压电型先导阀数学模型及PWM控制仿真研究11(PWM与输出压力).pdfVIP

2008年10月 第36卷 第10期 机床与液压 MACHI NE TOOL 并运用压力反馈、PI D控制等复合控制方法,仿真表明该方法 能有效提高阀的性能,大大降低稳态误差。 关键词:压电;先导阀;PWM 中图分类号:TH138 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 3881 (2008) 10 - 133 - 3 Research on Piezoelectric2type Pilot ValveMathematicalM odel and PWM Control Si mulation XU Youxiong, L IXiaoning (School ofMechanical, Nanjing University of Science Pilot valve;PWM 0 前言 随着机电一体化和计算机技术的发展及应用, 电-气(液)阀的数字化已成为一种必然的发展趋 势 1。一般较流行的方法是采用传统的模拟式电 -气 (液)阀,通过D /A接口实现间接数字控制。这是一 种数模混合控制,存在着响应速度较慢,成本较高等 缺点。也有由若干个电磁阀串联或并联起来,并通过 脉码调制来控制压力或流量的组合式数字阀,其缺点 是有级控制,且体积庞大 2 。 直接数字控制阀(简称数字阀)可以直接与计 算机接口,不需D /A转换器,具有控制精度高、抗 污能力强、重复性好、工作稳定可靠等优点 3 ,自上 世纪80年代以来,便得到越来越广泛的研究。目前 研究的数字阀主要有两种类型: (1)以步进电机作为电-机转换器,采用由脉 数调制( PNM)演变而成的增量控制方式的增量式 数字阀 4 。 (2)以高速开关阀为控制元件,采用脉宽调制 (PWM)控制的开关式数字阀 5 。 由于开关式数字阀工作在 “ 开 ”和 “ 关 ”两个 极限位置,用脉宽占空比来控制压力或流量,因此需 要开关阀具有较高的响应速度,即阀用驱动器应具有 良好的响应性能。而目前应用较多为高速电磁阀,采 用高速电磁铁为驱动器,一般的响应时间为几ms到 几十ms之间,且存在易发热、抗磁打扰差、体积较 大的缺点,限制了其应用。 压电驱动器以响应速度快(一般为 s级)、工 作频率宽、便于控制等优点得到越来越广泛的应用, 为研究高频响的开关阀提供良好的驱动器 6。 笔者采用压电陶瓷为驱动器,研究一种可用于数 字型比例阀用的压电型先导阀(即为压电型开关阀)。 1 结构原理及理论分析 111 结构原理 图1 结构原理图 阀的结构原理如图1 所示。当给压电驱动器加 上一定电压后,压电驱动 器伸长,推动阀芯右移, 堵住E口,P口与A口连 通, A口处充气,压力增 加;反之,压电驱动器收 缩,阀芯在预紧弹簧的作 用下左移,堵住P口, A口与E口连通, A口处排 气,压力下降。因此在PWM信号控制下,压电驱动 器不断伸长和收缩,阀芯不断地开启和闭合,因此A 口处也不断地充气和排气。控制PWM的脉宽占空比 从而控制A口处的充气和排气,进而控制其压力。 112 压电驱动器的位移特性 压电驱动器本质上是电-机械功率转换器,从电 路上说,是电容器。在电源的作用下,是个充放电的 过程。笔者所研究的压电先导阀是开关型的,其控 制的电信号是脉冲信号。结合压电方程可得其脉冲响 应的充放电过程分别为 脉冲上升(充电)过程 x=Nd33U0(1 - e - 1 R1c) (1) 脉冲下降(放电)过程 x=Nd33U0e - 1 R2c (2) 其中:N为压电驱动器的片数;d33为压电常数;U0 为外加电压幅值;R1、R2为充电和放电过程中,电 源等效输出阻抗。 由于受压电陶瓷响应过程及阀芯运动延迟等影 响,实际上阀芯的运动过程不可能与脉冲信号的变化 一致,其变化关系可近似为如图2所示。图中T为电 压信号的周期,Tp为信号的脉冲宽度,t1、t3为位移 上升、下降响应延迟时间,t2、t4为位移上升、下降 时间。脉冲宽度Tp和周期T的不同将影响到阀芯位 移的不同。 