阀控非对称缸系统由于具有工作空间小、承载能力大、结构简单和响应速度快等优点,被广泛应用于工业技术领域中。为了满足高精度、高响应、高频率和强鲁棒性等高性能应用场合的要求,针对阀控非对称缸系统的设计、建模和控制等问题展开深入研究显得很有必要,具有较好的工程应用价值。本文以阀控非对称伺服缸为对象,从结构设计、数学建模和控制策略三个方面展开研究,主要工作内容和成果如下:(1)针对伺服缸和伺服阀参数匹配不合理带来的超压气蚀现象和密封方式不合理带来的摩擦发热问题,研究分别根据最佳负载匹配关系和静压支撑间隙密封机理,完成了非对称伺服缸结构和密封方式的设计。理论分析和仿真研究表明:最佳负载匹配实现了动力机构输出特性与负载特性的有效匹配,避免了超压和气蚀现象的发生。此外,小孔节流静压轴承的使用增强了伺服缸的径向承载能力,改善了伺服缸的密封性能。(2)针对活塞运动初始位置变化带来的对长行程位置伺服液压缸系统固有频率的影响,分析了非对称伺服液压缸系统在伸出、回缩两个方向上的静态和动态特性。计算分析和实验结果均表明:伺服液压缸活塞初始运动位置的增加会导致正向伸出运动时系统的固有频率逐步降低,反向回缩运动时系统的固有频率逐渐升高,伺服液压缸系统在不同的活塞启动位置下其动态响应特性将出现较大改变。(3)考虑了油液压缩特性的影响,建立了包含变体积弹性模量的系统数学模型。仿真结果表明:在低压段,油液有效体积弹性模量随含气量的升高而急剧减小,导致系统响应速度变慢,振荡加剧,甚至出现不稳定。而在高压段,不同含气量模型的油液有效体积弹性模量差别不大,系统的响应特性也很相似。(4)针对阀控非对称缸系统的控制问题,应用了一种基于粒子群算法优化的模糊PID控制方法(简称PSO_FPID)。仿真和试验结果表明:PSO_FPID综合了PID控制器高精度的优点和模糊控制器快速、适应性强的特点,能够有效抑制系统参数摄动带来的非线性影响,使系统具有良好的动、稳态特性。