（机械电子工程专业论文）压电激振球阀的优化及流量控制研究.pdf

硕士论文 压电激振球阀的优化及流量控制研究 摘要 传统的电气比例阀都以比例电磁铁作为驱动器，响应慢、控制精度低、工作带宽窄， 而采用强力高速电磁铁驱动，虽然也可以提高其响应速度，但是由于受到电磁力、安装 空间、运动惯性的影响，难以进一步提高电磁阀的响应速度，无法满足一些要求更高响 应速度的场合。针对传统电磁式比例流量阀的不足，将压电驱动器与气动节流阀的有机 结合，研制一种新型压电振子流量控制阀，使其具有快速响应、精确控制等特性，以满 足自动化控制的一些新需求已是十分迫切。 本文在分析了原有的预紧限位型数字压电球阀的基础上，改进设计了实验控制系 统以及相关机械结构，并在此基础上对小球抛动机制和球阀流量谐振特性进行了详细的 理论与试验研究，并对其流量进行比例控制的研究，论文的研究内容主要有： ( 1 ) 在分析原压电球阀实验控制系统的前提下，研究设计了一套满足快速、高频，高 效控制需求的实验控制系统：采用高频信号发生器代替计算机对压电驱动电源进行控 制，减少了信号延迟，实现了高频率范围( 1 1 0 k h z ) 的频率连续调节试验，满足了压 电球阀快速、高频的控制需求；采用高功率p i 压电驱动电源代替了原先的h p v 压电驱 动电源，在新实验系统下，压电阀的截止压差达到了0 5 m p a 以上，输出流量也可以达 到4 3 l m i n 。 ( 2 ) 在压电阀的工作性能指标达到了工业运用标准的基础上，对该压电阀在结构功能 上进行了相关的优化设计，主要包括：设计了套筒式限位机构，实现了压电阀的任意位 置工作功能，使其更能适应各种复杂的工业生产环境；另外还设计了软管引出式通流管 路，很好地解决了阀的泄漏问题，泄漏量也由原来的与输出流量相当的数十升每分钟， 有效控制到了o 1 l m i n 以下，使新阀在工作性能上较以往有了相当大地提高，进一步完 善了压电球阀的工作性能。 ( 3 ) 通过试验研究压电晶体的振动幅值和小球的抛动性能及输出流量与驱动电源频 率之间关系，首次发现了压电球阀的谐振特性，即在系统谐振频率( 6 0 0 0 h z 左右) 下， 不论是小球的抛起高度，还是球阀的流量输出都得到突增；另外还建立了压电球阀的动 力学模型，从理论上分析了小球高频抛动过程中的运动机制，剖析了压电阀谐振特性的 产生机理。 ( 4 ) 基于p w m 控制方法，对阀的输出流量分别进行了开环和闭环控制，稳态精度控 制在了1 l m i n 以下，验证了p w m 控制方法在该阀流量控制上可行性，为后续更高精 度的控制方法和控制算法的研究提供了理论依据。 综上所述，所研制的压电激振球阀不仅结构原理简单，体积较小，可实现快速大流 量输出，并且通过p w m 控制方法达到一定的稳态控制精度，验证了激振原理的压电球 摘要 硕士论文 阀比例流量控制的可行性。 关键词：压电球阀，高频驱动，谐振特性、p w m 硕士论文 预紧限位型气动数字压电球阔的结构及特性研究 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a le l e c t r i cp r o p o r t i o n a lv a l v ei sg e n e r a l l yd r i v e nb yt h ee l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r , w i t ht h es l o wr e s p o n s er a t e ，l o wc o n t r o lp r e c i s i o na n dt h en a l t o ww o r k i n g b a n d w i d t h ，t h i st r a d i t i o n a lv a l v ei s a l r e a d yc a n n o ts a t i s f ys o m en e wd e m a n d so ft h e a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m , e s p e c i a l l yi nt h eo c c a s i o nw h i c hr e q u i r e sh i g h s p e e dr e s p o n s e a l t h o u g ht h ep o w e r f u lh i g h s p e e ds o l e n o i da c t u a t o rc a ni m p r o v et h er e s p o n s er a t eal i t t l e ， b e c a u s eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，i n s t a l l a t i o n s p a c ea n dt h ei n e r t i ae f f e c t , f u r t h e r i m p r o v e m e n to ft h er e s p o n s er a t eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o rw i l lb e c