1.2.3　气缸的摩擦机理研究

气缸的摩擦力是影响气动系统性能的重要因素，其大小、方向取决于滑动摩擦副的材料、表面粗糙度、润滑条件、受力大小及温度等因素。气缸的摩擦力对气动比例位置系统的影响很大，特别是低速运动时更为明显。

当气缸处于静止状态时，摩擦力主要为静摩擦力，当气缸开始运动时，静摩擦力快速下降为动摩擦力，此后，如气缸运动速度和径向负载不变，摩擦力基本保持不变，但由于气缸加工误差及装配误差等原因，因摩擦系数随行程的变化而变化，库仑摩擦力有上下波动的现象。

一个典型的标准气缸具有如图1-10中的曲线A所示的摩擦特性，在气缸静止与运动间，存在一临界速度点v_d，当小于临界速度v_d时，动摩擦力随速度增加而减小；当大于临界速度v_d时，动摩擦力随速度增加而加大。即当它从静止到开始动作时其摩擦力将突然下降。

图1-10　气缸的速度-摩擦力特性曲线

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）。解决这一困难的方法之一是对气缸摩擦特性进行优化，设法得到如图1-10中的B所示的摩擦特性。但是这种气缸的制造成本很高，寿命短，并且最大运动速度受到限制。一种行之有效的方法是根据气缸的当前运动速度校正正反馈增益，如图1-11所示。

图1-11　对气缸运动速度增加校正正反馈增益

对于定位控制，系统的稳态误差主要是由于气缸和比例阀的摩擦力较大造成的。因此如何克服摩擦力的影响是提高系统性能的一个重要因素。

在相关文献中介绍了一种自动检测由控制阀的静态摩擦力引起的粘-滑现象的方法。当阀的静态摩擦力足够大而导致粘-滑现象时，就必须对阀进行维修，以消除粘-滑现象对控制阀的影响。

理想的静态摩擦补偿应该是在控制信号的变化上叠加对应于输入信号的函数，每个函数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。

本书中介绍的摩擦补偿信号是由一系列的低幅高频信号组成。该摩擦补偿器的控制系统框图如图1-12所示。

图1-12　摩擦补偿器的控制系统框图

在控制信号变化率方向上，对控制信号叠加一个等幅等宽的信号函数。因为在控制器中有一个积分环节，因此只要控制误差非零，脉冲信号就会不断发生变化。这表明加在气缸上的压力会不断升高，直到阀开始滑动。