氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池是一種具有高轉(zhuǎn)換效率和高功率密度的電化學(xué)發(fā)電裝置,在軍事上有著廣泛的應(yīng)用前景。電氣比例減壓閥作為燃料電池供氣系統(tǒng)中主要的壓力控制元件,其穩(wěn)壓特性直接影響到整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的工作性能,對(duì)于膜兩側(cè)壓力的高精度控制是保證燃料電池安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電氣比例減壓閥的性能較國(guó)外仍有一定差距,對(duì)于壓力控制特性的研究尚不全面,因此本課題以氫氧燃料電池的供氣系統(tǒng)為研究背景,完成了一組適用于氫氧氣體環(huán)境的高精度電氣比例減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特性分析,并通過元件特性匹配、閉環(huán)控制等方式,實(shí)現(xiàn)氫氧雙路壓力的同步控制,確保燃料電池安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。首先,結(jié)合燃料電池的供氣回路的工況需求與氫氣、氧氣的氣體特性,設(shè)計(jì)了一種以波紋管代替反饋腔的無溢流電氣比例減壓閥,完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇,并針對(duì)關(guān)鍵感壓結(jié)構(gòu)波紋管組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力值特性試驗(yàn)測(cè)試。在此基礎(chǔ)上,完成對(duì)電氣比例減壓閥整體數(shù)學(xué)模型的建立,在Matlab/Simulink中搭建了電氣比例減壓閥非線性仿真模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)比例減壓閥的開環(huán)動(dòng)靜特性分析,深入分析了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與上游及負(fù)載工況變化對(duì)動(dòng)靜態(tài)特性的影響,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械響應(yīng)... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

VPPM系列結(jié)構(gòu)示意圖[4]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-對(duì)國(guó)內(nèi)外的電氣比例減壓閥研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)與電氣比例減壓閥研究的起步較早，技術(shù)較為成熟，德國(guó)Festo、日本SMC、美國(guó)Parker和Numatics公司等多個(gè)生產(chǎn)廠家已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和系列化，其產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可以滿足多種工業(yè)需求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合。德國(guó)Festo公司開發(fā)的電氣比例閥系列主要有PREL、VPPL等高壓減壓閥和VEA、VPP等低壓比例減壓閥，其精度為0.5%-2%，其中具有代表性的主要有VPPM系列比例減壓閥和MPPES系列比例壓力調(diào)節(jié)閥。VPPM系列是先導(dǎo)驅(qū)動(dòng)膜片式減壓閥[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，先導(dǎo)閥采用開關(guān)結(jié)構(gòu)，全量程線性誤差±0.5%，重復(fù)精度0.5%，整體精度1%-2%。MPPES系列是先導(dǎo)驅(qū)動(dòng)活塞式比例減壓閥[5]，采用比例電磁閥驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示，切換開啟時(shí)間220ms，最大壓力遲滯0.05bar。兩種系列適用的工作介質(zhì)均為壓縮空氣或惰性氣體，二者均帶有溢流排氣功能。圖1-3VPPM系列結(jié)構(gòu)示意圖[4]圖1-4MPPES系列結(jié)構(gòu)示意圖[5]日本SMC公司是全球最大的氣動(dòng)元件生產(chǎn)廠商，其電氣比例減壓閥有ITV系列、VEP系列和VY系列等。ITV采用開關(guān)閥先導(dǎo)控制膜片式主閥結(jié)構(gòu)[6]，其結(jié)構(gòu)及控制原理如圖1-5所示，閥采用PWM壓力反饋控制方式，精度±0.25%，靈敏度可達(dá)0.2%(F.S.)以下，直線性達(dá)±1%(F.S.)以下，最大遲滯為0.5%(F.S.)。VY1系列[7]采用電磁閥和減壓閥復(fù)合，電磁閥作為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示，根據(jù)電氣信號(hào)進(jìn)行無極調(diào)節(jié)，壓力閉環(huán)反饋，響應(yīng)時(shí)間最快可達(dá)10ms。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-圖1-5ITV系列閥結(jié)構(gòu)示意圖[6]圖1-6VY1系列閥結(jié)構(gòu)示意圖[7]國(guó)外對(duì)于比例減壓閥的相關(guān)技術(shù)研究主要有比例減壓閥數(shù)值仿真、比例控制器研究和控制策略等幾方面。數(shù)值仿真方面，MassimoSorli等人依據(jù)ParkerP3P-R氣動(dòng)比例壓力閥結(jié)構(gòu)，建立了詳細(xì)的非線性仿真模型，并對(duì)不同工況和負(fù)載特性下的比例閥的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[4]。Nabi,A.等設(shè)計(jì)了一種DLPR式穩(wěn)壓減壓器，采用先導(dǎo)氣體控制活塞式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)大壓差調(diào)節(jié)，對(duì)流量系數(shù)等模型參數(shù)進(jìn)行了修正，實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)壓特性[9]。ZoltánMóZER等人通過實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)壓力閥閥口的流量系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，提出修正的經(jīng)驗(yàn)公式[10]。Sorli,M.等人對(duì)比例電磁鐵建模進(jìn)行了研究，針對(duì)電磁鐵動(dòng)態(tài)磁勢(shì)無法精確建模的問題，提出通過有限元仿真和試驗(yàn)擬合驗(yàn)證的方式，建立了精確的電磁鐵仿真模型[11]。Elmer等人對(duì)比例電磁鐵進(jìn)行了理論模型的建立，形成一種半實(shí)驗(yàn)半理論的建模方式，提高了比例電磁鐵建模的準(zhǔn)確度[12]。在比例控制器方面，F(xiàn)esto、SMC等廠家都有自己的比例控制器產(chǎn)品，本文未對(duì)比例控制器展開深入研究，故在此不做深入探討。控制策略方面，Hamdan等針對(duì)氣動(dòng)比例閥存在的遲滯現(xiàn)象，提出了一種改進(jìn)的PID（MPID）控制器[13]，其主要由PID控制器、前饋控制、抗飽和積分（Anti-Windup）和Bang-Bang控制器四部分組成。通過新型的控制方式，獲得了更好的指令跟蹤特性和干擾抑制特性，相比于傳統(tǒng)方法更大的帶寬，其控制器示意圖如圖1-7所示。StevenLambeck等提出了一種應(yīng)用于氣動(dòng)比例壓力控制閥的精確線性化控制策略[14]，其中為補(bǔ)償壓力閥連接腔體體積對(duì)控制器的影響，加入類似于擾動(dòng)前饋控制的控制策略，如圖1-8所示，獲得了較好的擾動(dòng)抑制

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3611617