调节阀直驱式电液执行机构设计及控制研究

摘要

调节阀广泛应用于石化、能源、电力、航空航天、冶金等工业领域。调节阀由执行机构和阀门构成，执行机构推动阀杆对调节阀进行控制，对调节阀性能起到关键作用。其中，电液执行机构以其良好的控制性能可以满足工业发展的需求，拥有广阔的市场前景。当前国内高性能电液执行机构大部分依赖进口，开发出拥有独立知识产权的高性能电液执行机构迫在眉睫。在“舰船调节阀附加耦合负载补偿与高频动态流量自感知机理研究”的项目支持下，本文针对一种新型调节阀直驱式电液执行机构，开展了以下研究。
　　首先，设计并研制出一种基于直驱式容积控制(DDVC:Direct Driving Volume Control)的调节阀电液执行机构（以下简称直驱式电液执行机构）。对直驱式电液执行机构所需元器件进行匹配计算和选型，设计出了一套结构紧凑，集成度高的调节阀直驱式电液执行机构泵控系统。
　　其次，根据控制系统的要求和特点，开发出一套以STM32F103单片机为控制核心的控制器。设计了人机交互、数据采集等几大功能，在EDA软件中完成了硬件电路的设计，在Keil软件中完成主程序及子程序编程，并且开发了上位机，能够与控制器数据通信。控制器结合泵控系统，完成了调节阀直驱式电液执行机构的设计。
　　再次，根据所设计电液执行机构的结构及其性能参数，建立执行机构的数学模型，包括伺服电机、泵控缸、传感器等环节，推导出执行器控制系统的传递函数，建立输入信号、执行机构输出位移、负载之间的数学关系。通过MATLAB绘制系统的开环Bode图，判定系统稳定性良好，稳定裕度较大。
　　最后，对调节阀直驱式电液执行机构的控制策略进行改进研究。采用花授粉算法对PID控制器参数进行整定，在MATLAB环境下建立Simulink模型仿真验证。仿真结果表明，与传统的Z-N法相比，采用花授粉算法整定PID参数，其性能提升，满足高性能调节阀的使用需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 液压传动技术与DDVC电液伺服系统

1．3．1 液压传动技术

1．3．2 DDVC电液伺服系统

1．3．3 DDVC电液伺服系统发展现状

1．4 本文主要内容

第2章 直驱式电液执行机构设计

2．1 直驱式电液执行机构的工作原理

2．2 直驱式电液执行机构泵控系统设计

2．2．1 液压缸设计

2．2．2 双向齿轮泵的计算选型

2．2．3 伺服电机选型

2．2．4 油箱的设计

2．2．5 过滤器的选择

2．2．6 液压阀的选择

2．2．7 执行机构泵控系统结构设计

2．3 直驱式电液执行机构控制方式选择

2．4 本章小结

第3章 直驱式电液执行机构控制器的研究

3．1 功能设计要求

3．2 控制器的硬件设计

3．2．1 控制器的控制核心

3．2．2 时钟电路和复位电路

3．2．3 JTAG接口电路

3．2．4 数据采集模块

3．2．5 RS232串口电路

3．2．6 人机交互模块

3．2．7 存储模块

3．2．8 报警电路

3．2．9 伺服电机控制模块

3．3 控制器的软件设计

3．3．1 系统开发环境

3．3．2 系统主程序

3．3．3 子模块程序

3．3．4 基于LABVIEW环境的上位机开发

3．4 直驱式电液执行机构的搭建

3．5 本章小结

第4章 直驱式电液执行机构的数学模型

4．1 永磁交流伺服电机系统数学模型

4．2 泵控缸的数学模型

4．3 执行机构力平衡数学模型

4．4 传感器数学模型

4．5 执行机构的传递函数

4．6 系统稳定性分析

4．7 本章小结

第5章 直驱式电液执行机构控制策略的研究

5．1 PID控制器的结构和原理

5．2 PID控制器参数整定概述

5．3 花授粉算法的基本原理

5．3．1 花授粉算法的基本模型

5．3．2 花授粉算法基本步骤

5．4 花授粉算法整定PlD参数原理

5．5 参数整定过程及结果仿真分析

5．5．1 整定过程

5．5．2 系统的阶跃响应

5．5．3 系统的跟踪性能

5．5．4 系统的抗干扰性能

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 主要创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