1.2.3　氣缸的摩擦機理研究

氣缸的摩擦力是影響氣動系統性能的重要因素，其大小、方向取決于滑動摩擦副的材料、表面粗糙度、潤滑條件、受力大小及溫度等因素。氣缸的摩擦力對氣動比例位置系統的影響很大，特別是低速運動時更為明顯。

當氣缸處于靜止狀態時，摩擦力主要為靜摩擦力，當氣缸開始運動時，靜摩擦力快速下降為動摩擦力，此后，如氣缸運動速度和徑向負載不變，摩擦力基本保持不變，但由于氣缸加工誤差及裝配誤差等原因，因摩擦系數隨行程的變化而變化，庫侖摩擦力有上下波動的現象。

一個典型的標準氣缸具有如圖1-10中的曲線A所示的摩擦特性，在氣缸靜止與運動間，存在一臨界速度點v_d，當小于臨界速度v_d時，動摩擦力隨速度增加而減小；當大于臨界速度v_d時，動摩擦力隨速度增加而加大。即當它從靜止到開始動作時其摩擦力將突然下降。

從控制理論上分析，這一現象將產生一個正反饋，從而引起系統不穩定（爬行）。解決這一困難的方法之一是對氣缸摩擦特性進行優化，設法得到如圖1-10中的B所示的摩擦特性。但是這種氣缸的制造成本很高，壽命短，并且最大運動速度受到限制。一種行之有效的方法是根據氣缸的當前運動速度校正正反饋增益，如圖1-11所示。

對于定位控制，系統的穩態誤差主要是由于氣缸和比例閥的摩擦力較大造成的。因此如何克服摩擦力的影響是提高系統性能的一個重要因素。

在相關文獻中介紹了一種自動檢測由控制閥的靜態摩擦力引起的粘-滑現象的方法。當閥的靜態摩擦力足夠大而導致粘-滑現象時，就必須對閥進行維修，以消除粘-滑現象對控制閥的影響。

理想的靜態摩擦補償應該是在控制信號的變化上疊加對應于輸入信號的函數，每個函數都有足夠的能量以消除靜態摩擦。如果能量過小，閥會處于鎖緊狀態。如果能量過大，閥的滑動量就會超過所需的范圍。

本書中介紹的摩擦補償信號是由一系列的低幅高頻信號組成。該摩擦補償器的控制系統框圖如圖1-12所示。

在控制信號變化率方向上，對控制信號疊加一個等幅等寬的信號函數。因為在控制器中有一個積分環節，因此只要控制誤差非零，脈沖信號就會不斷發生變化。這表明加在氣缸上的壓力會不斷升高，直到閥開始滑動。