直驱燃气调节阀的控制技术研究

发布时间：2017-08-03 17:21

  本文关键词：直驱燃气调节阀的控制技术研究

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【摘要】：随着工业技术的发展,高响应、高精度的气动伺服控制技术的研究已成为一种迫切需求。由于驱动装置性能的制约,目前单级大功率电-气伺服阀及其高响应高精度控制技术的相关研究较少。本文以某种具有快响应速度、高定位精度性能要求的高压、大流量燃气调节阀控制系统为研究对象,提出了电磁直线执行器直接驱动燃气调节阀的设计方案,并通过仿真计算和样机试验深入研究了能实现高性能需求的控制算法。主要工作如下：1.直驱燃气调节阀的系统方案设计与建模。根据燃气调节阀高精度、高响应性能需求,提出了燃气调节阀的直接驱动方案并设计了相应的控制系统。分析了直驱燃气调节阀系统的工作原理,并对系统进行解耦以及合理简化,建立了其数学模型,为研究控制算法奠定基础。2.直驱燃气调节阀测试系统的研制。作为控制算法研究的重要前提,研制了直驱燃气调节阀测试系统,测试系统由电磁直线执行器,模拟负载,控制器等构成。3.研究了直驱燃气调节阀系统的逆系统+P1分段控制方法。首先,基于逆系统控制在系统的快速响应方面具有一定优势,采用逆系统控制对直驱燃气调节阀阀芯进行伺服控制,仿真发现这种控制策略稳态误差较大；然后,进一步提出了逆系统+P1分段控制方法,利用逆系统控制满足快速响应,PI控制满足定位精度。通过仿真和试验取得了预期的控制效果,但是这种控制策略结构不够稳定,扰动较大时容易引起超调。4.进一步研究了直驱燃气调节阀系统的滑模控制算法。为了增强控制系统的抗干扰能力和鲁棒性,首先提出了基于趋近率的滑模控制算法,针对趋近率滑模控制算法趋近模态对外部负载扰动不存在鲁棒性从而容易引起超调的问题；进一步提出了全局滑模控制算法,消除了趋近模态,但由于为了抑制较大的负载扰动,系统控制输入的“抖振”较大。最后,提出了基于扩张观测器的滑模控制算法,利用扩张观测器对系统总和扰动进行观测,再在滑模控制器中进行补偿,不仅平滑了控制输入,而且大大地提升了系统的抗干扰能力和鲁棒性。研究的直驱燃气调节阀系统已进行了初步的气动试验,达到了高响应速度、高定位精度等性能指标,取得良好的效果。
【关键词】：直驱燃气调节阀 电磁直线执行器 逆系统控制 滑模控制
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH138.52
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 课题来源及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势12-18
• 1.2.1 直驱阀用驱动装置12-16
• 1.2.2 直驱伺服控制技术16-18
• 1.3 本文的主要研究内容与结构18-20
• 2 系统方案设计与建模20-27
• 2.1 引言20
• 2.2 直驱燃气调节阀对驱动装置及控制系统的要求20-21
• 2.2.1 对驱动装置的要求20
• 2.2.2 对控制系统的要求20-21
• 2.3 直驱燃气调节阀系统方案设计21-23
• 2.3.1 驱动装置方案设计21-22
• 2.3.2 控制系统方案设计22-23
• 2.4 直驱燃气调节阀系统的数学建模23-26
• 2.4.1 直驱燃气调节阀的数学模型23-24
• 2.4.2 摩擦力模型24-25
• 2.4.3 直驱燃气调节阀的仿真模型25-26
• 2.4.4 系统参数的确定26
• 2.5 本章小结26-27
• 3 直驱燃气调节阀的测试系统研制27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 电磁直线执行器直驱燃气调节阀样机27-31
• 3.2.1 电磁直线执行器直驱燃气调节阀样机制作27-29
• 3.2.2 电磁直线执行器性能测试29-31
• 3.3 控制系统实现31-38
• 3.3.1 控制系统的结构设计31-32
• 3.3.2 控制系统的硬件实现32-37
• 3.3.3 控制系统的软件实现37-38
• 3.4 测试系统搭建38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 4 直驱燃气调节阀的逆系统+PI分段控制研究40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 直驱燃气调节阀位移分段控制方案40-41
• 4.3 逆系统控制41-45
• 4.3.1 逆系统控制基本原理和方法41
• 4.3.2 直驱燃气调节阀逆系统的求解41-42
• 4.3.3 伪线性系统的建立42-43
• 4.3.4 伪线性系统的状态反馈控制43-45
• 4.4 PI控制45-46
• 4.5 系统分段控制器结构46
• 4.6 对比仿真研究46-48
• 4.6.1 不同控制算法的的对比分析46-47
• 4.6.2 扰动抑制能力47-48
• 4.7 试验结果分析48-49
• 4.8 本章小结49-50
• 5 直驱燃气调节阀的滑模控制研究50-72
• 5.1 引言50
• 5.2 滑模控制基本理论50-51
• 5.2.1 滑模控制原理及设计50-51
• 5.2.2 滑模控制系统的“抖振”问题51
• 5.3 基于指数趋近率的滑模控制51-54
• 5.3.1 直驱燃气调节阀状态空间模型51
• 5.3.2 切换函数及趋近率设计51-52
• 5.3.3 滑模控制器稳定性分析52
• 5.3.4 系统仿真52-54
• 5.4 全局滑模控制54-60
• 5.4.1 直驱燃气调节阀系统状态空间模型54
• 5.4.2 全局滑模控制器设计54-56
• 5.4.3 系统仿真56-60
• 5.5 基于扩张观测器的滑模控制60-71
• 5.5.1 基于ESO的滑模控制总体设计60-61
• 5.5.2 基于ESO的二阶系统∑x的滑模控制61-63
• 5.5.3 基于ESO的一阶系统∑i的滑模控制63-64
• 5.5.4 基于ESO的滑模控制结构图64-65
• 5.5.5 基于ESO的滑模控制仿真与试验65-71
• 5.6 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 工作总结72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 附录79

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本文编号：615477