【摘要】：在航空、航天、艦船、冶金和交通等領(lǐng)域的許多大型機(jī)械和測(cè)試設(shè)備中,大流量高響應(yīng)三級(jí)電液伺服閥被廣泛應(yīng)用。為打破國(guó)外對(duì)三級(jí)電液伺服閥的技術(shù)和價(jià)格壟斷,進(jìn)一步提高相關(guān)重要設(shè)備的性能和降低設(shè)備研制成本,我國(guó)必須掌握大流量高響應(yīng)三級(jí)電液伺服閥的關(guān)鍵技術(shù)。本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)電液伺服仿真及試驗(yàn)系統(tǒng)研究所承擔(dān)的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“具有失效保護(hù)功能的大流量高響應(yīng)三級(jí)電液伺服閥關(guān)鍵技術(shù)研究”為背景,對(duì)三級(jí)電液伺服閥進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立、主功率滑閥零位流場(chǎng)特性仿真分析、控制策略和專用伺服控制器的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。 三級(jí)電液伺服閥是集機(jī)械、電氣、液壓和控制技術(shù)于一體的關(guān)鍵元件。本文先介紹了它的工作原理,并根據(jù)它的工作原理將它分成前置級(jí)伺服閥、伺服控制器、主功率級(jí)滑閥和閥芯位移傳感器四大組成部分。然后詳細(xì)分析每一部分的結(jié)構(gòu)和原理并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。最后將四部分的模型組合起來得到三級(jí)電液伺服閥的詳細(xì)整體數(shù)學(xué)模型,并對(duì)模型進(jìn)行了分析和合理的簡(jiǎn)化。這為深入分析三級(jí)電液伺服閥的特性和控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。 在三級(jí)電液伺服閥主功率滑閥零位流場(chǎng)特性分析中,以被國(guó)際上廣泛應(yīng)用的流體仿真軟件FLUENT作為仿真分析工具。首先分別建立了主功率滑閥進(jìn)油腔、出油腔和包含進(jìn)油腔與出油腔的整體二維模型,驗(yàn)證了以滑閥進(jìn)油腔代替滑閥整體作為零位特性研究對(duì)象的可行性,并仿真得到了理想滑閥零位流量特性曲線和流量系數(shù)曲線。然后首次推導(dǎo)出了同時(shí)考慮閥芯閥套節(jié)流棱邊圓角、徑向間隙和預(yù)開口量的閥口過流面積的準(zhǔn)確表達(dá)公式,并利用此公式分析出了單個(gè)因素和多個(gè)因素如何影響閥的過流面積。最后對(duì)只考慮閥芯節(jié)流棱邊圓角、只考慮閥芯閥套徑向間隙、只考慮預(yù)開口量、同時(shí)考慮節(jié)流棱邊圓角和徑向間隙、同時(shí)考慮棱邊圓角和預(yù)開口量、同時(shí)考慮徑向間隙和預(yù)開口量以及同時(shí)考慮節(jié)流棱邊圓角徑向間隙預(yù)開口量七種情況如何影響主功率滑閥性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真研究,得到了各種情況對(duì)應(yīng)的流量特性曲線、流量系數(shù)曲線和零位泄漏流量曲線等,并與理想滑閥進(jìn)行對(duì)比,獲得了各種情況與滑閥流量線性度、零位泄漏流量、流量系數(shù)等性能指標(biāo)之間的定性或定量關(guān)系;同時(shí)分析了閥芯節(jié)流棱邊圓角和徑向間隙如何影響閥口液流射流角。這些分析和結(jié)果具有很好的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 研究三級(jí)電液伺服閥控制策略時(shí),首先介紹了比例控制和比例微分控制的作用,并仿真分析了它們對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響;然后提出并研究了利用速度反饋補(bǔ)償來提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法,仿真分析表明這種方法是可行的。最后提出應(yīng)用“基于傳函辨識(shí)的前饋補(bǔ)償控制”來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,該方法先辨識(shí)出三級(jí)電液伺服閥的傳遞函數(shù)并求出傳遞函數(shù)的逆,然后利用逆作為前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 在三級(jí)電液伺服閥伺服控制器研究中,先根據(jù)模擬式控制器的原理,按功能不同將它分成信號(hào)輸入電路、比例微分控制電路、LVDT調(diào)制解調(diào)電路、閥芯位移信號(hào)調(diào)理電路、速度反饋電路、顫振信號(hào)電路和驅(qū)動(dòng)器電路七個(gè)組成部分,然后對(duì)每一部分進(jìn)行具體研究和建模分析,從而研制出了模擬式伺服控制器。最后研究了基于DSPs的數(shù)字式伺服控制器,完成了數(shù)字式伺服閥控制器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了基于模型的控制程序設(shè)計(jì)方式,加快了控制程序的開發(fā),方便了軟件和硬件調(diào)試。 實(shí)驗(yàn)研究中,首先介紹了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的原理。接著對(duì)前面研究的各種控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并對(duì)模擬式控制器和數(shù)字式控制器進(jìn)行測(cè)試。然后對(duì)三級(jí)電液伺服閥的其它性能進(jìn)行了測(cè)試。最后將三級(jí)電液伺服閥的測(cè)試結(jié)果與國(guó)外的同類閥進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明比例微分控制、速度反饋補(bǔ)償和基于傳函辨識(shí)的前饋補(bǔ)償控制使三級(jí)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性明顯提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明研制的模擬式控制器和數(shù)字式控制器能夠滿足三級(jí)電液伺服閥的控制需要,很好的實(shí)現(xiàn)了所需的控制策略,對(duì)于保證和提高閥的性能起到了關(guān)鍵性的作用。測(cè)試結(jié)果與國(guó)外同類三級(jí)電液伺服閥的比較表明:研制的閥的主要性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外閥的性能指標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TH137.5
【圖文】：