o m em o r ed i f f i c u l t i nv i e wo ft h ei n s u f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a le l e c t r i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，i ti s v e r yn e c e s s a r y t od e s i g nan e wf l o wc o n t r o lv a l v ed r i v e nb yp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rc o m b i n i n gw i t ht h e p n e u m a t i ct h r o t t l ev a l v eo r g a n i c a l l y b a s e do nt h eo r i g i n a lp r e t i g h t e n i n gl i m i t e dd i g i t a lp i e z o e l e c t r i cb a l lv a l v e ，o nt h eb a s i s o fa n a l y z i n gi t ss h o r t c o m i n g s ，d e s i g n sm o r ep e r f e c tn e w e x p e r i m e n t a lc o n t r o l l i n ga n dd r i v i n g s y s t e ma n dr e l a t e dm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea r ed e s i g n e d ，a n dt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lm o d e la n d t h ef l o wr e s o n a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wv a l v ea r ea n a l y z e db o t hi n t h e o r ya n di n e x p e r i m e n t ，a n dt h e ns o m ef l o wp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls t u d yi sr e s e a r c h e da tl a s t f i r s t ，as e to fm o r ep e r f e c te x p e r i m e n t a lc o n t r o l l i n ga n dd r i v i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt o s a t i s f yt h ed e m a n d so ff a s t , h i g hf r e q u e n c yr e s p o n s e ，e f f i c i e n t l yc o n t r o la n ds oo n h i g h f r e q u e n c ys i g n a lg e n e r a t o ri sa d o p t e di n s t e a do fc o m p u t e rt oc o n t r o lt h ep z td r i v i n gp o w e r , r e d u c i n gt h es i g n a ld e l a y , a n dr e a l i z i n gt h eh i g hf r e q u e n c yr a n g e ( 1 一lo k h z ) c o n t i n u o u s l y a d j u s t i n gt e s t t h e nh i g hp o w e rp ip z td r i v i n gp o w e ri su s e dr e p l a c i n gt h eo r i g i n a lh p vp z t d r i v i n gp o w e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep i e z o e l e c t r i cv a l v e i nt h eh i g hf r e q u e n c y a r e a , t h eb a l lv a l v ew i l lr e a l i z eb i gf l o wo u t p u ta b o u t4 3l m i n ，a n dt h ed e a d l i n ep r e s s u r ew i l l r e a c ho 5 m p aa b o v e a n y h o w , t h i sn e ws y s t e mp l a y sar e m a r k a b l er o l ei nt h ep i