精密氣動(dòng)比例壓力閥的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，國(guó)內(nèi)氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展迅速，在常規(guī)氣動(dòng)元件的研發(fā)方面取得了顯著成績(jī)，部分產(chǎn)品的質(zhì)量和性能已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但在比例閥、伺服閥等高端氣動(dòng)元件的研發(fā)上則相對(duì)滯后，多停留在理論和實(shí)驗(yàn)室階段，目前市場(chǎng)上尚未見(jiàn)到有性能良好的相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。氣動(dòng)比例壓力閥因?yàn)榫哂袆?dòng)態(tài)特性好、控制精度高和易于電氣集成等特點(diǎn)，在氣動(dòng)壓力、速度、輸出力和伺服定位等控制領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，遺憾的是現(xiàn)階段氣動(dòng)比例壓力閥的制造技術(shù)僅掌握在FESTO、 SMC等少數(shù)國(guó)外大

2、公司手中，國(guó)內(nèi)使用的氣動(dòng)比例壓力閥多依賴于進(jìn)口。因此，開(kāi)展氣動(dòng)比例壓力閥所涉及的系列關(guān)鍵技術(shù)的研究，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的比例壓力閥產(chǎn)品，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)氣動(dòng)比例控制元件自主化以及推動(dòng)國(guó)內(nèi)氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
　　本課題以一種調(diào)壓范圍在0～600 kPa的比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)的直動(dòng)式氣動(dòng)比例壓力閥為對(duì)象，用理論-仿真-實(shí)驗(yàn)三者相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)的探討了該閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)字比例控制器的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)有限元和集總參數(shù)建模相結(jié)合的方法

3、分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)閥的靜、動(dòng)態(tài)特性的影響以及系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性。針對(duì)快速壓力調(diào)節(jié)和高精度壓力調(diào)節(jié)的不同需求，分別提出了新型魯棒模糊PD控制算法(Novel Robust Fuzzy PD control，NRFPD)和自抗擾PI控制算法(Active Disturbance Reject PI control，ADRPI)。最后將所設(shè)計(jì)比例壓力閥應(yīng)用于氣缸軌跡跟蹤控制的研究中，對(duì)樣機(jī)的實(shí)際工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。本文分為七個(gè)章節(jié)，現(xiàn)

4、將各章內(nèi)容分述如下:
　　第一章，詳細(xì)分析了氣動(dòng)比例控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，指出了氣動(dòng)比例壓力閥在比例控制技術(shù)中的重要地位;按不同的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合分析了比例壓力閥的研究現(xiàn)狀;從數(shù)值仿真、比例控制器、控制策略以及具體應(yīng)用等方面總結(jié)了與氣動(dòng)比例壓力閥相關(guān)的研究進(jìn)展;最后概括了本課題的研究意義及主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，詳細(xì)分析了由比例電磁鐵、活塞式閥芯、兩位三通式閥體、反饋彈簧、壓力傳感器以及比例控制器等主要部件構(gòu)成的比例壓力閥樣

5、機(jī)的設(shè)計(jì)方法，闡述了負(fù)載對(duì)該閥輸出性能的影響，指出了對(duì)其進(jìn)行壓力閉環(huán)控制的必要性。設(shè)計(jì)了比例壓力閥的數(shù)字比例控制器，包含電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、電流檢測(cè)模塊與驅(qū)動(dòng)模塊等，并利用改進(jìn)的PID+anti-windup算法實(shí)現(xiàn)了電磁鐵線圈電流的閉環(huán)控制。詳述了氣動(dòng)比例壓力閥的綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并利用該平臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了開(kāi)環(huán)性能研究。
　　第三章，首先建立了比例壓力閥樣機(jī)的從氣源到負(fù)載的完整的非線性數(shù)學(xué)模型，采用了基于有限元-集總參數(shù)分析

6、的混合模型對(duì)比例電磁鐵動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行建模，并分別對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)特性與樣機(jī)的氣路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析;其次通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性;接著計(jì)算分析了關(guān)鍵氣路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)樣機(jī)性能的影響;最后，利用PI控制器通過(guò)仿真研究了樣機(jī)的閉環(huán)控制特性。
　　第四章，針對(duì)輸出壓力的快速調(diào)整及在輸出流量突變下的快速恢復(fù)，設(shè)計(jì)了一種新型魯棒模糊PD控制器，主要由線性微分跟蹤器(LTD)、模糊PD控制器和魯棒控制項(xiàng)構(gòu)成，其中LTD用于對(duì)反饋壓力信號(hào)進(jìn)

7、行濾波和微分處理，模糊PD控制器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的穩(wěn)定跟蹤，魯棒控制項(xiàng)用于將壓力控制的穩(wěn)態(tài)誤差減小到系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NRFPD是有效的，具備良好的實(shí)際工作性能。
　　第五章，首先分析了一種比例電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)的截止式氣動(dòng)比例壓力閥樣機(jī)的輸出壓力控制器的設(shè)計(jì)難點(diǎn);其次提出了基于電流環(huán)/壓力環(huán)的雙閉環(huán)控制的總體方案，電流環(huán)采用基于電流比例負(fù)反饋的模擬電路實(shí)現(xiàn);為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的高精度控制，壓力環(huán)采用ADRP

8、I控制算法，可分為兩部分:當(dāng)誤差較大時(shí)，利用ADRC進(jìn)行控制;當(dāng)誤差較小時(shí)，則切換至非線性PI控制器進(jìn)行控制。同時(shí)，本文也引入了參考信號(hào)的規(guī)劃來(lái)進(jìn)一步改善壓力輸出的動(dòng)態(tài)性能。最后通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的控制器具有很高的輸出壓力控制精度，而且在下游負(fù)載變化時(shí)也能保證的壓力控制的精度和穩(wěn)定性。
　　第六章，首先搭建了基于氣動(dòng)比例壓力閥的閥控缸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并分析了系統(tǒng)的組成原理;其次建立了系統(tǒng)的非線性狀態(tài)空間模型;接著針對(duì)閥控缸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)