图2 脉冲信号及阀芯位移变化关系示意图 用阀芯的无因次位移X与占空比D的关系式来 表示占空比对阀芯的影响,可得其关系式为 X= 0 0D1 1 22 1 + 4 2 (D -1) 2 + 3 2 (D -1) 1D1+2 D+ 1 2 ( 4-2)+(3-1) 1+2D1 -3-4 1 - 1 24 1 - 2 4 (1 -D- 3) 2 - 1+2 4 (1 -D- 3) 1 -3-4Db 01258 8 KcdSp1 RT1 p0/p1b (7) 其中:k为气体比热比;R为气体常数,对空气R= 287Nm/ (kgK);cd为流通有效系数;K=2k/ (k- 1 ); p1,p2及p20,p0分别为P口处压力, A口处压力及A 口处排气开始时压力,E口处压力;S为通流面积, S=dx;d为通流直径。 结合式(3)(7)可得,在一定占空比D下相对 应的A口处的压力p2。因此改变占空比便可控制A 口处的压力。 2 压电先导阀特性仿真研究 211 仿真模型的建立 图3 仿真模型图 431机床与液压第36卷 AMESim实现了多学科,如机械、气动、液压、 热、电磁、压电等物理领域的系统工程的建模和仿 真,便于用户从事气动(液压)元件和系统的设计 与分析 8 。 根据压电先导阀的结构及工作原理,从AMESim 元件库选择所需的元件搭建如图3所示的仿真模型 图。 212 仿真及分析 在保证模型准确反映实际系统的基础上,设定好 所需的仿真参数,便可仿真出阀的静、动态特性。设 仿真参数如下:最大电压150V对应压电陶瓷最大输 出位移15m;气源压力015MPa;阀芯质量0101kg; 通流直径2mm; A口腔体积01002L;PWM载波频率 200Hz。 21211 阀芯阶跃响应特性 阀芯的阶跃响应过程如图4所示。可以看出阀芯 的响应时间较快,小于1ms,为研究高频响阀奠定基 础。 21212 占空比-出口压力关系 不同占空比,阀的稳态出口压力如图5所示。可 以看出,占空比与出口压力的线性阶段范围较窄,大 约在 012, 016 区间,且存在两段非线性区域, 并有死区和饱和区。因此要想得到其较好的线性关 系,需对阀进行PWM控制。 21213 阶跃响应特性 图6 阀的出口压 力变化过程 占空比为017, 阀出口压力的变化 过程如图6所示。 也可以看出,阀存 在着较大的稳态误 差,这是由于阀的 开关动作而伴随产 生的压力脉动。这 也需要通过控制加以降低。 3 阀控制方法仿真研究 从第212节的仿真可以看出,阀存在着线性区域 较窄,稳态误差较大,因此要想直接通过改变占空比 的大小,连续比例地控制阀的出口压力,其效果是不 理想的。为了进一步提高阀的性能,需要对阀进行 PWM控制。 311 压力反馈+ PWM 通过压力反馈,不断检测阀的出口压力值,并与 希望值相比较,两者差值控制阀的开关动作时间,使 得出口压力接近于希望值,从而有效提高阀的性能。 阀的压力反馈+ PWM控制的AMESim模型如图7所 示。 图7 压力反馈+ PWM控制的AMESi m模型 采用锯齿波为PWM载波,一般其频率越高,阀 的比例控制精度就越高,性能越好。但是其频率亦不 能超过阀芯的最高频响,否则会使阀不可控,反而降 低阀的性能。考虑到压电陶瓷的响应时间较快,采用 200Hz,设定出口压力为0125MPa,其它参数同上。 仿真结果如图8所示。可以看出,通过压力反馈的 PWM控制,阀的动态性能大大提高,有效地降低稳 态压力波动,但是也存在着一定的稳态偏差。 图8 压力反馈+ PWM控制的阀出口压力变化 312 压力反馈+ PI D + PWM PI D控制因其算法简单、鲁棒性好及可靠性高, 被广泛用于工业过程控制 9 。设置合理的比例、积分 及微分系数,能有效提高阀的动态特性,降低甚至消 除稳态误差。AMESim有PI D控制元件,只需在图7 的仿真模型加入该元件即可。仿真参数也同上。仿真 结果如图9所示。可以看出,加入PI D控制后,能有 效地降低稳态误差,压力波动也进一步减少。 (下转第139页) 531第10期许有熊 等:压电型先导阀数学模型及PWM控制仿真研究 的惯性而进入清除流流路。 (3)加入了一定长度的进气道对整个IPS分离情 况的影响,使得分流器处没有明显的回流区出现,增 大对粒子的分离效率。 (4)由于只考虑了预旋叶片的影响,对气流产 生一定的旋转,在后续工作中,可以增加反旋叶片和 清除叶片进行数值模拟。 参考文献 【1】J D Robert,S Bernnard.Integral Engine Inlet Particle Separator, Volume 2 - Design Guide C / /US2 AAMRDL - TR - 75 - 31B, 1975. 