e z o e l e c t r i c c r y s t a ld r i v ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t , a n di tw i l ll a yaf i r mf o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n t h i g t l f r e q u e n c yc o n t i n u o u s l ya d j u s t i n ge x p e r i m e ms t u d y s e c o n d , w h i l et h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ep i e z o e l e c t r i cb a l lv a l v eh a sr e a c h e dt h e i n d u s t r i a lu s i n gs t a n d a r d ，s o m er e l e v a n ts t r u c t u r a la n df u n c t i o nd e s i g n so f o p t i m i z a t i o na r e i m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s ，s u c ha s t h eo n ei st h er e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no fw o r k i n gi n a r b i t r a r yp o s i t i o n , m a k i n gi tm o r ea d a p t e dt ot h ev a r i o u sc o m p l e xi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n e n v i r o n m e n t t h es e c o n di st h er e d e s i g no ft h ef l o wp i p e l i n e ，t os o l v et h e l e a k a g ep r o b l e m so f t h ev a l v e ，a n dr e d u c et h el e a k a g ef r o mo r i g i n a l l yq u i t ed o z e n so fl i t e r sp e rm i n u t et o0 1 i i i a b s t r a c t硕士论文 l m i nb e l o we f f e c t i v e l y n l i r d ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb a l la n dt h e f l o wo u t p u to ft h ev a l v e ，a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o wo u t p u ta n dt h ed r i v e f r e q u e n c y , i ti s f o u n dt h a tw h e nt h ed r i v ef r e q u e n c yr e a c ha r o u n d6 0 0 0 h z ，t h et h r o w i n g h e i g h to f t h eb a l la n dt h ef l o wo u t p u tw i l lg e tf i e r c e l yi n c r e a s ea n dr e a c ham a x i m u m a n d t h e nt h ed y n a m i c sm o d e lo ft h ep i e z o e l e c t r i cb a l lv a l v ei se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s a n dt h e n t h e o r e t i c a la n a l y s e st h ed y n a m i cp r o c e s so fh i g hf r e q u e n c yt h r o w i n gb a l li sa l s or e s e a r c h e dt o a n a l y s e st h er e s o n a n tc h a r a c t e r i s t i c sg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo f t h ep i e z o e l e c t r i cv a l v e f i n a l l y , s o m ef l o wc o n t r o lr e s e a r c ho nt h eb a s i so fp w m c o n t r o lm e t h o di