调节阀直驱式电液执行机构的研究

论文摘要

调节阀是工业过程控制中最常用的控制元件之一,广泛应用于化工、冶金、核电、火电等工业部门。随着科技的发展和社会的进步,工业控制的系统化、智能化不断提高,节能减排日益受到重视,对调节阀的技术性能要求也就越来越高。执行机构是调节阀的关键部件,对调节阀的性能起着决定性影响。然而传统执行机构响应速度慢、能耗高、抗负载干扰能力弱,限制了调节阀性能的提高。因此,亟需研究新型执行机构以提高调节阀的动静态性能。本文全面总结分析了调节阀执行机构的工作原理及特点,以提高执行机构抑制负载干扰能力、增大输出推力和速度为目标,开展了新型调节阀执行机构的设计研究。首先,研究了调节阀电液执行机构的工作原理及优缺点,将DDVC（直驱式容积控制,Direct Drive Volume Control）电液伺服系统应用于调节阀电液执行机构,得到了一种新型电液执行机构——DDVC电液执行机构。阐述了DDVC电液执行机构的工作原理,分析了其对于传统电液执行机构的优点。同时对DDVC电液执行机构进行了系统设计及元器件设计选型,初步实现了集成化结构设计的目标。其次,基于齿轮泵的工作原理,对双向齿轮泵进行了理论研究。通过内部集成单向阀实现了齿轮泵的双向工作。分别将齿轮泵压油腔、吸油腔中的高压油、低压油引入相应的补偿腔,实现了轴向间隙和径向间隙的自动补偿,减少了泄漏,提高了容积效率和工作压力。再次,根据DDVC电液执行机构的工作原理,进行了系统机理建模。通过分析伺服电动机调速系统电压-转速特性及双向齿轮泵控双出杆对称液压缸的流量特性和力平衡特性等,建立了DDVC电液执行机构的动态数学模型。在MATLAB环境下分析了系统稳定性,结果表明系统稳定,并且具有较大的稳定裕度。最后,利用MATLAB/Simulink,对DDVC电液执行机构进行了控制策略仿真研究,对比分析了系统分别采用PID控制和PID校正的最优状态全反馈与观测器预估干扰相结合的复合控制时的性能。仿真结果表明,采用PID控制系统的超调量和稳态误差均较小,但快速性较差,抑制负载干扰的能力弱,静态性能较差；而采用PID校正复合控制后,响应速度得到明显提高,抑制负载干扰的能力得到加强,动静态性能均得到了很大提高。通过与国外相关产品的比较,所研究的DDVC电液执行机构的综合性能达到了国外产品的水平,有些指标甚至优于国外产品,能够满足高性能调节阀的使用要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 调节阀简介
• 1.2.1 调节阀的功能及组成
• 1.2.2 调节阀的发展历史及趋势
• 1.2.3 调节阀研究概况
• 1.3 DDVC电液伺服系统
• 1.3.1 DDVC电液伺服系统简介
• 1.3.2 DDVC电液伺服系统与传统电液伺服系统的比较
• 1.3.3 DDVC电液伺服系统研究概况
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 DDVC电液执行机构研究
• 2.1 调节阀执行机构分类与简介
• 2.1.1 气动执行机构
• 2.1.2 电动执行机构
• 2.1.3 电液执行机构
• 2.2 DDVC电液执行机构系统原理设计
• 2.3 DDVC电液执行机构及其元器件设计
• 2.3.1 液压缸设计
• 2.3.2 液压泵的选择
• 2.3.3 电动机的选择
• 2.3.4 管件和油箱的设计
• 2.3.5 液压阀的选择
• 2.4 DDVC电液执行机构结构设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 中高压高效率双向齿轮泵研究
• 3.1 双向齿轮泵概况
• 3.1.1 齿轮泵的分类及其工作原理
• 3.1.2 双向齿轮泵研究应用现状
• 3.2 向齿轮泵工作原理
• 3.3 中高压高效率双向齿轮泵
• 3.3.1 提高容积效率的措施
• 3.3.2 间隙补偿和双向工作原理
• 3.4 本章小结
• 第4章 DDVC电液执行机构系统数学模型
• 4.1 交流伺服电动机调速系统数学模型
• 4.2 泵控缸数学模型
• 4.2.1 双向齿轮泵流量方程
• 4.2.2 液压缸流量连续性方程
• 4.2.3 液压缸负载力平衡方程
• 4.3 负载干扰力
• 4.4 调节阀执行机构传递函数
• 4.4.1 系统传递函数
• 4.4.2 系统各参数的确定
• 4.5 系统稳定性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于MATLAB的PID控制仿真
• 5.1 数字PID控制
• 5.1.1 PID控制原理
• 5.1.2 位置式PID控制算法
• 5.1.3 增量式PID控制算法
• 5.2 调节阀DDVC电液执行机构PID控制器设计
• 5.2.1 PID控制器结构
• 5.2.2 PID控制器参数的整定
• 5.3 PID控制仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 基于MATLAB的PID校正复合控制仿真
• 6.1 复合控制
• 6.1.1 复合控制基本原理
• 6.1.2 最优线性二次型控制基本理论
• 6.1.3 状态观测器基本原理
• 6.2 PID校正复合控制器设计
• 6.2.1 最优状态反馈控制器设计
• 6.2.2 负载干扰一维状态观测器设计
• 6.2.3 PID校正器设计
• 6.2.4 PID校正复合控制模型
• 6.3 PID校正复合控制仿真
• 6.4 与国外调节阀电液执行机构性能对比
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表