开关阀控双作用式气动阀门定位器控制研究

摘要

气动控制系统在工业自动化生产中已经得到了广泛应用。本文所研究的开关阀控双作用式气动阀门定位器,是工业生产自动化过程控制仪器仪表的重要组成部分。相比较于比例/伺服阀控系统,开关阀控系统具有价格便宜、抗污染能力强和维护方便等优点。由于气体压缩性、刚度低和系统摩擦力非线性等原因,气动控制系统很难获得较稳定的响应过程和精确的定位。为实现开关阀控气动定位系统较好的位置控制,使其满足一定的定位指标要求,本文针对这种气动阀门定位器的控制进行了相关研究,分析了系统相关特性并探究了该控制系统的工作原理方式和控制策略。具体研究内容如下:
　　首先本文采用二位二通开关阀搭建了开关阀控双作用气动阀门定位器的结构原理图,并对其进行了相关的机理建模分析,包括气缸两腔的流量连续性方程、能量方程和运动学方程,分析了气动系统易产生“爬行”现象的原因,最后重点分析了开关阀的阀口流量方程、阀芯的运动学方程和运动特性。
　　分析了PWM控制开关阀的工作原理,在此基础上,利用AMESim软件搭建了气动系统模型,探究了PWM开关阀控气动系统静态特性和稳态响应特性,并对所得到的静特性曲线进行了相关分析。利用AMESim软件搭建模型探究了开关阀控系统在双端单向驱动信号、双端同相和逆相驱动信号三种不同导通方式下,系统的稳态输出压力和压力波动特性曲线。
　　根据前文PWM开关阀控气动系统特性研究,分别探究了气动控制系统在上述三种不同导通方式下的控制特性,分析得到同相驱动方式对缓解爬行现象和纹波问题具有明显的优势,然后探究了系统参数对同相驱动方式的性能影响,如初始压力、管路长度、外负载等,并寻求系统的最佳可控参数。最后采用了同相PWM驱动+PD复合控制方式对系统进行位置控制。仿真结果表明系统定位时间小于5s,稳态误差不大于0.5％,并且具有较好的稳态特性。
　　搭建了开关阀控气动阀门定位器试验台,采用MATLAB/xPCTarget工具箱进行实时控制和数据采集,采用ATMEGA64单片机作为系统控制器,并使用C语言进行编程,然后对上述仿真结果进行了试验验证。试验表明,试验结果与系统仿真的结果具有较好的吻合性,且满足实际要求的性能指标。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 气动位置控制系统的组成与分类

1.3 气动位置控制系统研究现状及分析

1.4 本课题的研究内容

第2章 开关阀控气动阀门定位系统建模和分析

2.1 引言

2.2 开关阀控气动控制系统机理建模

2.3 本章小结

第3章 PWM开关阀控气动系统特性研究

3.1 引言

3.2 P WM方式开关阀的工作原理

3.3 P WM开关阀的静特性和稳态响应特性研究

3.4 P WM开关阀稳态输出压力特性研究

3.5 本章小结

第4章 PWM开关阀控气动定位系统控制探究

4.1 引言

4.2 P WM开关阀控气动定位系统导通方式探究

4.3 P WM开关阀控气动定位系统逆相驱动

4.4 P WM开关阀控气动定位系统同相驱动

4.5 系统参数对控制系统的影响

4.6 本章小结

第5章 开关阀控气动阀门定位器试验研究

5.1 引言

5.2 开关阀控气动系统试验台的搭建

5.3 开关阀控气动系统稳态输出压力试验验证

5.4 不同导通方式开关阀控气动系统试验对比

5.5 系统参数对控制系统的影响试验研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