蘇威　蔣文書

摘? 要：氣缸因為清潔、結構簡單、廉價等優(yōu)點而越來越受到廣泛的應用，更因為其集成化的優(yōu)勢而在機器人等方面有幾乎不可替代的作用。但是氣缸也有本身不能夠精確控制的弱點，主要是氣缸在低速運行的情況下會產生爬行現(xiàn)象。而如何消除這一現(xiàn)象成為當前研究氣動技術的一個重要方向。該課題主要以一個普通的氣缸低速爬行現(xiàn)象模型為研究對象，以實現(xiàn)氣缸可以低速平穩(wěn)運行為研究目標，利用理論分析和AMESim仿真模擬相結合的方法，從建立精確的控制框圖入手，深入研究通過顫振疊加來消除氣缸低速爬行現(xiàn)象的方法。

關鍵詞：顫振信號? 控制框圖? 低速爬行現(xiàn)象? 仿真模擬? 氣缸

中圖分類號：TH138 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）04（c）-0051-02

1? 氣缸摩擦模型的研究

如圖1所示，氣壓源通過A向無桿腔充氣，壓力上升;而有桿腔通過B排氣，壓力下降。當兩側壓力差可以克服活塞與活塞桿的最大靜摩擦力時，活塞開始移動。我們都知道最大靜摩擦力小于動摩擦力，所以活塞開始運動的時候是做加速運動。隨著無桿腔容積變化較大時，而氣壓源的供氣又跟不上，此時無桿腔內壓力減小，有桿腔內壓力升高。當兩側壓力差所產生的作用力等于動摩擦時，氣缸停止加速。但是由于慣性，氣缸仍會向前運動，由于兩側的壓力差所產生的作用力小于動摩擦力，氣缸做減速運動，直到速度為零，氣缸停止，等到無桿腔內壓力上升，氣缸才會繼續(xù)運動。一直保持重復著上面的運動。這個過程稱為氣缸的爬行現(xiàn)象。

2? 爬行現(xiàn)象的解決方法

該文采用消除爬行現(xiàn)象的主要方法是疊加一個正弦的顫振信號，如圖2所示。

顫振補償是將高頻信號引入系統(tǒng)當中從而改善系統(tǒng)動態(tài)性能的一種方法。在氣動系統(tǒng)中加入高頻顫振信號使得整個氣動系統(tǒng)都在高頻低幅的抖動中，系統(tǒng)的這種狀態(tài)能夠平滑低速下的不連續(xù)力，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。顫振信號補償策略是根據系統(tǒng)的相關特性進行的一種補償措施。在克服摩擦力影響中，顫振信號存在兩種加入方法，主要對為了減小摩擦系數(shù)的加法進行敘述，對另一種方法不做敘述。

如圖3所示，Uc=U（t）+Uk（t），U（t）是PID的一個輸出，Uk（t）是所疊加的顫振信號，而Uc則是輸出信號與輸入信號的一個匯總。U（t）信號可以使得氣缸以一個低速的運動方式進行運動，所以U（t）是一個低斜率的斜坡信號，斜率根據系統(tǒng)的具體情況來定。Uk（t）是一個等幅等頻的正弦信號，具體數(shù)學式需調試確定，它是用來消除氣缸的低速爬行現(xiàn)象的。

3? AMESim仿真及結果

圖4是通過AMESim軟件建立的仿真模型圖，1為氣動庫;2為斜坡信號，斜率代表氣缸速度;3為比較點;4為PID控制器，其中比例為2000，積分為0，微分為200;5為正弦信號，幅值700，頻率9.4Hz，相位0;6為控制開關，當接口2為0，開關閉合;7為氣缸，動摩擦為100，靜摩擦為110，行程為0.2m;8為負載，總移動質量為100kg;9為位移傳感器;10為速度傳感器;11為三位四通電磁比例換向閥;12為氣壓源，為6bar。

由圖5、圖6仿真結果顯示氣缸的爬行現(xiàn)象可以通過顫振信號的疊加來消除，以此證明通過顫振信號可以有效地消除氣缸的爬行現(xiàn)象。

4? 結論

該文正是針對氣缸的摩擦機理與進行研究分析，來設計一個基于正弦信號的顫振補償?shù)臍鈩涌刂葡到y(tǒng)。筆者主要完成了以下工作。

（1）詳細了解了氣缸的發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀以及氣缸的摩擦特性模型。

（2）詳細了解了爬行現(xiàn)象的成因，并基于此建立了模型。了解了顫振補償?shù)睦碚撘罁?，并建立了顫振補償?shù)目刂品娇驁D。使用AMESim軟件建立了氣動模型，并進行了仿真補償，證明其可行性。

參考文獻

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