气动高速开关阀因成本低、抗污染能力强、重复精度高、功率质量比大以及切换迅速等优点,在工业领域中获得了广泛的应用。近年来,伴随数字技术及集成电路的发展,气动高速开关阀在工业自动化中的应用范围也由传统的简单开环控制系统向伺服控制系统中拓展。然而由于气动系统的固有特性,比如气体可压缩性和非线性,以及高速开关阀的非连续性输出等,使得基于高速开关阀的气动伺服控制系统(本文简称气动开关伺服控制系统)的控制精度与其他伺服控制方式相比,特别在以轨迹跟踪为代表的运动控制方面差距较大。对气动开关伺服控制系统特性及其控制策略进行深入研究,提高其运动控制精度,对于促进高速开关阀在气动伺服系统中的应用,降低气动伺服系统成本及能耗具有重要的意义。本论文对气动开关伺服控制系统相关的高速开关阀PWM控制流量特性、系统建模、高精度非线性控制策略实现与实验等关键技术进行了研究,有效地提高了气动开关伺服控制系统的运动控制精度。论文的主要内容包括以下几个部分：第一,分析了高速开关阀工作特点,提出了一种多路输出PWM高速开关阀驱动电路,并使用高精度气体流量测试平台对PWM控制下高速开关阀的流量特性进行了研究。第二,详细推导了基于高速开关阀的气缸运动控制系统系统的数学模型,并对系统特性进行了研究。利用Simulink工具对系统进行建模,通过对比开环系统在正弦信号激励下的仿真和实验结果,验证了系统模型的准确性。第三,对适用于气动开关伺服控制系统的控制策略进行了分析讨论,实现了滑模控制、反步法控制和基于系统参数在线辨识的自适应反步法控制等非线性控制方法在气动开关伺服控制系统中的应用。第四,搭建了气动开关运动控制实验系统,对不同控制策略下的系统特性进行了实验研究,结果证明自适应反步法控制的轨迹跟踪精度最高,同时鲁棒性也最好。