后正弦信号跟踪图

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。