文档介绍：实验六气动装置控制系统设计
一、实验目的:
。
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二、气动系统的特点和应用
气动比例伺服控制系统是由电气信号处理部分和气动功率输出部分所组成的闭环
控制系统。
气动比例、伺服控制系统与液压比例、伺服控制系统比较有如下特点:
1)能源产生和能量储存简单。
2)体积小、重量轻。
3)温度变化对气动比例、伺服机构的工作性能影响很小。
4)气动系统比较安全,不易发生火灾,并且不会造成环境污染。
5)由于气体的可压缩性,气动系统的响应速度低,在工作压力和负载大小相
同时,液压系统的响应速度约为气动系统的 50 倍。同时,液压系统的刚度约为相当的
气动系统的 400 倍。
6)由于气动系统没有泵控系统,只有阀控系统,阀控系统的效率较低。阀控
液压系统和气动伺服系统的总效率分别为 60%和 30%左右。
7)由于气体的粘度很小,润滑性能不好。在同样加工精度情况下,气动部件
的漏气和运动副之间的干摩擦相对较大,负载易出现爬行现象。
综合分析,气动控制系统适用于输出功率不大(气动控制系统的极限功率约为
4kW),动态性能要求不高,工作环境比较恶劣的高温或低温,并对防火有较高要求
的场合。
气动伺服技术的应用领域很广泛,尤其是在机械系统中要求具有可编程功能的运
动控制领域,以及没有机械变送装置的线性运动控制领域。目前已经有应用的领域有:
农业、材料加工、包装机械、机械工具、机器人、食品加工等。
早期的应用如 Pendar 摆放机器人(采用开关阀 PWM 控制)151,近期的有 Silsoe
研究所研制的自动挤牛奶机,在这里气体的可压缩性或叫柔性己经变成了优点。
Phillip 和 Festo 已经生产出了用于材料装卸和储运的气动伺服机械系统。由
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Rexroth-Mannesman 生产的气动伺服线性模块已经应用于自动组装系统,如 PCB 元
件的插装,其速度和 X-Y 坐标的精度都得到了最大限度的利用气动伺服技术。在一些
更高级的领域也有应用,如移动机器人,由 Portech 生产的机器人专门用于代替人在危
险环境中工作,如核装置的拆除、核废料的处理等。另一个与众不同的应用领域是在
公共展示中的活动演示系统,这又是充分利用了空气可压缩性带来的柔性。当今,气
动伺服技术的主要研究方向是快响应、宽频带、高精度。日本的花房秀郎、原田正一
等人用开关阀、节流阀的串并联实现气缸的分区控制,获得± 的定位精度。意
大利的等人也对这种系统进行了研究,他采用的是无密封装置气缸和
FESTO 公司的开关阀、单向节流阀及 FPC606 微处理器等元件。理论上,这种控制能
获得± 定位精度,实际系统受间隙的影响,获得定位精度约±。
气动伺服控制系统按其采用的电—气转换元件的不同可分为电—气比例伺服系统
和电—气开关伺服系统。本次毕业设计所用的实验装置为电—气比例伺服系统。电—
气比例伺服系统用模拟信号控制的比例阀或伺服阀作电—气信号转换元件。这类系统
控制精度高、响应较快,但伺服阀或比例阀造价昂贵,因而系统成本高,而且对工作
环境要求严。
三、气动伺服系统的机理建模
本次实验所用硬件设备包括:气动伺服阀、气缸、负载、位置检测装置和计算机
(包含数据采集卡)。伺服阀、气缸和位置检测装置实物如图 1 所示。
减压阀
伺服/比例阀
位置检测元件气缸
底板

图 1 气动伺服系统实物图
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气动伺服系统的基本工作原理如图 2 所示,汽源用来提供压缩空气,压缩空气通
过比例阀的控制进入左侧气缸或右侧气缸,从而使气缸一侧的压力高于或等于另一侧,
使活塞带动负载完成要求的运动或保持静止状态。
气泵
电动控制减压阀
比例阀
气缸
滑块

图 2 气动系统的工作原理图
上述系统如果以比例阀输入为整个系统的输入,以滑块位置为系统的输出,可以
利用气动系统原理建立输入输出间的分析模型——机理建模。建模过程涉及到气体热
力学和动力学的三个基本方程,其描述如下:
1. 质量流量节流方程:
根据气体动力学和热力学基本方程,有:流经节流口的气体质量流量为:
. 2k p 2 p k +1
M = p Wx ( ) k −( ) k
s v RT (k −1) p p
s s s (1)
其中 k:定压比热和定容比热之比
R:气体常数 Ps:进口压力
Ts:环境温度 P:出口压力
W:滑阀面积梯