壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的研究.pdf

1、氣動比例壓力閥是實現(xiàn)連續(xù)控制及氣、電、機一體化的關鍵元件。其中，數(shù)字控制比例閥(簡稱數(shù)字閥)具有可直接與計算機連接，不需要D/A轉(zhuǎn)換器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點，因此得到越來越廣泛的應用且成為當前的研究熱點之一。但目前現(xiàn)有的脈沖開關式數(shù)字比例壓力閥通常采用高速電磁鐵為電-機械轉(zhuǎn)換器，這種驅(qū)動方式的數(shù)字比例壓力閥存在響應速度慢、穩(wěn)態(tài)精度差等缺點，無法滿足如快速燃氣噴射系統(tǒng)和精密氣動定位系統(tǒng)等需要快速響應高精度的場合。因此，迫切

2、需要研究一種新型的具有快速響應和高精度特性的數(shù)字比例壓力閥。論文從此實際需求出發(fā)，對所涉及的問題進行了全面、深入的理論和試驗研究。
　　 首先，論文通過深入分析了以電磁鐵為驅(qū)動器的傳統(tǒng)開關式數(shù)字比例壓力閥工作過程，指出了提高閥響應速度和控制精度的最根本途徑是提高驅(qū)動器的動態(tài)性能。為此，提出了一種新型的以壓電驅(qū)動代替電磁驅(qū)動、具有快速響應和高精度特性的壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的構(gòu)想。在功能需求分析基礎上，研究了其前置級壓電

3、快速驅(qū)動-位移放大、擺動開關擋板式先導閥結(jié)構(gòu)及膜片平衡式主閥結(jié)構(gòu)等關鍵技術(shù)；提出并實現(xiàn)了一種壓電驅(qū)動-放大、先導開關擋板高速通斷、膜片式主閥功率放大和壓力-電反饋的新型壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的總體結(jié)構(gòu)，并采用模塊化設計方法完成了該總體結(jié)構(gòu)的設計。設計了基于彈性鉸鏈的具能放大壓電疊堆輸出微位移的先導開關擋板機構(gòu)，并采用有限元分析方法對其進行了靜、動態(tài)特性和疲勞壽命等分析。
　　 為了分析壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的

4、靜、動態(tài)特性以及各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)等對其主要性能的影響，也為閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的合理設計提供理論依據(jù)，論文研究了其動態(tài)特性數(shù)學模型，并進行了相關的仿真研究。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比驗證了所建閥的數(shù)學模型及仿真模型是準確的。通過仿真研究，了解了閥工作過程中的靜、動態(tài)特性，明確了先導開關擋板行程、先導閥通流直徑和主閥芯通流直徑、閥腔室體積、PWM載波頻率及PID控制等對閥主要性能的影響，為后續(xù)的深入研究提供了理論指導。
　　

5、研制了壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥試驗樣機。在此基礎上，構(gòu)建了具有高速實時采集和數(shù)字比例控制功能的試驗控制系統(tǒng)，并對前置級壓電驅(qū)動-放大機構(gòu)、先導級擺動開關擋板閥、壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥進行了基本的開環(huán)靜、動態(tài)測試。試驗結(jié)果表明：前置級先導開關擋板放大機構(gòu)階躍上升時間約為0.57ms，階躍下降時間約為0.3ms，具有較快的響應速度和良好的工作頻寬；可通過控制PWM脈寬比數(shù)字控制先導級擺動開關擋板閥的出口流量，具有一定的實用

6、性，適用于小流量、控制精度要求不高的應用場合；所研制的壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的空載流量和出口壓力與脈寬比具有一定的線性度，且能實現(xiàn)大流量輸出。
　　 最后，為了提高壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥動態(tài)性能，提高其穩(wěn)態(tài)精度和降低壓力波動，對其進行了控制算法研究。采用了Bang-Bang開關控制和帶死區(qū)P+PWM復合控制算法，實現(xiàn)了閥的數(shù)字比例控制，但其穩(wěn)態(tài)控制性能較差，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差和壓力波動，特別是在有流量負載下。

7、通過試驗發(fā)現(xiàn)，數(shù)字閥的壓力響應延遲是影響閥性能的一個主要因素，為此，提出了PWM控制算法的一種改進形式：調(diào)整變位PWM法；并采用Bang-Bang控制+帶死區(qū)P+調(diào)整變位PWM復合控制算法對數(shù)字閥進行了控制。通過試驗驗證了其算法的有效性，能有效提高閥穩(wěn)態(tài)控制精度，大大降低壓力波動，特別是在有流量負載下，穩(wěn)態(tài)誤差由2kPa降為1kPa，壓力波動由15kPa降為5kPa。
　　 完成了所研制的壓電開關調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥試驗樣機