ss t u d i e di n t h i st h e s i sa f t e rt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i e z o e l e c t r i cv a l v ei sv e r yc l e a r n l ef l o w o u t p u ti s c o n t r o l l e db o t hi no p e n - l o o pa n dc l o s e d l o o pc o n t r o lm e t h o d , a c h i e v i n gc e r t a i n s t e a d yp r e c i s i o na b o u t1l r a i nb e l o w t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep w m c o n t r o lm e t h o d sa p p l y i n gi n t h ef l o wc o n t r o lo ft h i sn e wp i e z o e l e c t r i cv a l v ei sv e r i f i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lb a s i si sp r o v i d e df o rt h es u b s e q u e n th i g h e rp r e c i s i o nc o n t r o lm e t h o da n dc o n t r o l a l g o r i t h ms t u d y a l li na l l ，t h i sp i e z o e l e c t r i cb a l lv a l v ei sn o to n l ys i m p l ea n ds m a l l ，b u ta l s oh a sr e a l i z e d t h ef a s ta n db i gf l o wo u t p u tt a r g e t a n dt h a tac e r t a i ns t e a d y s t a t ec o n t r o la c c u r a c yi sa c h i e v e d a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o r t i o nf l o wc o n t r o lo ft h en e wt y p eo fp i e z o e l e c t r i cb a l lv a l v ei s a l s ov e r i f i e d k e y w o r d ：p i e z o e l e c t r i cb a l lv a l v e ，h i 曲行e q u e n c yd r i v e ，r e s o n a n tc h a r a c t e r i s t i c s ，p w m i v 硕士论文压电激振球阀的优化及流量控制研究 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 数字阀作为比例阀数字化的产物，可直接与计算机相接，无需d a 转换，输出量准 确、可靠；由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强；可得到较高的开环控制精度。 目前，气动数字阀一般都是由电磁驱动的，它已被广泛应用于每个工业部门，包括机器 人、飞行器、汽车、医疗器械以及生产过程的控制系统等。然而随着气动数字阀技术的 越来越成熟，气动自动化控制系统，对其控制性能提出了更高的要求：高控制精度、柔 性生产、高响应速率、高效率、高稳定性等【1 3 1 。 特别是在要求高速响应的场合，电磁阀主要还是由强力高速电磁铁驱动的，但它受 到电磁力、安装空间、运动惯性的影响，难以进一步提高高速电磁阀的响应速度。而压 电材料的自身性质又决定了它具有线性度好、输出力大、分辨率高、响应速度快( 一般 为肛s 级) 、工作频率宽等优点，所以压电驱动式数字阀较普通电磁数字阀一般具有结构 简单、体积小、功耗小、可控性好、适应性强等特点【4 5 1 。因此压电式数字阀在国内外都 得到了广泛的研究，目前越来越多的压电式数字阀已经逐渐从实验室研究走向了工业应 用场合。 根据惯性冲击位移放大原理，利用惯性冲击式压电驱动器与气动节流阀有机结合， 已研制出一种新型压电振子流量控制阀。这种新型的阀不仅结构原理简单，而且具有较 快的响应速率，但目前只是验证了这种阀原理上的可行性，而这种阀的很多性能参数还 没有达到实际应用的要求【6 t 7 】。因此，这种新型压电振子流量控制阀现在还处于理论实验 建模阶段，有待对其进行进一步的研究。先前只是尝试通过改变压电晶体形状，或者加 入弹簧预紧结构及竖直限位结构等等，来改善球阀性能，这些措施虽然改善了小球的抛 动性能，但效果并不很明显，还没有从根本上解决问题。 综合分析已研究出来的球阀结构与实验结果，发现目前这个压电球阀依然存在以下 几个问题： ( 1 ) 流量和截止压差( 球阀正常工作的最大气压力) 都没有达到实际应用的要求。