精密火工品压药设备关键技术及气动压药机控制系统研究与应用

论文摘要

火工品是武器、弹药和其他爆炸、燃烧系统的关键部件。压药是火工品生产的关键技术,压药压力,加压速度,压力精度和保压时间等参数影响火工品生产质量。研制出生产效率高,可靠性好的火工品生产工艺和设备对提高我国火工品生产能力和生产水平具有非常重要的意义。本课题来源于航天科技集团川南机械厂精密压药机项目,研究对象为不同系列的两台压药机,包括压力精度较高的电动压药机和精度相对较低的气动压药机。对火工品压药设备压药工艺的关键技术和气动压药机整体系统特别是控制系统进行了深入研究,完成了以下工作:（1）研究了火工品药剂的力学特性。使用线性缓冲器改善火工品药剂在压药过程中存在的非线性和蠕变特性。研究了不同缓冲器的性能特点,论证了使用O形线性缓冲器的合理性和必要性。（2）建立了O形缓冲器有限元力学分析模型,在有限元分析软件ANSYS中对不同几何尺寸的O形缓冲器的静载强度和屈服极限做数值分析,得到缓冲器几何尺寸与缓冲器刚度之间的定量关系,并使用TableCurve 3D软件对结果做数值拟合,得到缓冲器几何尺寸与缓冲器刚度之间的拟合公式。公式表明,增加O形线性缓冲器刚度的最有效方法是增加缓冲器壁厚,而不是增加缓冲器宽度或减少缓冲器外直径。在此基础上按照相应尺寸制造出了缓冲器实物并设计了求取缓冲器屈服极限的实验。对比有限元仿真结果与试验结果,两者吻合较好,证明了有限元方法的有效性。实际使用结果显示,O形弹簧缓冲器可以有效吸收冲击载荷,改善系统的非线性特性,提高压力控制精度。（3）针对另一种对压力要求精度较低的场合,从系统性能需求出发,分析并设计了气动压力机的系统特别是控制系统结构组成,设计控制系统软件。（4）以气动压力机为实验平台,进行了基于开环阶跃响应的过程控制实验,获取了大量实验数据。根据这些数据,建立系统的广义开环传递函数数学模型。依据不同的控制要求,使用经典控制理论的控制系统优化方法,即超前-滞后校正方法和PID调节,对控制系统做相关校正,求取了校正参数,得到了校正后的系统传递函数。使用Matlab系统仿真软件,得到校正后系统的时域响应指标,证明了系统校正的有效性,为以后的控制系统设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 选题的目的与意义
• 1.4 研究内容
• 2 压力控制系统关键技术
• 2.1 火工品药剂特性及改善方法
• 2.2 压力控制系统的动力学模型
• 2.2.1 带有缓冲器结构的精密压药系统
• 2.2.2 缓冲器机构的动力学模型
• 2.3 缓冲器机理及通用缓冲器分析
• 2.3.1 缓冲器原理及其性能评价分析
• 2.3.2 液压缓冲器应用分析
• 2.3.3 橡胶缓冲器应用分析
• 2.3.4 圆柱螺旋弹簧缓冲器应用分析
• 2.4 小结
• 3 O 形线性缓冲器有限元分析研究
• 3.1 有限元基础理论分析
• 3.1.1 微小体元的力平衡方程
• 3.1.2 形变的几何方程
• 3.1.3 材料的物理方程
• 3.2 O 形线性缓冲器有限元分析
• 3.2.1 缓冲器的有限元模型
• 3.2.2 缓冲器静载特性分析
• 3.3 数据处理与拟合
• 3.4 缓冲器应用分析
• 3.5 小结
• 4 气动压力机系统设计
• 4.1 系统指标及组成
• 4.1.1 系统特点及主要技术指标
• 4.1.2 系统组成
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 控制系统组成
• 4.2.2 控制系统硬件选型
• 4.3 控制系统软件设计
• 4.3.1 控制软件系统的功能及结构
• 4.3.2 软件界面设计
• 4.3.3 数据采集子系统
• 4.3.4 压药过程子系统
• 4.3.5 网络通讯子系统
• 4.5 安全系统设计
• 4.6 小结
• 5 气动压力机控制系统研究
• 5.1 基于开环阶跃响应的过程控制系统建模理论基础
• 5.1.1 过程控制及系统辨识原理
• 5.1.2 基于开环阶跃相应曲线的建模方法
• 5.2 开环阶跃响应的实验数据的获取及分析
• 5.2.1 开环阶跃响应实验设计
• 5.2.2 开环阶跃响应实验的软件实现
• 5.2.3 实验数据分析
• 5.3 系统模型的建立与分析
• 5.3.1 压药机系统的数学模型
• 5.3.2 压药机系统数学模型的时域和频域分析
• 5.4 控制系统的超前-滞后校正及PID 控制控制参数整定
• 5.4.1 控制系统的频率特性与超前-滞后校正
• 5.4.2 控制系统的PID 整定
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录