压电型直动式电液伺服阀的基本理论与实验研究

论文摘要

提出利用积层式压电驱动器为动力源的压电型直动式电液伺服阀,基于桥式放大原理及杠杆放大原理对积层式压电驱动器的位移进行了放大,由此构造了两种形式的压电型电液伺服阀(以下简称压电伺服阀),并从理论与实验两方面进行了系统研究.利用能量法建立了积层式压电驱动器的数学模型,得到了传递函数的表达式,建立的积层式压电驱动器的有限元模型并分析了积层式压电驱动器的静动态特性;通过建立单轴柔性铰链的转角刚度数学模型,结合几何变形关系推导了桥式放大机构与杠杆放大机构的放大倍数、输入刚度及输出刚度的表达式,得到较为精确的理论模型,与有限元方法进行对比分析,验证了理论模型的正确性;通过桥式放大机构的理论模型初步确定桥式阀芯运动机构的结构参数,利用有限元法对结构参数进行正交因素分析,得到优选的结构参数.建立机构的动力学模型,利用Matlab软件对机构进行动力学仿真分析,得到机构动态特性.利用有限元法进行动力学分析,验证所建模型的有效性.确定杠杆式阀芯运动机构的结构参数,建立动力学模型,分析影响杠杆放大机构动态特性的因素.结果表明杠杆式阀芯运动机构的动态响应取决于积层式压电驱动器的刚度、弹性回复板的刚度.试制了基于两种放大原理的压电伺服阀样机,测试了阀芯位移特性、位移分辨率、最大控制流量、频宽等动态特性.自行设计开发了直动式压电伺服阀控制器,采用基于动态Preisach模型前馈的PID复合控制算法,获得了良好的控制效果.桥式放大直动式压电伺服阀的频宽达到1050Hz,阀芯位移达到56μm,最大控制流量达到1.44 L/min;杠杆放大直动式压电伺服阀的频宽达到1000Hz,阀芯位移达到185.85μm,最大控制流量达到5.9L/min,系统响应时间为1.08mS,位移分辨率为0.1%.

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电液伺服阀的发展
• 1.2.1 电液伺服阀的工作原理
• 1.2.2 电液伺服阀的产生与发展
• 1.2.3 电液伺服阀提高频宽的研究
• 1.3 压电型电液伺服阀研究与发展
• 1.3.1 压电驱动器简介
• 1.3.2 压电驱动器在流体控制中的应用与发展
• 1.3.3 压电型直动式电液伺服阀的特点
• 1.3.4 选题的意义本文研究内容
• 第二章 压电驱动基础理论
• 2.1 压电材料与压电效应
• 2.1.1 压电材料发展简介
• 2.1.2 压电效应
• 2.2 压电振子
• 2.2.1 压电振子的振动模式
• 2.2.2 压电振子的谐振特性
• 2.2.3 压电振子等效电路
• 2.3 压电材料的性能参数
• 2.3.1 机电耦合系数
• 2.3.2 机械品质因数
• 2.3.3 压电常数
• 2.4 压电方程
• 2.4.1 第一类压电方程
• 2.4.2 其它类型压电方程
• 2.5 本章小节
• 第三章 积层式压电驱动器的建模分析与实验研究
• 3.1 积层式压电驱动器制备过程及工作原理
• 3.2 积层式压电驱动器的电机械模型
• 3.2.1 压电陶瓷的能量方程
• 3.2.2 压电陶瓷薄片的总能量
• 3.2.3 积层式压电驱动器建模
• 3.2.4 积层式压电驱动器近似模型
• 3.2.5 积层式压电驱动器简化模型
• 3.3 积层式压电驱动器的有限元建模
• 3.3.1 积层式压电驱动器实体模型的建立
• 3.3.2 积层式压电驱动器静态分析
• 3.3.3 积层式压电驱动器动态特性分析
• 3.4 积层式压电驱动器的实验研究
• 3.4.1 微位移精密测控系统设计
• 3.4.2 积层式压电驱动器静态特性测试
• 3.4.3 积层式压电驱动器动态特性测试
• 3.5 本章小节
• 第四章 柔性铰链微位移放大机构的理论建模
• 4.1 柔性铰链放大机构概述
• 4.1.1 柔性铰链的类型及特点
• 4.1.2 微位移放大机构的类型及特点
• 4.2 单轴柔性铰链的设计分析
• 4.2.1 单轴柔性铰链的力学模型
• 4.2.2 单轴柔性铰链的有限元分析
• 4.3 桥式微位移放大机构理论分析与有限元建模
• 4.3.1 桥式微位移放大机构的理论分析
• 4.3.2 桥式微位移放大机构有限元建模
• 4.4 杠杆式微位移放大机构理论解析与有限元建模
• 4.4.1 杠杆式微位移放大机构的理论放大倍数
• 4.4.2 杠杆式微位移放大机构的输入刚度与输出刚度
• 4.5 本章小结
• 第五章 阀芯运动系统建模分析及结构设计
• 5.1 桥式阀芯运动机构
• 5.1.1 桥式阀芯运动机构的工作原理
• 5.1.2 桥式阀芯运动机构结构参数的确定
• 5.1.3 桥式阀芯运动机构建模分析
• 5.2 杠杆式阀芯运动机构
• 5.2.1 杠杆式阀芯运动机构的工作原理
• 5.2.2 杠杆式阀芯运动机构结构参数的确定
• 5.2.3 杠杆式阀芯运动机构建模分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 直动式压电伺服阀样机试制与实验研究
• 6.1 桥式放大直动式压电伺服阀
• 6.1.1 桥式放大直动式压电伺服阀样机试制
• 6.1.2 桥式放大直动式压电伺服阀阀芯位移特性测试
• 6.1.3 桥式放大直动式压电伺服阀阀芯流量特性测试
• 6.1.4 桥式放大直动式压电伺服阀阻抗特性测试
• 6.1.5 桥式放大直动式压电伺服阀频率响应特性测试
• 6.2 杠杆放大直动式压电伺服阀
• 6.2.1 杠杆放大直动式压电伺服阀样机试制
• 6.2.2 机构及检测一体化装置
• 6.2.3 杠杆放大直动式压电伺服阀阀芯位移特性测试
• 6.2.4 杠杆放大直动式压电伺服阀阀芯位移分辨率测试
• 6.2.5 杠杆放大直动式压电伺服阀最大控制流量测试
• 6.2.6 功率放大电源驱动能力对积层式压电驱动器动态输出特性的影响
• 6.2.7 弹性回复板刚度对杠杆式压电伺服阀频率响应特性的影响
• 6.2.8 预紧力大小对杠杆放大直动式压电伺服阀频率响应特性的影响
• 6.2.9 杠杆放大直动式压电伺服阀的阶跃响应特性
• 6.3 本章小结
• 第七章 直动式压电伺服阀控制器设计及控制算法
• 7.1 直动式压电伺服阀控制器结构组成
• 7.1.1 直动式压电伺服阀控制器的功能与特点
• 7.1.2 信号处理单元
• 7.1.3 位移检测单元
• 7.1.4 功率放大单元
• 7.2 控制算法
• 7.2.1 控制算法的选择
• 7.2.2 直动式压电伺服阀的动态Preisach 模型
• 7.2.3 基于动态Preisach 模型前馈的PID 复合控制
• 7.3 实验测试
• 7.3.1 开环控制
• 7.3.2 基于动态Preisach 模型前馈控制
• 7.3.3 PID 反馈控制
• 7.3.4 基于动态Preisach 模型前馈的PID 复合控制
• 7.3.5 闭环位移特性测试
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目与申请专利情况
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