【2】B V R Vittal, D L Tipton, W A Bennett, Development of an Advanced Vaneless Inlet Particle Separator for Heli2 copter Engines R .A I AA - 85 - 1277. 【3】D SBreit man, E GDueck, W G Habashi .Analysis of a Split - Flow Inertial Particle Separator by Finite Elements J .J Aircraft, 1985, 22 (2) : 135 - 140. 【4】M Zedan,P Hart man, A Mostafa, A Sehra.Viscous Flow Analysis for AdvancedInlet ParticleSeparators R .A I AA - 90 - 2136. 【5】A Hamed, YD Jun, J J Yeuan.Particle Dynamic Simu2 lations in Inlet Separator with an experimentally Based Bounce Model J .J Propul Power,1995,11 (2) : 230 - 235. 【6】P1de la Calzada, R1Vazquez, F1Fernandez3, M1P1G . San Segundo.Particle Dynamics Si mulation for Aero2 engine Intake Design R .ISABE 99 - 7280. 【7】C1F1Sheih, R1A1Delaney, D1L1Tipton.Analysis of the Flow Field in an Engine Inlet Particle Separator . Computa2 tion of Internal Flows: Methods and Applications C / / American Society of Mechanical Engineers FED,1984, 14: 23 - 28. 【8】A.Hamed.An Investigation in the Variance in Particle Surface Interactions and Their Effects in Gas Turbines J .Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1992, 114: 235 - 241. 【9】侯凌云,严传俊.二维粒子分离器的流场及分离效率 的数值模拟 J .航空动力学报,1997,12(4) : 374 - 376. 【10】侯凌云.直升机粒子分离器两相流场的数值模拟 D .西安:西北工业大学, 1998. 【11】吴恒刚.无叶片整体式粒子分离器性能研究D . 南京航空航天大学, 2007. 【12】吴恒刚,王锁芳.整体式粒子分离器数值模拟J . 航空学报, 2007, 28 (5) : 1073 - 1079. 【13】陶文铨.数值传热学M .二版.西安:西安交通 大学出版社, 2001. 【14】范文正,于海滨,等.直升机进气防护装置的现状 和发展趋势J .航空科学技术, 2000 (1) :31 - 32. (上接第135页) 图9 加入PI D控制的阀出口压力变化 4 结论 研究了一种压电型先导阀,建立了其电、机、气 数学模型;并利用AMESim仿真软件对先导阀进行了 仿真研究。初步仿真表明,该阀的线性阶段范围较 窄,且存在较大的压力脉动,因此其稳态误差较大。 通过结合压力反馈及PWM控制能有效降低压力波 动,但是存在着一定的稳态偏差。为此,提出了压力 反馈+ PI D + PWM的复合控制方法,仿真也表明,该 方法能有效提高阀的性能,大大降低稳态误差。这为 后续的实际应用奠定理论基础。 参考文献 【1】黎启柏.电液比例控制与数字控制系统M .北京: 机械工业出版社, 1997. 【2】石延平.集成式PCM组合数字压力阀的设计和研究 J .液压与气动, 2003 (7) : 40 - 42. 【3】田中裕九日.液压与气动的数字控制及其应用 M .北京:机械工业出版社, 1992. 【4】阮健,李胜,杨继隆.液压及气动阀直接数字控制的 新途径J .中国机械工程, 2000, 11 (3) :317 - 320. 【5】杜巧连,陈旭辉,吴文山,等.PWM高速开关阀的