基于壅塞特性的开关阀控气动系统研究

发布时间：2017-09-13 05:13

  本文关键词：基于壅塞特性的开关阀控气动系统研究

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【摘要】：凭借高性能、低成本、无污染等显著优点,气动技术被广泛应用于制药、包装、半导体等自动化生产程度较高的领域。但由于受气体的压缩性大、系统刚度低以及摩擦力复杂等因素的影响,气动系统很难达到理想的控制精度和响应时间。针对气体控制体积较小的气动系统,为了能够简化系统模型降低应用成本,同时提高系统运动稳定性以及对负载变化的适应性,本文对气动元件流量特性中的壅塞现象加以研究并将其应用在开关阀控气动系统中,具体研究内容如下:首先对壅塞原理进行了阐述,并根据气体能量方程、连续性方程以及状态方程等推导出壅塞流动的相关特性。通过气动元件流量特性测定的国家标准GB/T14513对一种小孔节流阀进行流量特性试验,根据试验获得小孔节流阀的等效截面积和临界压力比,并分析高速开关阀与小孔节流阀串联后的流量特性情况。然后研究在传统开关阀控气动系统中加入小孔节流阀,使其达到减小输出流量以适应小型控制体积的目的,并通过设置一定的系统参数条件使其产生壅塞气流来驱动气缸运动。对基于壅塞特性的开关阀控气动系统(文中简称壅塞气动系统)进行结构与原理介绍,并别对系统中的高速开关阀与气缸建立相关的数学模型。利用壅塞状态气体质量流量不变的特性,对壅塞气动系统进行驱动特性研究。计算不同参数及负载条件下气缸位移、速度以及压力变化情况,分析这些条件的变化对气缸动态特性的影响。由于输入气缸并驱动气缸运动的气体具有质量流量稳定性,因此可以对系统模型中的气体质量流量方程进行简化,获得气缸速度、系统压力以及进气等效截面积的数学关系表达式。根据气缸行程与时间的要求,可以直接推导出壅塞气动系统所对应的系统压力以及进气等效截面积这两个主要参数。此外针对两种不同类型负载的气缸,根据不同的行程时间要求设计了壅塞气动系统所对应的参数,通过将参数代入系统进行仿真获得了预期的驱动效果。除了驱动特性的研究,还对壅塞气动系统进行位置控制研究。对系统中的高速开关阀采用PWM控制并进行位置控制仿真,分析气源压力、进气等效截面积、定位位置、控制精度等因素的变化对气缸运动稳定性以及定位精度的影响。选取两种不同类型的负载对壅塞气动系统以及常规气动系统进行仿真对比,结果显示两种系统在动态特性以及定位精度上所对应的影响是不同的。对于惯性负载,壅塞气动系统在运动稳定性和定位精度方面所受的影响均比常规气动系统小,但对于恒定外力负载,壅塞气动系统的定位精度低于常规气动系统。本课题以一个独特的方向研究了开关阀控气动系统,获得了一些基础性的研究成果,但还需要在今后的研究与应用中不断的深入和完善。
【关键词】：壅塞流 气动系统 动态特性 仿真
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH138;TH134
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 气动技术概述8
• 1.2 气动技术发展趋势8-9
• 1.3 气动系统国内外研究现状9-11
• 1.3.1 比例/伺服阀控系统9-11
• 1.3.2 开关阀控系统11
• 1.4 壅塞特性相关研究现状11-12
• 1.5 课题研究目的与意义12
• 1.6 课题主要研究内容12-14
• 第二章 壅塞特性研究14-27
• 2.1 壅塞产生原理14-15
• 2.2 壅塞相关特性15-19
• 2.2.1 临界压力比16-18
• 2.2.2 临界速度18
• 2.2.3 壅塞质量流量18-19
• 2.3 壅塞特性试验19-26
• 2.3.1 试验原理20-22
• 2.3.2 试验平台22-24
• 2.3.3 试验结果24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 壅塞气动系统建模与分析27-36
• 3.1 系统结构与工作原理27-28
• 3.2 壅塞气动系统建模28-34
• 3.2.1 高速开关阀数学模型28-30
• 3.2.2 气缸质量流量方程30-31
• 3.2.3 气缸两腔能量方程31-33
• 3.2.4 气缸摩擦力模型33-34
• 3.2.5 气缸运动学方程34
• 3.3 本章小结34-36
• 第四章 壅塞气动系统驱动特性研究36-46
• 4.1 驱动仿真模型36-37
• 4.2 驱动仿真分析37-42
• 4.3 驱动参数设计42-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 壅塞气动系统位置控制研究46-59
• 5.1 控制系统基本要求46
• 5.2 高速开关阀PWM控制原理46-47
• 5.3 位置控制仿真模型47-49
• 5.4 系统参数对位置控制的影响49-54
• 5.4.1 气源压力的影响50-51
• 5.4.2 进气等效截面积的影响51-52
• 5.4.3 定位位置的影响52-53
• 5.4.4 控制精度的影响53-54
• 5.5 负载适应性对比分析54-58
• 5.5.1 惯性负载54-56
• 5.5.2 外力负载56-58
• 5.6 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 论文总结59
• 6.2 论文展望59-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-65
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 丁英涛;谢君堂;仲顺安;;微型喷管内气体流动的流量壅塞现象[J];北京理工大学学报;2006年12期

2 李强;冯明霞;邹宗树;沈峰满;;壅塞现象法测量气粉两相流音速[J];东北大学学报(自然科学版);2007年10期

3 袁文全;巩岩;;精密气动定位系统的发展及应用[J];光机电信息;2011年08期

4 韩建海,张河新;气动比例/伺服控制技术及应用[J];机床与液压;2001年01期

5 马延峰;张百海;彭光正;;气缸运动建模及爬行现象判别[J];机床与液压;2006年07期

6 王干永;章军;宋浩;;小型缸的气-液串联复合驱动系统的动态仿真[J];机床与液压;2007年03期

7 胡杰;许昌;;高速开关阀的气缸定位控制[J];机械设计与研究;2011年06期

8 王祖温,孟宪超,包钢;基于QFT的开关阀控气动位置伺服系统鲁棒控制[J];机械工程学报;2004年07期

9 柏艳红;李小宁;;气动位置伺服系统状态反馈控制的改进[J];机械工程学报;2009年08期

10 孔祥臻;蒋守勇;李永斌;;气动比例系统的智能混合控制[J];机械工程学报;2009年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘庆堂;高压天然气管网动态模拟与壅塞流动特性研究[D];山东大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 杨海锋;基于RBF神经网络的气动位置伺服系统的研究[D];昆明理工大学;2010年

2 陶湘厅;基于CMAC神经网络的气动位置伺服系统研究[D];昆明理工大学;2009年

3 游绍文;气动伺服机间输送机的研制[D];重庆大学;2005年

4 孙佳;开关阀控气缸模型及PWM控制系统的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

5 胡杰;基于PWM高速开关阀的气缸位置控制的研究[D];中国计量学院;2012年

6 董盛昕;开关阀控双作用式气动阀门定位器控制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

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本文编号：841715