精密氣動比例壓力閥的關鍵技術研究.pdf

1、近年來，國內氣動技術發(fā)展迅速，在常規(guī)氣動元件的研發(fā)方面取得了顯著成績，部分產品的質量和性能已達到世界先進水平，但在比例閥、伺服閥等高端氣動元件的研發(fā)上則相對滯后，多停留在理論和實驗室階段，目前市場上尚未見到有性能良好的相關產品出現(xiàn)。氣動比例壓力閥因為具有動態(tài)特性好、控制精度高和易于電氣集成等特點，在氣動壓力、速度、輸出力和伺服定位等控制領域中獲得了廣泛的應用，遺憾的是現(xiàn)階段氣動比例壓力閥的制造技術僅掌握在FESTO、 SMC等少數(shù)國外大

2、公司手中，國內使用的氣動比例壓力閥多依賴于進口。因此，開展氣動比例壓力閥所涉及的系列關鍵技術的研究，研發(fā)具有自主知識產權的比例壓力閥產品，對實現(xiàn)我國氣動比例控制元件自主化以及推動國內氣動技術的發(fā)展具有重要的意義。
　　本課題以一種調壓范圍在0～600 kPa的比例電磁鐵驅動的直動式氣動比例壓力閥為對象，用理論-仿真-實驗三者相結合的研究方法，系統(tǒng)的探討了該閥的結構設計與數(shù)字比例控制器的設計方法。通過有限元和集總參數(shù)建模相結合的方法

3、分析了系統(tǒng)的關鍵參數(shù)對閥的靜、動態(tài)特性的影響以及系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性。針對快速壓力調節(jié)和高精度壓力調節(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)。最后將所設計比例壓力閥應用于氣缸軌跡跟蹤控制的研究中，對樣機的實際工作性能進行了試驗驗證。本文分為七個章節(jié)，現(xiàn)

4、將各章內容分述如下:
　　第一章，詳細分析了氣動比例控制技術的發(fā)展狀況，指出了氣動比例壓力閥在比例控制技術中的重要地位;按不同的結構和應用場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用等方面總結了與氣動比例壓力閥相關的研究進展;最后概括了本課題的研究意義及主要研究內容。
　　第二章，詳細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成的比例壓力閥樣

5、機的設計方法，闡述了負載對該閥輸出性能的影響，指出了對其進行壓力閉環(huán)控制的必要性。設計了比例壓力閥的數(shù)字比例控制器，包含電源模塊、信號調理模塊、電流檢測模塊與驅動模塊等，并利用改進的PID+anti-windup算法實現(xiàn)了電磁鐵線圈電流的閉環(huán)控制。詳述了氣動比例壓力閥的綜合開發(fā)平臺的設計，并利用該平臺對樣機進行了開環(huán)性能研究。
　　第三章，首先建立了比例壓力閥樣機的從氣源到負載的完整的非線性數(shù)學模型，采用了基于有限元-集總參數(shù)分析

6、的混合模型對比例電磁鐵動態(tài)性能進行建模，并分別對閥芯的運動特性與樣機的氣路結構進行了分析;其次通過仿真與實驗結果的對比驗證了模型的有效性;接著計算分析了關鍵氣路結構參數(shù)對樣機性能的影響;最后，利用PI控制器通過仿真研究了樣機的閉環(huán)控制特性。
　　第四章，針對輸出壓力的快速調整及在輸出流量突變下的快速恢復，設計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構成，其中LTD用于對反饋壓力信號進

7、行濾波和微分處理，模糊PD控制器用于實現(xiàn)對設定值的穩(wěn)定跟蹤，魯棒控制項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。數(shù)值仿真和實驗結果表明NRFPD是有效的，具備良好的實際工作性能。
　　第五章，首先分析了一種比例電磁鐵直接驅動的截止式氣動比例壓力閥樣機的輸出壓力控制器的設計難點;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反饋的模擬電路實現(xiàn);為了實現(xiàn)對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:當誤差較大時，利用ADRC進行控制;當誤差較小時，則切換至非線性PI控制器進行控制。同時，本文也引入了參考信號的規(guī)劃來進一步改善壓力輸出的動態(tài)性能。最后通過大量的實驗表明，所設計的控制器具有很高的輸出壓力控制精度，而且在下游負載變化時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比例壓力閥的閥控缸實驗系統(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;接著針對閥控缸實驗系統(tǒng)