通 过流量测试可知r 7 】：当进出口压差达到0 2 9 m p a 时就基本没有流量了，而且测试到的最 大流量只有2 3 l m i n 。只有提高了截止压差和通流流量( 截止压差达到o 5 m p a 以上，流 量为数十升每分钟) ，该球阀才会有相应的实际工程应用价值； ( 2 ) 不能实现阀的任意位置工作。原先球阀对安装位置要求很高，抗干扰性不强， 很难适应工业生产现场复杂的工况环境，球阀阀芯处于相对自由状态，工作时主要是靠 重力和气压力恢复原位，因此该阀只能工作在竖直安装位置，即小球抛动轴线与水平面 垂直，才能正常工作，这将大大限制这种球阀的应用； ； 2 1 绪论硕士论文 ( 3 ) 整个球阀系统由于结构的原因存在较大的泄漏，在工作压力较大的时候泄漏量 甚至和出口流量相当了，这么大的泄漏在很大程度上削弱了阀的流量输出能力，也造成 了能源的浪费，不符合经济节能的要求； ( 4 ) 前期实验总结出了一些该阀的流量输出特性，但还不够完整，由于当时实验系 统无法达到高频实验的要求，导致高频区流量特性还是一片空白。另外也没有对该阀的 流量输出进行有效的控制研究。 因此，非常有必要对这种新型的压电阀进行更深入的研究，优化完善其结构功能， 提高其输出流量，并实现流量的比例控制，以达到实际工程应用的目标。 1 2 压电驱动器的研究现状 根据压电材料的逆压电效应，压电陶瓷在1 m v m 的电场下，可产生o 1 的应变， 因此当在压电陶瓷的两个电极上施加不同极性的电压时，会产生一定的机械变形，与此 同时对结构产生一定的驱动力。根据以上原理制成的压电驱动器以其体积小、输出力大、 分辨率高、易于控制等优点，在微机电系统、超精密加工、微型机器人、军事航空和生 物工程等前沿学科领域已经得到广泛的应用【8 1 。 1 2 1 压电驱动器的分类 压电驱动器根据使用压电晶体的数量，主要包括薄片式和叠堆式两大类【9 , 1 0 。 ( 1 ) 薄片式压电驱动器 薄片式压电驱动器一般利用单片或双片压电晶体的弯曲变形实现驱动的。双晶片弯 曲驱动器是由两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的，结构如图 1 1 所示。单晶片弯曲驱动器结构与双晶片不同之处只是由金属代替了其中的一片陶瓷。 将弯曲驱动器一端固定，构成悬臂梁结构，沿z 轴方向施加电场，驱动器自由端发生弯 曲变形。 图l - 1 双晶片弯曲驱动器 以上这种弯曲变形式驱动器能够获得较大的输出位移，但是由于它是弯曲变形，响 应速度较慢，产生的力也不大。 ( 2 ) 层叠式压电驱动器 硕士论文 压电激振球阀的优化及流量控制研究 针对单片压电晶体，输出位移有限的缺点，驱动器采用了多层叠片结构，在较低的 电压下就能获得较大的变形量。层叠式压电驱动器，采取机械上串联、电学上并联的方 式组成压电陶瓷组件，其结构如图1 2 所示。 u 图1 2 层叠式压电驱动器 一旦加上电压，电场指向极化方向，就会导致每个陶瓷片变厚，使整个压电叠层伸 长。选用较薄又较多的压电片以及较大的压电片面积，有利于减小驱动电压，提高压电 叠层驱动器位移输出量和改善力学特性。 1 2 2 压电驱动器驱动性能提高的方法 压电驱动器最大的缺点就是其输出位移特别小，这将大大限制它的应用范围，为了 解决以上问题，目前最常用的解决方法包括以下几种：放大机构法、位移累积法、谐振 增幅法、高性能驱动电源。 ( 1 ) 放大机构法 放大机构法，就是在压电驱动器的输出位移末端加入位移放大机构，从而大大增大 了整个驱动器的输出位移。近年来，国内外学者研究最多的位移放大机构，大致分为杠 杆放大、三角放大、压曲放大、柔性铰链等【1 1 , 1 2 。 这种方法很好的解决了压电驱动器输出位移小的缺点，但是这些位移放大机构本身 结构较大，弹性铰链制造复杂、成本高，而在要求更大输出位移的场合，一般都要进行 多级放大，这就加大了驱动器的外形尺寸，不利于驱动器向小型化方向发展。 ( 2 ) 位移累积法 位移累积法【9 】，是指通过循环驱动，使得输出位移累积增大，这种方法不仅不损失 原驱动器的分辨率和输出力，理论上还可以使其行程无限大，因此国内外学者对这种方 法投入相当大的关注与研究。 其中最为常见的就是惯性冲击式压电驱动器，其根据实现方式不同又可分为两类： 一是利用驱动电信号的快速变化来驱动机构定向运动，其工作原理是通过电路系统产生 的脉冲波，使压电移动机构中的压电驱动元件快速变形( 产生较大的惯性冲击力) ，改变 不同运动方向的惯性驱动力，实现移动机构沿规定方向运动；另一种是控制移动机构和 支撑面之间的摩擦力，驱动机构定向运动，通过有序改变移动机构和支撑面之间正压力， 相应使摩擦力改变，并和惯性冲击力方向的变化有机结合，形成机构的定向移动。这一 3 4 1 绪论硕士论文 类驱动器不仅行程大，分辨率高，而且结构简单，成本低，具有很高的研究价值和应用 前景【1 3 】。 ( 3 ) 谐振增幅法 利用压电陶瓷的谐振特性，即当驱动信号的频率达到驱动器的谐振频率时，驱动器 的输出位移就会发生突增。这种方法在不加入任何机械放大机构的情况下，将输出位移 放大了相当大的倍数，放大效果远远高于普通的放大机构，但是这种方法对驱动电源提 出了较高的要求【1 4 1 。 ( 4 ) 驱动电源技术 由于压电材料所固有的迟滞、蠕变等效应，使得压电驱动器在控制方面面临着很大 的困难，而驱动电源则是引起迟滞和蠕变现象最主要的原因，通过改进压电驱动电源技 术，才能有效地减小压电材料的迟滞、蠕变现象，提高压电驱动器稳定性。