压电开关调压型气动数字比例压力阀的研究

论文摘要

气动比例压力阀是实现连续控制及气、电、机一体化的关键元件。其中,数字控制比例阀（简称数字阀）具有可直接与计算机连接,不需要D/A转换器,具有结构简单、成本低、可靠性高等优点,因此得到越来越广泛的应用且成为当前的研究热点之一。但目前现有的脉冲开关式数字比例压力阀通常采用高速电磁铁为电-机械转换器,这种驱动方式的数字比例压力阀存在响应速度慢、稳念精度差等缺点,无法满足如快速燃气喷射系统和精密气动定位系统等需要快速响应高精度的场合。因此,迫切需要研究一种新型的具有快速响应和高精度特性的数字比例压力阀。论文从此实际需求出发,对所涉及的问题进行了全面、深入的理论和试验研究。首先,论文通过深入分析了以电磁铁为驱动器的传统开关式数字比例压力阀工作过程,指出了提高阀响应速度和控制精度的最根本途径是提高驱动器的动态性能。为此,提出了一种新型的以压电驱动代替电磁驱动、具有快速响应和高精度特性的压电开关调压型气动数字比例压力阀的构想。在功能需求分析基础上,研究了其前置级压电快速驱动-位移放大、摆动开关挡板式先导阀结构及膜片平衡式主阀结构等关键技术；提出并实现了一种压电驱动-放大、先导开关挡板高速通断、膜片式主阀功率放大和压力-电反馈的新型压电开关调压型气动数字比例压力阀的总体结构,并采用模块化设计方法完成了该总体结构的设计。设计了基于弹性铰链的具能放大压电叠堆输出微位移的先导开关挡板机构,并采用有限元分析方法对其进行了静、动态特性和疲劳寿命等分析。为了分析压电开关调压型气动数字比例压力阀的静、动态特性以及各主要结构参数、控制参数等对其主要性能的影响,也为阀结构参数和控制参数的合理设计提供理论依据,论文研究了其动态特性数学模型,并进行了相关的仿真研究。试验结果与仿真结果对比验证了所建阀的数学模型及仿真模型是准确的。通过仿真研究,了解了阀工作过程中的静、动态特性,明确了先导开关挡板行程、先导阀通流直径和主阀芯通流直径、阀腔室体积、PWM载波频率及PID控制等对阀主要性能的影响,为后续的深入研究提供了理论指导。研制了压电开关调压型气动数字比例压力阀试验样机。在此基础上,构建了具有高速实时采集和数字比例控制功能的试验控制系统,并对前置级压电驱动-放大机构、先导级摆动开关挡板阀、压电开关调压型气动数字比例压力阀进行了基本的开环静、动态测试。试验结果表明：前置级先导开关挡板放大机构阶跃上升时问约为0.57ms,阶跃下降时间约为0.3ms,具有较快的响应速度和良好的工作频宽；可通过控制PWM脉宽比数字控制先导级摆动开关挡板阀的出口流量,具有一定的实用性,适用于小流量、控制精度要求不高的应用场合；所研制的压电开关调压型气动数字比例压力阀的空载流量和出口压力与脉宽比具有一定的线性度,且能实现大流量输出。最后,为了提高压电开关调压型气动数字比例压力阀动态性能,提高其稳态精度和降低压力波动,对其进行了控制算法研究。采用了Bang-Bang开关控制和带死区P+PWM复合控制算法,实现了阀的数字比例控制,但其稳念控制性能较差,存在-定的稳态误差和压力波动,特别是在有流量负载下。通过试验发现,数字阀的压力响应延迟是影响阀性能的一个主要因素,为此,提出了PWM控制算法的一种改进形式：调整变位PWM法；并采用Bang-Bang控制+带死区P+调整变位PWM复合控制算法对数字阀进行了控制。通过试验验证了其算法的有效性,能有效提高阀稳念控制精度,大大降低压力波动,特别是在有流量负载下,稳态误差由2kPa降为1kPa,压力波动由15kPa降为5kPa。完成了所研制的压电开关调压型气动数字比例压力阀试验样机与同级别的传统电-气比例压力阀的性能比较试验。试验表明：在相同条件下所研制试验样机的响应速度和稳态精度较同级别电-气比例压力阀都有明显的提高,响应速度提高了约66%,稳态精度提高了约50%,具有高速、高精度的特点,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 气动数字比例阀的研究现状
