薄膜电子式电-气转换器转换模块与控制系统研究

摘要

电-气转换器是自控仪表和自控系统中进行信息转换和能量转换的核心元器件,主要用于电动单元组合仪表与气动单元组合仪表之间的信号转换,可将4~20mA(DC)电信号转换成10~120kPa的压力信号,以便实现对各种管路阀门等气动装置的自动控制,可广泛应用于石油、化工、冶金、轻工等部门.在综合分析国内外电-气外转换器相关领域研究现状后,研制开发了薄膜电子式电-气转换器,具有响应速度快,转换效率高等特点.薄膜电子式电-气转换器的转换装置采用全闭环磁路包容喷嘴/挡板结构,实现气路、磁路一体化;以中间有硬芯的平膜片作为挡板,提高了系统的动态响应特性.膜片在整个转换装置中是唯一可动的元件,对系统性能影响非常大,该文重点分析膜片的变形特性,受力特点,并以膜片为中心,将气路特性、磁路特性联系在一起,经过分析,喷嘴挡板间隙S和锥体位移L是影响转换模块性能的主要的因素,为进一步优化结构参数优化、优化工艺参数打下基础.采用的绝对误差意义下的贝叶斯估计对膜片可靠度进行了初步探讨.薄膜电子式电-气转换器以闭环比例积分为控制方式,以精密压力传感器提取反馈信号,利用电量的平衡、比较和调节,实现闭环实时控制,提高了电/气转换器的转换精度、转换速度和转换效率.该文对控制系统进行系统分析,建立了系统传递函数,从中可以了解系统稳定性、稳态误差和瞬态响应特性,为下一步进行计算机虚拟调试打下基础.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1电-气转换器综述

1.2电-气转换器国内外研究现状及发展趋势

1.2.1敏感元件、转换元件的研究现状

1.2.2电-气转换器国内外研究现状

1.3本课题的研究意义及主要研究内容

1.3.1本课题的来源及研究意义

1.3.2薄膜电子式电-气转换器的总体设计方案

1.3.3本文的主要研究内容

第2章薄膜电子式电-气转换器转换模块的研究

2.1基本结构及其转换原理

2.2喷嘴-挡板机构及其气路特性的研究

2.2.1喷嘴-挡板机构的工作原理

2.2.2喷嘴挡板机构的静特性及其改善方法

2.2.3背压式气路的特性分析

2.2.4背压气路的结构参数选择原则

2.3膜片的选择和计算分析

2.3.1弹性元件结构及材料的选择

2.3.2平膜片弯曲问题的数学模型

2.3.3平膜片的解析解

2.4磁路分析与计算

2.4.1磁路的概念与基本定律

2.4.2磁阻的计算

2.4.3电磁力的计算

2.5膜片的受力分析

2.6平膜片的性能试验和可靠性估计

2.6.1平膜片的性能试验

2.6.2平膜片的可靠性估计

2.7小结

第3章薄膜电子式电-气转换器控制系统的研究

3.1控制理论基础

3.1.1自动控制概述

3.1.2控制系统的数学模型

3.1.3控制系统分析方法

3.2调节控制电路分析

3.2.1调节控制电路设计方案

3.2.2控制信号输入电路

3.2.3系统调节控制及输出电路

3.2.4压力反馈电路

3.3电-气转换模块分析

3.3.1最小二乘法

3.3.2输入-输出关系的计算

3.3.3气动功率放大器

3.4整机控制系统分析

3.4.1整机传递函数

3.4.2系统的稳定性判断

3.4.3稳态误差计算

3.4.4控制系统的瞬态响应

3.4.5影响因素分析

3.5小结

第4章控制系统仿真

4.1MATLAB概述

4.2结构图设计

4.3 Simulink仿真参数设置

4.4结构图控制系统仿真

第5章电-气转换器整机实验及分析

第六章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表论文

附录

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