开关阀控气缸模型及PWM控制系统的研究

论文摘要

气动伺服技术广泛用于工业、军事及航空航天等领域,推广高速电磁阀在比例伺服控制中的应用以及有关技术难题的解决成为当前气动领域的研究热点,发展高性能、低成本、结构紧凑小型一体化、快速高精度气动控制技术及系统的市场需求日益迫切。在此背景下,本文开展对开关阀PWM气缸控制系统的研究。文中首先对国内外气动伺服技术及各类控制阀的应用与发展进行评述,包括气动控制系统及其相关技术、控制阀的分类及特点、开关阀的相关技术及研究热点。论文对气动脉宽调制技术、高速开关阀的工作原理及特性等相关问题进行理论分析。依据电路、电磁及流体力学理论,推导了高速开关阀及阀控气缸系统的传递函数,建立了2种不同工作模式下的单端封闭PWM气动控制系统的模型。采用Matlab/Simulink对系统进行仿真,得到开关阀PWM控制系统的动静态特性,得到了2种工作模式应分别采用气压与气压/PWM双控的方式进行控制的控制策略。文中设计并搭建了一种单端封闭气缸的开关阀PWM控制系统硬件平台。其硬件控制器以内含高分辨率PWM模块的单片机作为核心,调节PWM信号的频率及占空比,利用开关阀驱动模块实现开关阀线圈激励幅值的调节,通过不同气源压力及两气室初始压力实现调节范围的设定,运行参量及模式由键盘输出,LED显示给定和实时运行信息。硬件设计以提供研发平台为目的,在硬件设计的基础上进行了包括位置反馈量计算、控制策略等编程,以便系统能够按设定的运动模式命令实现高精度的位置伺服。最后在搭建的开关阀PWM控制系统平台上进行了调试和实验,实验结果与仿真结果基本吻合,证明了系统设计的正确性,根据硬件实验结果进行的提高精度及分辨率的控制策略研究增强了系统伺服的准确性。课题研究成果在气动伺服控制领域有一定理论意义,研发产品本身也有广阔的市场应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 气动伺服控制技术的发展
• 1.2.1 气动控制系统结构及发展
• 1.2.2 各种控制阀的特点及发展
• 1.2.3 开关阀的分类
• 1.2.4 开关阀控制系统国内外研究现状
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 开关阀PWM 气缸控制系统相关理论研究
• 2.1 单阀PWM 控制气缸系统结构
• 2.2 高速开关阀概述
• 2.2.1 高速开关电磁阀工作原理
• 2.2.2 高速开关阀动态特性与静态特性
• 2.3 脉宽调制式开关阀控制技术
• 2.3.1 脉宽调制式开关阀控制及其工作原理
• 2.3.2 气动脉宽调制系统的优点
• 2.4 本章小结
• 第3章 开关阀PWM 气缸控制系统模型及仿真
• 3.1 阀控气缸系统的开关控制模型
• 3.1.1 高速开关阀的模型
• 3.1.2 阀控气缸系统的模型
• 3.2 单端封闭阀控气缸的PWM 控制仿真分析
• 3.2.1 Matlab/Simulink 仿真环境简介
• 3.2.2 单气源PWM 工作方式
• 3.2.3 双气源PWM 工作方式
• 3.2.4 仿真总结
• 3.3 本章小结
• 第4章 开关阀PWM 气缸控制系统设计
• 4.1 系统硬件结构设计
• 4.2 硬件电路设计及器件选择
• 4.2.1 单片机控制及数据采集模块
• 4.2.2 键盘显示模块
• 4.2.3 开关阀驱动模块
• 4.2.4 阀控气缸系统
• 4.3 控制驱动系统原理图
• 4.4 控制系统软件设计
• 4.4.1 编程语言和开发环境
• 4.4.2 PWM 信号产生程序设计
• 4.4.3 键盘显示程序设计
• 4.4.4 数据采集程序设计
• 4.4.5 控制系统程序设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 开关阀PWM 气缸控制系统硬件调试及实验
• 5.1 系统结构及实验设备
• 5.2 调试方法及实验结果
• 5.2.1 调试方法及步骤
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