压电驱动精密流量阀控制系统的设计与研究

发布时间：2017-04-13 06:26

  本文关键词：压电驱动精密流量阀控制系统的设计与研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微流体精密控制在航空航天、深海探测、医药配比、军工国防等方面得到发展与应用,人们对高压微流体控制技术的要求也越来越高,以满足更小系统质量、体积及更高系统性能的需求。为了控制压电精密流量阀的流量,须对流量阀阀芯的开合作高精度调节,本文设计了压电驱动精密流量阀控制系统。压电陶瓷可以实现微纳米级高精度定位。本文先对压电精密流量阀控制系统的工作原理进行了分析,证明压电流量阀控制系统的实现可行性;依据压电陶瓷的电压驱动型硬件电路的原理,围绕高精度运放OPA277P与高压运放PA90构成的复合式高压运算放系统,设计了压电精密流量阀控制系统的硬件电路,测试结果证明该配套电路线性度良好、电压纹波低、动态响应快且可靠性高;本文又基于模糊自适应PID控制器,针对压电陶瓷具有复杂的非线性,具有较大的不确定性,较难获得精确的数学模型的特点,设计了压电精密流量阀控制系统的软件程序,并将其用于控制阀芯的精密定位。最后,采用数据采集卡进行电压数据采集,使用激光位移传感器用于测量封装压电陶瓷的位移,并通过传感器控制器输出位移信号到数据采集卡,形成闭环控制,搭建了实验测试系统。经过对压电陶瓷的开环输出特性和控制系统的闭环控制精度进行的测试;对PID控制、模糊PID控制试验的结果进行比对分析,结果表明:该控制系统具有超调量小、控制精度高、调整时间短、动态响应快、稳态误差小等特点。
【关键词】：压电陶瓷 流量阀 高压运放 模糊自适应PID DDS
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH134
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题研究背景及意义8-9
• 1.1.1 课题研究背景8
• 1.1.2 课题研究意义8-9
• 1.2 压电陶瓷的发展及应用9-11
• 1.2.1 压电陶瓷的发展9-10
• 1.2.2 压电陶瓷的应用10-11
• 1.3 压电陶瓷硬件驱动电路研究现状11-13
• 1.3.1 电流驱动型硬件电路12
• 1.3.2 电压驱动型硬件电路12-13
• 1.4 叠堆式压电陶瓷控制算法国内外研究现状13-14
• 1.5 本文主要研究内容14-16
• 第2章 压电驱动精密流量阀控制系统的工作原理16-25
• 2.1 压电驱动精密流量阀控制系统的工作原理16-17
• 2.2 叠堆式压电陶瓷的工作原理17-21
• 2.2.1 压电效应17-18
• 2.2.2 封装压电陶瓷的压电方程18-20
• 2.2.3 叠堆式压电陶瓷的有限元分析20-21
• 2.3 阀芯运动的数学分析21-24
• 2.3.1 控制信号放大环节22
• 2.3.2 封装压电陶瓷驱动环节22-23
• 2.3.3 阀芯运动环节23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 压电驱动精密流量阀控制系统的硬件设计25-42
• 引言25
• 3.1 压电驱动精密流量阀控制系统硬件电路结构25-27
• 3.2 信号处理与发生模块27-30
• 3.2.1 DDS信号发生模块27-28
• 3.2.2 AD9851模块电压输出调理28-29
• 3.2.3 DDS模块输出电压幅度调理29
• 3.2.4 数据采集与输出控制29-30
• 3.3 功率放大单元30-35
• 3.3.1 基准电源的选择30-31
• 3.3.2 低压稳压电源模块的电路设计31-32
• 3.3.3 高压稳压电源模块的电路设计32-34
• 3.3.4 两级电压线性放大模块的电路设计34-35
• 3.4 位移检测单元35-37
• 3.5 硬件电路的PCB设计37-38
• 3.6 硬件系统的仿真分析38-41
• 3.6.1 交流信号对系统的动态性能分析38-39
• 3.6.2 系统的线性度性能分析39-40
• 3.6.3 系统纹波分析40
• 3.6.4 系统稳定性分析40-41
• 3.7 本章小结41-42
• 第4章 压电驱动精密流量阀控制系统的软件设计42-57
• 4.1 压电驱动精密流量阀控制系统软件架构42-43
• 4.2 控制系统的显示程序设计43-44
• 4.2.1 控制系统界面43
• 4.2.2 数制转换程序设计43-44
• 4.3 数据采集与输出程序44-47
• 4.3.1 DAQmx数据采集与输出程序44-45
• 4.3.2 AD9851信号发生模块的程序设计45-46
• 4.3.3 LabVIEW中的串口通信程序设计46-47
• 4.4 PID控制器设计47-48
• 4.5 模糊PID控制器设计48-55
• 4.5.1 模糊控制策略的选择49
• 4.5.2 模糊化49-51
• 4.5.3 模糊规则51-54
• 4.5.4 去模糊化54-55
• 4.6 超限报警模块的设计55-56
• 4.7 本章小结56-57
• 第5章 实验测试57-63
• 5.1 压电流量阀控制系统硬件电路性能测试57-60
• 5.1.1 AD9851交流信号发生模块测试57-58
• 5.1.2 硬件电路的线性度性能分析58-59
• 5.1.3 系统纹波分析59-60
• 5.2 叠堆式压电陶瓷控制系统性能测试60-62
• 5.2.1 开环实验测试60-61
• 5.2.2 闭环实验测试61-62
• 5.3 本章小结62-63
• 第6章 结论与展望63-65
• 6.1 总结63-64
• 6.2 展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-69
• 攻读学位期间的研究成果69

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本文编号：303013