目前压电驱 动电源主要分为两大类：一种为电压控制型电源，另一种为电流控制型电源，要满足压 电驱动器的驱动要求，驱动电源必须要具备以下特性【3 6 。9 】： ( 1 ) 驱动电源的输出控制电压必须连续可调，以保证压电驱动器的输出位移也是连 续的； ( 2 ) 压电驱动器一级初始输出位移只有几十微米或者更小，因此要保证输出位移的 精确性，驱动电源应具有良好的稳定性，即其应该具备较小的输出纹波电压； ( 3 ) 驱动电源内部必须设计专门供容性负载快速放电的放电回路，从而达到压电驱 动器高频响的要求； ( 4 ) 压电驱动器输出位移的响应速度，主要取决于驱动电源驱动电流的大小，因此 驱动电源驱动性能的好坏很大程度上也是由其驱动电流所决定的。 1 2 3 压电驱动技术的国内外发展现状 压电驱动技术研究是超声学与压电学在机械领域的延伸与发展，日本最先开始这方 面的研究，2 0 世纪8 0 年代以后，压电驱动与控制技术在全球获得了迅猛发展，现已形 成了专门的研究领域，成为近年国内外热门的研究领域之一。 世界上对压电驱动与控制技术的研究以日本最为先进，已经掌握了世界上大多数的 压电驱动器发明专利技术。东京大学、山形大学和东京工业大学等高校，以及松下电工、 索尼、t o n i n 等高新科技企业的研究机构，都一直进行着这方面的研究，并取得了丰 厚的成果【1 5 - 1 8 】，美国、德国和法国也不甘落后，正加速追赶日本。德国k a r l s r u h e 大学、 意大利的c a t a n i a 大学、麻省理工学院等院校都在研制自己的压电驱动器以及相应的应 用【1 9 - 2 2 1 。 2 0 世纪8 0 年代以后，我国才陆续开始了压电驱动与控制技术的研究，2 0 世纪9 0 年代以后有了较大进展，主要集中于压电精密定位、压电多自由度电动机等项目上。目 硕士论文压电激振球阀的优化及流量控制研究 前东南大学等国内一些研究机构一直在进行柔性铰链放大结构的研究，并设计了基于正 交三角放大原理的微位移放大机构，该驱动器的各项指标均达到了设计要求1 2 3 1 。同济大 学李杰等人对压电驱动器的驱动力与输入电压的关系进行了大量的研究分析，进行了压 电驱动主动控制方面的探索1 2 4 1 。吉林大学目前正在开展步进式与惯性冲击式压电精密驱 动器的研制工作，已取得了初步成果，温建明等人采用简单的对称信号波形驱动惯性驱 动机构，直线驱动速度可达到l m m s ，最大步长分辨率为2 0 r i m ，最大承载能力为 1 0 0 0 9 1 3 】。上海交通大学研制了直径为5 m m 的压电微电动机，其输出力矩为1 0 1 9 n m ， 转速可在4 0 - - 5 0 0 r r a i n 内调整，清华大学、东南大学和哈尔滨工业大学等高校也先后进 行了相关的研究工作 2 5 2 6 1 。 综上所述，压电驱动器在机械行业、精密器具、光学、生物医药等领域都有着广泛 的应用。目前压电驱动器趋向于大行程高精度方向发展，压电驱动器的控制电源、控制 系统和控制方法都有待进一步研究。 1 3 压电阀的研究现状 数字阀控制技术作为一种新型的电液气控制技术，对传统的比例伺服控制技术提出 了挑战。数字阀可以实现高精度伺服控制，并具有体积小、控制灵活、可靠性高、抗污 染能力强和价格低廉等优点。压电阀是将数字阀控制技术与压电驱动技术相结合，使其 在拥有数字阀优点的同时，还具有其他驱动方式下所不完全具有的优势，如高频响、低 功耗、响应快、抗电磁干扰能力强等，但是压电陶瓷的应变约为0 1 ，输出位移相当 小，一般只有几十微米，而一般驱动阀芯都需几百微米的位移输出，所以压电驱动器的 位移输出端一般都需要加位移放大机构。目前主要通过杠杆位移放大、柔性铰链放大、 液压放大等方法来解决。总之，压电阀将是流体控制领域一个新兴的、非常具有应用前 景的研究方向。 压电阀最早出现于日本( 1 9 8 9 年) ，后来，德国亚琛工业大学流体传动及控制研究所 ( i f a s ) 、美国加利福尼亚州c s a 机构、中国吉林大学，浙江大学，南京理工大学等院所 都对压电阀进行了相关研究，并取得了比较好的效果【2 7 2 8 1 。 目前，利用压电驱动器作为驱动器件的压电阀已经得到了广泛的应用与发展，如压 电式高速开关阀、压电伺服阀、混合式压电阀以及冲击式压电阀等四j 。 ( 1 ) 压电式高速开关阀 压电驱动器由于它自身的优点被广泛地用于各种阀。起初，压电驱动器主要用于功 能单一的开关阀，特别是在需高速响应、流体精密控制等场合，压电式开关阀发挥了其 无法比拟的优势。日本d o g a na 等学者用p z t 双晶片型压电驱动器，研制了一种响应 频率较高、流量较大的高速开关阀1 3 0 】，如图1 3 所示。该阀是通过一对晶片型压电驱动 器来控制打开或关闭不同的喷嘴以驱动锥阀运动，实现大流量输出。实验结果表明，该 5 6 1 绪论 硕士论文 阀响应频率可达2 0 0 h z ，在2 0 m p a 系统压力下，输出流量可达9 2 4 l m i n ，其最大响应 频率为同规格普通电磁开关阀最大响应频率的2 倍。 图1 3 压电式高速开关阀 ( 2 ) 压电式伺服阀 1 9 9 2 年后出现了以压电叠堆为驱动力源的单级直动式伺服阀，日本的横土真一等人 利用两组压电叠堆推动一个锥阀阀芯1 3 1 1 ，并通过磁阻式位移传感器对阀芯位移进行检 测，完成闭环控制。