本文選題：比例壓力閥 + 建模仿真��； 參考：《浙江大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：近年來,國內(nèi)氣動技術(shù)發(fā)展迅速,在常規(guī)氣動元件的研發(fā)方面取得了顯著成績,部分產(chǎn)品的質(zhì)量和性能已達(dá)到世界先進(jìn)水平,但在比例閥、伺服閥等高端氣動元件的研發(fā)上則相對滯后,多停留在理論和實驗室階段,目前市場上尚未見到有性能良好的相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。氣動比例壓力閥因為具有動態(tài)特性好、控制精度高和易于電氣集成等特點,在氣動壓力、速度、輸出力和伺服定位等控制領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用,遺憾的是現(xiàn)階段氣動比例壓力閥的制造技術(shù)僅掌握在FESTO、SMC等少數(shù)國外大公司手中,國內(nèi)使用的氣動比例壓力閥多依賴于進(jìn)口。因此,開展氣動比例壓力閥所涉及的系列關(guān)鍵技術(shù)的研究,研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的比例壓力閥產(chǎn)品,對實現(xiàn)我國氣動比例控制元件自主化以及推動國內(nèi)氣動技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。本課題以一種調(diào)壓范圍在0～600 kPa的比例電磁鐵驅(qū)動的直動式氣動比例壓力閥為對象,用理論-仿真-實驗三者相結(jié)合的研究方法,系統(tǒng)的探討了該閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)字比例控制器的設(shè)計方法。通過有限元和集總參數(shù)建模相結(jié)合的方法分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)對閥的靜、動態(tài)特性的影響以及系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性。針對快速壓力調(diào)節(jié)和高精度壓力調(diào)節(jié)的不同需求,分別提出了新型魯棒模糊PD控制算法(Novel Robust Fuzzy PD control, NRFPD)和自抗擾PI控制算法(Active Disturbance Reject PI control, ADRPI).最后將所設(shè)計比例壓力閥應(yīng)用于氣缸軌跡跟蹤控制的研究中,對樣機(jī)的實際工作性能進(jìn)行了試驗驗證。本文分為七個章節(jié),現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下：第一章,詳細(xì)分析了氣動比例控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,指出了氣動比例壓力閥在比例控制技術(shù)中的重要地位；按不同的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合分析了比例壓力閥的研究現(xiàn)狀；從數(shù)值仿真、比例控制器、控制策略以及具體應(yīng)用等方面總結(jié)了與氣動比例壓力閥相關(guān)的研究進(jìn)展；最后概括了本課題的研究意義及主要研究內(nèi)容。第二章,詳細(xì)分析了由比例電磁鐵、活塞式閥芯、兩位三通式閥體、反饋彈簧、壓力傳感器以及比例控制器等主要部件構(gòu)成的比例壓力閥樣機(jī)的設(shè)計方法,闡述了負(fù)載對該閥輸出性能的影響,指出了對其進(jìn)行壓力閉環(huán)控制的必要性。設(shè)計了比例壓力閥的數(shù)字比例控制器,包含電源模塊、信號調(diào)理模塊、電流檢測模塊與驅(qū)動模塊等,并利用改進(jìn)的PID+anti-windup算法實現(xiàn)了電磁鐵線圈電流的閉環(huán)控制。詳述了氣動比例壓力閥的綜合開發(fā)平臺的設(shè)計,并利用該平臺對樣機(jī)進(jìn)行了開環(huán)性能研究。第三章,首先建立了比例壓力閥樣機(jī)的從氣源到負(fù)載的完整的非線性數(shù)學(xué)模型,采用了基于有限元-集總參數(shù)分析的混合模型對比例電磁鐵動態(tài)性能進(jìn)行建模,并分別對閥芯的運動特性與樣機(jī)的氣路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；其次通過仿真與實驗結(jié)果的對比驗證了模型的有效性；接著計算分析了關(guān)鍵氣路結(jié)構(gòu)參數(shù)對樣機(jī)性能的影響；最后,利用PI控制器通過仿真研究了樣機(jī)的閉環(huán)控制特性。第四章,針對輸出壓力的快速調(diào)整及在輸出流量突變下的快速恢復(fù),設(shè)計了一種新型魯棒模糊PD控制器,主要由線性微分跟蹤器(LTD)、模糊PD控制器和魯棒控制項構(gòu)成,其中LTD用于對反饋壓力信號進(jìn)行濾波和微分處理,模糊PD控制器用于實現(xiàn)對設(shè)定值的穩(wěn)定跟蹤,魯棒控制項用于將壓力控制的穩(wěn)態(tài)誤差減小到系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)。數(shù)值仿真和實驗結(jié)果表明NRFPD是有效的,具備良好的實際工作性能。第五章,首先分析了一種比例電磁鐵直接驅(qū)動的截止式氣動比例壓力閥樣機(jī)的輸出壓力控制器的設(shè)計難點；其次提出了基于電流環(huán)/壓力環(huán)的雙閉環(huán)控制的總體方案,電流環(huán)采用基于電流比例負(fù)反饋的模擬電路實現(xiàn)；為了實現(xiàn)對輸出壓力的高精度控制,壓力環(huán)采用ADRPI控制算法,可分為兩部分：當(dāng)誤差較大時,利用ADRC進(jìn)行控制；當(dāng)誤差較小時,則切換至非線性PI控制器進(jìn)行控制。同時,本文也引入了參考信號的規(guī)劃來進(jìn)一步改善壓力輸出的動態(tài)性能。最后通過大量的實驗表明,所設(shè)計的控制器具有很高的輸出壓力控制精度,而且在下游負(fù)載變化時也能保證的壓力控制的精度和穩(wěn)定性。第六章,首先搭建了基于氣動比例壓力閥的閥控缸實驗系統(tǒng)并分析了系統(tǒng)的組成原理；其次建立了系統(tǒng)的非線性狀態(tài)空間模型；接著針對閥控缸實驗系統(tǒng)系統(tǒng)中存在的參數(shù)變化和外界干擾等問題,提出了一種自適應(yīng)魯棒控制策略,利用帶遺忘因子的在線最小二乘法來設(shè)計參數(shù)的自適應(yīng)律,同時基于反步法設(shè)計了非線性魯棒控制器,并結(jié)合期望運動軌跡初始化來改善系統(tǒng)的跟蹤性能；最后通過實驗對本文提出的自適應(yīng)魯棒控制器的性能進(jìn)行了研究。第七章,對本論文的主要工作內(nèi)容,研究結(jié)論和創(chuàng)新點進(jìn)行了總結(jié),并展望了未來的研究工作和研究方向。
