压电先导型气动阀位置比例控制系统研究

发布时间：2020-10-13 11:14

　　 内窥镜是现在医疗检查必不可少的仪器之一,内窥镜镜头的视场、观察角度、方向等都是可以通过扶镜系统进行调节的。气动调节阀因控制简单,反应快速,本质安全,不需另外采取防爆措施等被广泛应用于工业过程控制中。压电阀灵敏度高、稳定性好,易于实现开关量或比例式调节,易于实现压力反馈、本安和定位精度高,更是被广泛应用于气动调节过程。研究压电先导型气动阀位置比例控制系统,逆将其应用于医疗内窥镜扶镜系统中。叠层压电驱动器采用压电弯曲片的逆压电效应,常用作压电先导阀中,其驱动能力要大于普通的双晶片。随着技术的发展,希望叠层压电驱动器要满足低压驱动和高可靠性的要求。为了满足对叠层压电驱动器新的技术要求,本文在传统叠层压电陶瓷的基础上增加了自身变形检测单元,设计了一种新的低压叠层压电驱动器。对压电驱动器包括所设计的低压叠层压电驱动器和压电双晶片驱动器的原理及性能做了详细的仿真和分析,然后对基于压电驱动器的压电式先导喷嘴挡板阀的结构及优化进行了分析。在此基础上设计了压电式电气比例阀的控制系统及其硬件驱动电路,采用压力反馈的闭环控制实现气压随控制信号等比例变化。该阀与气缸相连,构建基于压电气动阀的位置比例控制系统,利用位移传感器反馈构成闭环控制系统实现气缸位移随位移设定信号等比例变化。该系统采用双闭环控制方式,提出了有效的控制模型和控制算法。数据采集卡采集设定值位移信号和气缸反馈位移信号在Simulink Real_time模块中实时进行PID参数整定与控制输出,且该输出信号作为压电式电气比例阀的控制信号。本文搭建了压电先导型气动阀位置比例控制系统实验平台,并对系统进行了测试,通过位移闭环控制和迟滞逆补偿减小系统位移误差,改善了系统的控制效果。结果表明,该控制方法在一定程度上减小了位移误差,最大位移误差达到0.31cm,气缸正反行程位移误差有所不同,在进行位移标定时有必要进行校正。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH77
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 研究内容
第二章 压电先导阀结构分析及优化设计
    2.1 压电驱动器的原理及性能
        2.1.1 压电驱动器
        2.1.2 压电驱动器的工作原理
        2.1.3 压电弯曲片物理特性仿真分析
        2.1.4 压电弯曲片的静态特性
    2.2 压电式先导阀结构分析
        2.2.1 喷嘴挡板机构工作原理
        2.2.2 压电式先导喷嘴挡板阀气路特性分析
    2.3 压电式先导喷嘴挡板阀的优化设计
    2.4 本章小结
第三章 压电式电气比例阀控制系统设计
    3.1 压电式电气比例阀的基本结构及工作原理
    3.2 控制系统设计
    3.3 微控制器与算法设计
        3.3.1 STC12C5A60S2 单片机简介
        3.3.2 电压反馈PID控制
    3.4 硬件电路设计
        3.4.1 单片机外围电路
        3.4.2 压电阀驱动电路设计
    3.5 本章小结
第四章 基于压电气动阀的位置比例控制系统设计
    4.1 基于压电气动阀的位置比例控制系统
    4.2 数据采集模块
    4.3 PID控制及参数整定
        4.3.1 PID参数整定
        4.3.2 PID控制实现
    4.4 迟滞建模及补偿控制
        4.4.1 迟滞建模
        4.4.2 迟滞补偿控制系统
        4.4.3 压电气动阀的位置比例控制系统的前馈控制
    4.5 压电式电气比例阀及其它模块
        4.5.1 压电式电气比例阀简介
        4.5.2 空压机
        4.5.3 气缸
        4.5.4 位移传感器
    4.6 本章小结
第五章 基于压电气动阀的位置比例控制系统实验研究
    5.1 气动阀压力测试
    5.2 基于压电气动阀的位置比例控制系统的实验测试
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
参考文献
附录1 PZT-5H压电材料的Ansys建模程序
致谢
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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本文编号：2839094