在0 - - 1 0 0 v 电压驱动下，阀的开关时间不超过7 0 1 a s ，可跟踪2 k h z 的方波信号。当时的主要问题是压电体变形过小，因而能够控制的流量极小( 不足 0 2 l m i n ) ，从而限制了这种阀的进一步发展与应用。而吉林大学也在这方面做了相关研 究，设计一种新型的直动式压电伺h 畏n t 3 2 1 ，如图1 4 所示，该阀频宽超过了l k h z ，分辨 率优于o 0 2 ，实现了流体的高速精密控制。 1 弹性回复板2 左端延长杆3 滑阀 4 右端延长杆5 压电叠堆 图1 4 单级直动式伺服阀 ( 3 ) 混合型压电阀 混合型压电阀，就是将压电驱动技术与传统的电磁驱动技术相结合，巧妙地克服了 压电驱动位移较小的缺点，又充分发挥了其高响应，高输出力等特点。美国c a t e r p i l l a r 公司和a a c h e n 大学都做过这方面的研究【3 3 3 4 1 。如图1 5 所示，这是a a c h e n 大学目前正 在研究的一种高动态混合型压电阀，其动态性能是目前传统伺服阀的3 倍，利用高动态 的压电晶体来驱动阀套，同时以传统的驱动方式来驱动滑阀。因此，两个执行元件可以 相互调节而更快地改变油液流过的横截面积。 硕士论文 压电激振球阀的优化及流量控制研究 措闽线性马达 图1 5 混合型压电阀 ( 4 ) 冲击型压电阀 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室利用压电执行器高频响、高输出力的冲击 特性，设计出一种新型的压电数字阀【3 5 】，该阀利用压电执行器的冲击力来打开和关闭阀 芯，同时借助相应的液压力来保证阀芯达到较大的开度。该阀的特点是无需对压电执行 器的微输出位移进行放大，设计目标可达2 0 0 h z 、2 0 m p a 、1 0 l m i n 。南京理工大学s m c 气动技术中心也在这方面有所研究岬】，如图1 6 所示，它通过压电晶体连续撞击小球， 使小球被抛起从而打开阀口，通过脉冲控制阀口的开度实现流量控制，其结构原理简单、 高频响是该阀最大的优点，但是其流量和系统工作压力都比较小，流量特性还在进一步 完善和确定。 出气口 1 上阀体2 下阀体 3 一螺钉 4 一玻璃盖5 一小球6 压电晶体 图1 6 冲击型压电球阀 综上所述，目前国内外对压电阀的研究，大部分还处于实验室研究阶段，在研究达 到其中某一指标的同时，其他各项指标还存在较大的提升空间，例如，控制流量较小、 结构比较复杂、体积还不够小巧等，因此压电阀的综合性能还有待进一步提高。 1 4p w m 控制方法及控制策略 1 4 1p w m 控制方法 数字阀就是用数字信息直接控制阀的工作，而在压电阀的研究过程中，最终对其流 7 1 绪论硕士论文 量进行数字比例控制是相当重要的一环，在这一环节中要把计算机等数字信号输出端输 出的脉冲控制信号，通过一定的比例控制方法，调制成可以被受控对象接受的信号。脉 冲调制过程中，通过控制脉冲的某一特征参数，使其变化能够反映被控对象中的控制信 息变化。目前脉冲调制比例控制方法主要包括以下几种：脉宽调f l 争 ( p w m ) 、脉幅调制 ( p a m ) 、脉数调制( p n m ) 、脉码调锘u ( p c m ) 、脉频调制( p f m ) 等。 其中脉宽调带i j ( p u l s ew i d 也m o d u l a t i o n ，p w m ) ，在数字控制领域中运用得最为广泛。 这种方法是用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的宽度，使每个脉冲的持续时间与该瞬时 的调制信号值成比例。此时脉冲序列的幅度保持不变，被调制的是脉冲的前沿或后沿， 或同时是前后两沿，使脉冲持续时间发生变化。早在在2 0 世纪3 0 年代，a h 里夫就提 出了p w m 控制的基本原理，但是由于受电力电子器件发展水平的制约，在8 0 年代以 前一直未能实现。8 0 年代以后随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以 及新的理论方法的提出，p w m 控制技术才逐渐被工业系统所运用，并获得空前的发展。 p w m 的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式，无需a d 转换，让信号保持为 数字信号形式可将噪声影响降到最小。综上所述，p w m 以其经济、节约空间、控制简 单灵活、动态响应好、以及抗噪性能强等优点，近年来已经成为大家广泛研究的热 点。 p w m 控制方法在数字阀领域的应用，主要是在高速开关数字阀方面，因为高速开 关阀一般是通过与阀芯位移信号相对应的一组脉冲控制信号直接使阀作“通”、“断” 动作，形成间断的脉冲流体，并利用流体系统的低通滤波特性，实现对流体的准连续控 制，其控制系统图如图1 7 所示。在p w m 控制方式下，数字阀的流量输出在大部分区 域内是和脉宽占空比成线性关系的。 输 入 信 号 控被 控 制 量 图1 7 脉冲调制数孚阀控制系统 1 4 2 数字控制策略 数字控制系统根据自身系统特性，对应地采用上述的某种数字控制方法，同时数字 控制策略的选择也相当重要，它对保证数字控制系统的灵活性和可靠性具有很大的作 用。