[Abstract]:In recent years , the development of pneumatic proportional pressure valve has achieved remarkable achievements in the research and development of pneumatic proportional pressure valve . At last , the design proportional pressure valve is applied to the study of the track tracking control of the cylinder , and the actual working performance of the prototype is verified . The paper is divided into seven chapters , and the development of pneumatic proportional control technology is analyzed in detail , and the important position of the pneumatic proportional pressure valve in the proportional control technology is pointed out .
The research status of proportional pressure valve is analyzed according to different structure and application situation .
The research progress related to pneumatic proportional pressure valve is summarized from numerical simulation , proportional controller , control strategy and concrete application .
In chapter 2 , the design method of proportional pressure valve prototype composed of proportional electromagnet , piston valve core , two - position three - way valve body , feedback spring , pressure sensor and proportional controller is analyzed in detail .
Secondly , the validity of the model is verified by comparison between simulation and experimental results .
Then the influence of key gas path structural parameters on the performance of the prototype is analyzed .
Finally , the closed - loop control characteristics of the prototype are studied by using PI controller . In chapter 4 , a novel robust fuzzy PD controller is designed for fast adjustment of output pressure and rapid recovery under the abrupt change of output flow . The fuzzy PD controller is used to filter and differentiate the feedback pressure signal . The fuzzy PD controller is used to filter and differentiate the feedback pressure signal . The fuzzy PD controller is used to reduce the steady - state error of the pressure control to the allowable error range of the system .
Secondly , the general scheme of double closed loop control based on current loop / pressure loop is put forward , and the current loop is realized by analog circuit based on current proportional negative feedback ;
In order to control the output pressure with high accuracy , the ADRPI control algorithm can be used to control the pressure loop .
At the same time , the design of the reference signal is introduced to further improve the dynamic performance of the pressure output . At the same time , the paper also introduces the planning of the reference signal to further improve the dynamic performance of the pressure output . At last , a large number of experiments show that the designed controller has very high output pressure control accuracy and the accuracy and stability of the pressure control which can be ensured when the downstream load changes .
Secondly , the nonlinear state space model of the system is established .
In this paper , an adaptive robust control strategy is put forward aiming at the parameter change and external disturbance in the system of valve control cylinder , and the adaptive law of parameters is designed by the on - line least square method with forgetting factor , and the nonlinear robust controller is designed based on the backstepping method , and the tracking performance of the system is improved in combination with the expected motion track initialization .
At last , the performance of the adaptive robust controller proposed in this paper is studied experimentally . Chapter 7 summarizes the main work contents , research conclusion and innovation points of this thesis , and looks forward to the future research work and research direction .
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH138

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2113329