• 1.2.1 增量式数字比例阀
• 1.2.2 脉冲调制开关式数字比例阀
• 1.3 压电阀的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 有待研究解决的问题
• 1.5 论文主要研究内容
• 2 压电开关调压型气动数字比例压力阀总体结构研究
• 2.1 压电叠堆驱动器工作原理及基本特性
• 2.1.1 压电叠堆驱动器工作原理
• 2.1.2 压电叠堆驱动器基本特性
• 2.2 功能分析及关键结构研究
• 2.2.1 快速响应高精度功能分析
• 2.2.2 压电快速驱动-位移放大关键技术研究
• 2.2.3 摆动开关挡板式先导阀关键结构研究
• 2.2.4 膜片平衡式主阀关键结构研究
• 2.3 压电开关调压型气动数字比例压力阀总体结构
• 2.4 压电微位移放大机构先导开关挡板的设计与分析
• 2.4.1 压电微位移放大机构先导开关挡板的设计
• 2.4.2 压电微位移放大机构先导开关挡板的有限元分析
• 2.5 本章小结
• 3 压电开关调压型气动数字比例压力阀数学模型及仿真研究
• 3.1 压电开关调压型气动数字比例压力阀数学模型
• 3.1.1 阀芯动力学特性分析
• 3.1.2 腔室热力学特性分析
• 3.1.3 流道气体质量流量方程
• 3.2 压电开关调压型气动数字比例压力阀结构参数及控制仿真研究
• 3.2.1 压电开关调压型气动数字比例压力阀Matlab/Simulink仿真模型
• 3.2.2 模型的有效性试验验证
• 3.2.3 先导开关挡板行程对阀主要性能的影响
• 3.2.4 先导腔通流直径对阀主要性能的影响
• 3.2.5 膜片主阀芯通流直径对阀主要性能的影响
• 3.2.6 腔室体积对阀主要性能的影响
• 3.2.7 PWM参数对阀主要性能的影响
• 3.2.8 PID控制对阀主要性能的影响
• 3.3 本章小结
• 4 压电开关调压型气动数字比例压力阀基本特性试验研究
• 4.1 压电开关调压型气动数字比例压力阀试验控制系统
• 4.1.1 系统技术方案研究
• 4.1.2 系统硬件平台设计
• 4.1.3 系统软件平台设计
• 4.2 前置级压电驱动-放大部件动态特性试验研究
• 4.2.1 压电叠堆驱动器脉冲响应动态特性试验研究
• 4.2.2 先导开关挡板放大特性试验研究
• 4.3 先导级摆动开关挡板阀开环PWM控制特性试验研究
• 4.3.1 开启-关闭特性
• 4.3.2 空载流量特性
• 4.3.3 空载压力特性
• 4.3.4 试验结果分析
• 4.4 压电开关调压型气动数字比例压力阀开环PWM控制特性试验研究
• 4.4.1 静态特性
• 4.4.2 动态特性
• 4.5 本章小结
• 5 压电开关调压型气动数字比例压力阀控制算法研究
• 5.1 压电开关调压型气动数字比例压力阀主要性能指标
• 5.2 压电开关调压型气动数字比例压力阀Bang-Bang开关控制研究
• 5.2.1 数字阀Bang-Bang开关控制算法
• 5.2.2 数字阀Bang-Bang开关控制试验研究
• 5.2.3 数字阀Bang-Bang开关控制效果分析
• 5.3 压电开关调压型气动数字比例压力阀PWM控制研究
• 5.3.1 数字阀PWM控制算法
• 5.3.2 数字阀PWM控制试验研究
• 5.3.3 数字阀PWM控制效果分析
• 5.4 压电开关调压型气动数字比例压力阀调整变位法PWM控制研究
• 5.5 与同级别传统电-气比例压力阀的性能对比
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文