控制策略是用软件实现的，即通过程序对数字信号加工处理，如果要改变控制策略 只需改变程序，无需改变整个控制系统的硬件，而且控制策略的好坏，直接决定系统的 被控效果，针对不同的受控对象，应该采取与其相适应的控制策略，以达到最佳的控制 效果。因此，近年来许多研究者致力于这方面的研究，先后提出了各种不同的数字控制 硕上论文压电激振球阀的优化及流量控制研究 策略： ( 1 ) 模糊控制 传统的控制方法主要依赖于系统的数学模型，但系统的数学模型往往是未知或难以 描述的，即便已经知道了数学模型，但参数是难以确定或者是一直变化的。这时就可以 运用到模糊控制方法。模糊控制系统是由模糊化、模糊规则库和反模糊化三部分组成的， 模糊控制的优点在于控制过程中主要依赖于设计者的经验，而不需要准确的数学模型， 对非线性系统的控制比较适用，但模糊规则库中模糊控制隶属函数的选择没有明确的依 据、模糊规则由设计者的经验得到，很难保证规则库的完备性。 ( 2 ) 鲁棒控制 由于工作状态变化、外部干扰以及建模误差，使得系统数学模型变得更加难以确定， 设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，这个过程就是鲁棒控制。 控制过程中，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围，一些算法不需要精确的过 程模型，但需要一些离线辨识。过程控制中，对于那些不确定因素变化范围大、稳定裕 度小的对象，比较适合鲁棒控制。但是其整个控制系统的设计要由高级专家完成，一旦 设计完成，不需要太多人工干预，如要改变和升级就需要重新设计，设计过程复杂且灵 活性较差。 ( 3 ) p i d 控制 p i d 控制是一种比较成熟，应用广泛的控制方法，整个系统包括比例环节、积分环 节和微分环节。其中比例环节可以减小系统的稳态误差，提高控制精度；微分控制有利 于增强系统的稳定性；积分可以提高系统的无差度，从而使系统的稳定性提高。p i d 控 制参数整定和调节容易、结构简单灵活、适应性强，但p i d 控制不能解决因为时间延迟 而引起的带宽减小的问题。 ( 4 ) 神经网络控制 神经网络是由大量人工神经元，通过广泛互联而成的网络，基于人工神经网络的控 制就叫做神经网络控制。神经网络控制是把现代神经生物学与认识科学相结合，并将其 应用到人类信息处理过程中，从而形成的控制算法。它具有很强的自适应性和学习能力、 非线性映射能力和容错能力，充分地将这些神经网络特性应用于控制领域，可以使控制 系统的更趋向于智能化，由于神经网络控制算法的上述优点，现在越来越受到人们的重 视 4 0 4 2 1 。 1 5 论文研究的主要内容 本课题主要是在课题组先前已研制出的压电球阀样机的基础上用，如图1 8 所示， 通过理论分析和试验研究，从驱动方式、阀的机械结构等方面入手改善整个压电阀系统， 提高其性能，实现高压差下大流量输出和流量比例控制，使其符合工业应用的需求。其 o l 绪论硕士论文 主要研究内容如下： 嘶 图1 8 已研制出的压电阀结构图 ( 1 ) 提高压电陶瓷驱动性能的研究 通过对压电陶瓷驱动性能影响因素的分析，本课题拟从以下两方面着手提高压电陶 瓷的驱动性能。 首先，从驱动电源本身的性能参数着手，因为驱动电源对压电陶瓷和机构的微位移 性能影响很大，特别是机构的动态特性。驱动电源的性能( 功率，瞬时电流等) 是影响 压电晶体形变速率的主要因素之一，而提高压电晶体的形变速率是提高小球抛动性能和 球阀流量的基础。 其次，从提高驱动信号频率入手，从文献 8 】可知，日本的s u m a d ij i e n 等学者在将 驱动频率提高到数十千赫兹时，球阀流量出现谐振突增的现象，而本课题所研究的压电 球阀在高频下是不是也会出现上述现象，有待通过实验来进一步研究。 ( 2 ) 球阀结构改善的研究 目前的压电球阀为了保证阀芯在整个工作过程都在竖直方向上抛动，球阀阀座只能 竖直安装，即小球抛动轴线与水平方向垂直，这样才能保证小球在每次下落过程都能回 复到原位，正常关闭阀口，从而使球阀能够稳定地工作，稍微有些外界扰动，压电球阀 就很容易失效，这就大大限制了所研究阀的应用范围。因此，在不影响阀芯抛动性能的 前提下加入阀芯限位结构，使球阀可以在任意角度安装都能正常工作就显得格外必要。 另外，先前的球阀由于加工和本身结构的原因存在较大的泄漏，已经在很大程度上 削弱所研究阀的流量输出能力，因此改善密封方式或本身结构，减少系统的泄漏量，也 是提高球阀性能一个有效的途径。 ( 3 ) 球阀的流量特性及控制方法研究 从文献1 7 p - f i 知，低频时，球阀的流量与驱动信号频率成线性关系，但流量较小，没 有实际应用的意义；高频时，小球作无序上抛运动，球阀出口流量较大、波动也较大， 1 0 硕士论文 压电激振球隅的优化及流量控制研究 但其平均值与频率不再存在线性关系。而且由于实验控制系统的限制，前期研究驱动频 率只做到5 0 0 i - i z ，很难找到准确的流量特性规律用于控制。因此本课题将进一步研究高 频下的流量特性，拟将驱动信号频率提升至5 0 0 0 h z 或者更高，从而得出较完整的流量 特性。 通过研究该压电球阀完整的流量特性，当其满足控制要求时，本课题将采用相应的 数字比例控制方式来实现流量控制，考虑压电转换器的特性，