[发明专利]基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法

权利要求书

1.基于高速开关阀五模式切换的气缸位置控制方法，其特征在于：基于高速开关阀全桥回路的气缸位置伺服系统，控制此系统对气缸位置定位实现高效、精确的控制；

步骤一、计算气缸活塞位移误差e₀的大小，并预设阀值ε，当|e₀|≤ε时，系统进入全部关闭模式，避免高速开关阀的频繁切换，同时节省气体的消耗；

步骤二、当|e₀|＞ε时，分别计算位移误差e₀和位移误差的变化率的隶属度函数Ue、Uec，再计算快速段和慢速段的输出强度系数δ_f和δ_s；

式中，a代表位移误差e₀的范围，b代表位移误差的变化率的范围；

δ_f＝U_e·U_ec，δ_s＝1-δ_f    (3)

步骤三、当位移误差e₀＞ε时且δ_r＜δ_s，进气阀A和排气阀B受到PWM信号的控制且两路PWM信号的占空比均为u，而进气阀B和排气阀A均完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向右慢速移动；

步骤四、当位移误差e₀＜-ε时且δ_f＜δ_s，进气阀B和排气阀A受到PWM信号的控制且两路PWM信号的占空比均为u，而进气阀A和排气阀B均完全关闭，此时无杆气缸B腔进气而A腔排气，因此气缸的活塞向左慢速移动；

步骤五、当e₀＞ε且δ_f≥δ_s，进气阀A和排气阀B完全打开，进气阀B和排气阀A完全关闭，此时无杆气缸A腔进气而B腔排气，因此气缸的活塞向右快速移动；

步骤六、当e₀＜-ε且δ_f≥δ_s，进气阀B和排气阀A完全打开，进气阀A和排气阀B完全关闭，此时无杆气缸B腔进气而A腔排气，因此气缸的活塞向左快速移动；

步骤七、高速开关阀的气缸位置伺服控制系统的模型如下：

其中，M为无杆气缸活塞及其所带负载的质量；x为气缸位移；p_a、p_b分别为A、B腔内的气体压力；S_a为A腔的活塞面积，S_b为B腔的活塞面积；S_a和S_b面积相等；F_f为无杆气缸受到的摩擦力；f为其它未建模动态以及外界的扰动；k为空气绝热指数；R为理想气体常数；T_s为气源温度；L为气缸长度；q_ma、q_mb分别为流入A腔、B腔气体的质量流量，F_c为气缸的库仑摩擦力；C为气缸的粘性阻力系数；F_s代表气缸的最大静摩擦力；

令x₁＝x，y＝x₁将式(6)改为状态空间的形式，即公式(7)：

式中，u为控制量，为系统的总扰动，b₀为系统增益估计值；

步骤八、根据式(7)以及步骤一至六，设计系统五模式切换策略的三阶自抗扰控制器：

其中，v₀为给定位置参考信号，v₁为v₀的光滑跟踪信号，v₂为v₁的微分信号，v₃为v₂的微分信号，r为跟踪微分器的速度因子；y为系统输出，z₁，z₂，z₃为系统状态的观测值，z₄为系统总扰动的观测值，β₁，β₂，β₃，β₄为扩张状态观测器参数，b₀为系统增益估计值；k₁，k₂，k₃为非线性反馈控制律参数，a₁，a₂，a₃，δ为非线性fal函数参数；e₀为位移误差，u为五模式切换气缸位置电压控制量，ε为预设阀值；u_max为最大电 压控制量；e为fal非线性函数里的误差参数；α为fal非线性函数里的参数；

步骤九、根据步骤八的式(10)得到的控制量u通过控制器的DO口输出给对应高速开关阀的信号输入端，作用于高速开关阀气缸位置系统，实现气缸位置的快速精准定位；能够显著提高了气缸位置控制的响应速度及气缸位置定位精度，并且降低气体损耗节约能量。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述系统包含：气源、无杆气缸、两个进气阀、两个排气阀、位移传感器和控制器；

进气阀A、进气阀B的进气口与气源相连，进气阀A的出气口与气缸容腔A相连，进气阀B的出气口与气缸容腔B相连；

排气阀A的进气口与气缸容腔A相连，排气阀B的进气口与气缸容腔B相连，排气阀A、排气阀B的出气口与大气环境相通；

所述无杆气缸上安装位移传感器，位移传感器对被控气缸内活塞的位置进行测量并反馈给控制器；

所述控制器的四路PWM信号输出端与进气阀A、进气阀B、排气阀A、排气阀B的信号输入端相连；

所述控制器根据位移误差e₀和预设的阀值ε控制四个阀的工作状态分为气缸活塞快速向右移动、缓慢向右移动、气缸活塞快速左移、缓慢向左移动和完全关闭五种不同的工作模式。