圖 1-1 加載試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1-1 Load testing system圖 1-2 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1-2 Vibration testing system圖 1-3 運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)Fig.1-3 Motion simulation system圖 1-4 疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.1-4 Fatigue-testing machine1.2 電液伺服閥的發(fā)展歷史20 世紀(jì)初伺服機(jī)構(gòu)問世，隨著 Nyquist 和 Bode 等人的參與，發(fā)展了經(jīng)典控制理論[4]，伺服控制機(jī)構(gòu)才真正開始迎來曙光。伺服閥的發(fā)展也可以追溯到這

圖 1-1 加載試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1-1 Load testing system圖 1-2 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1-2 Vibration testing system圖 1-3 運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)Fig.1-3 Motion simulation system圖 1-4 疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.1-4 Fatigue-testing machine1.2 電液伺服閥的發(fā)展歷史20 世紀(jì)初伺服機(jī)構(gòu)問世，隨著 Nyquist 和 Bode 等人的參與，發(fā)展了經(jīng)典控制理論[4]，伺服控制機(jī)構(gòu)才真正開始迎來曙光。伺服閥的發(fā)展也可以追溯到這

圖 1-3 運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)Fig.1-3 Motion simulation system圖 1-4 疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.1-4 Fatigue-testing machine1.2 電液伺服閥的發(fā)展歷史20 世紀(jì)初伺服機(jī)構(gòu)問世，隨著 Nyquist 和 Bode 等人的參與，發(fā)展了經(jīng)典控制理論[4]，伺服控制機(jī)構(gòu)才真正開始迎來曙光。伺服閥的發(fā)展也可以追溯到這個(gè)年代。二戰(zhàn)時(shí)期，當(dāng)時(shí)氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用中需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械-氣的轉(zhuǎn)換功能的元件，從而產(chǎn)生對(duì)閥的需求。由德國(guó)的 ASKANIA 公司研制并獲得專利的一種采用射流管原理的閥，它通過流體的噴射和接收，使動(dòng)量由射流管向兩只接收管轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)壓力或流量輸出的功能；相同的目的，F(xiàn)oxboro 研究出噴嘴擋板閥，它通過擋板的移動(dòng)，改變擋板與噴嘴之間的過流面積來改變液阻，同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力或流量輸出的控制。如圖 1-5 所示，這兩種原理的閥的出現(xiàn)為伺服閥的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。從輸入方式來看，當(dāng)時(shí)德國(guó)西門子公司開發(fā)了一種雙輸入的閥，其采用彈簧接收機(jī)械信號(hào)，采用動(dòng)圈永磁馬達(dá)接收電信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是現(xiàn)代伺服

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陸向輝;結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)變化對(duì)雙噴嘴擋板閥性能影響的研究[D];燕山大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王東魏;三級(jí)伺服閥流場(chǎng)特性研究及故障仿真分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

2 李成成;電液伺服閥力矩馬達(dá)動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的研制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2769534