超高压开关气源系统的建模与控制研究

摘要

气动技术是以压缩气体作为工作介质进行能量和信号传递，实现生产机械化和自动化的一门技术。由于超高压气体存储以及运输方便，所以一般应用于气动系统的气体都以高压或者超高压的形式存储。在实际气动系统应用当中多以中低压气体为主要工作介质，因此在某些中低压气动应用场合，必须将高压压缩空气经过减压控制环节，一般的气体减压方式分为两种：节流减压和容积减压；而在其他一些高压气动应用场合，为了节省气源成本，需要对气源总线进行部分增压以满足执行器对气体工作压力的需求。根据对气动系统完成减压以及增压功能的需求，并结合开关电源以及开关液压源的概念和原理，本文提出了超高压开关气源概念，并且对其进行数学建模仿真和实验研究。论文的主要内容如下： 第一章综述了气动技术的应用；概述了气动伺服技术的发展以及简介了PWM脉宽调制技术在气动控制当中的应用；简述了高压气动的内容与发展状况；提出了超高压开关气源的概念，阐述了论文的研究内容以及所要进行的工作。 第二章介绍了超高压开关气源的结构以及工作原理。分别分析了减压型和增压型开关气源系统的结构组成、工作原理以及可能影响减压型开关气源和增压型开关气源工作性能的主要因素。 第三章建立减压型开关气源系统数学模型并进行了仿真分析。仿真结果表明：提出的减压型开关气源系统具有良好的工作效果，可以实现稳定的压力输出；开关阀的响应频率、气容容积等因素对系统性能的影响较大。分析了不同控制策略下系统的工作性能，比较了几种控制策略对于减压型开关气源系统的控制优劣。 第四章建立增压型开关气源的数学模型。仿真分析了各种影响因素对增压型开关气源工作性能的影响，仿真结果表明该系统能实现将气源压力增大供给负载。 第五章介绍了开关气源系统实验设备，建立了实验系统。对减压型开关气源系统所采用的常规PID控制、模糊控制以及模糊PID控制等控制策略进行了实验研究。研究结果表明，减压型开关气源能实现输出压力连续可控。 第六章对全文进行总结，并对后续工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1气动技术应用概述

1.2气动开关伺服技术概述

1.3高压气动系统概述

1.3.1高压气动系统应用概述

1.3.2高压气动系统发展展望

1.4高压气动系统压力控制方法概述

1.4.1高压气动系统减压控制方法概述

1.4.2高压气动系统增压控制方法概述

1.5超高压开关气源的概述

1.6课题的提出和本文研究的主要内容

1.6.1课题提出

1.6.2论文主要研究工作

1.7本章小结

第二章超高压开关气源系统组成与原理分析

2.1超高压开关气源系统组成

2.2减压型开关气源工作原理及影响因素

2.2.1减压型开关气源结构

2.2.2减压型开关气源工作原理简介

2.2.3影响减压型开关气源性能的主要因素

2.3增压型开关气源工作原理及影响因素

2.3.1增压型开关气源结构

2.3.2增压型开关气源工作原理简介

2.3.3影响增压型开关气源性能的主要因素

2.4本章小结

第三章减压型开关气源系统数学建模及仿真分析

3.1减压型开关气源原理示意图的建立

3.2系统建模的假设条件

3.3减压型开关气源数学模型的建立

3.3.1气容的定义

3.3.2减压型开关气源流量特性方程

3.3.3减压型开关气源系统内压力微分方程

3.4减压型开关气源PID控制分析

3.4.1PID控制算法

3.4.2减压型开关气源系统PID控制仿真模型建立

3.4.3减压型开关气源系统PID控制仿真分析

3.5减压型开关气源的模糊控制分析

3.5.1模糊控制的基本原理

3.5.2模糊控制器的设计

3.5.3减压型开关气源模糊控制仿真模型建立

3.5.4超高压减压型开关气压系统模糊控制仿真分析

3.6减压型开关气源系统模糊PID参数自整定控制分析

3.6.1模糊PID参数自整定的原理

3.6.2模糊控制器的设计

3.6.3减压型开关气源系统模糊PID参数自整定控制模块建立

3.6.4减压型开关气源系统模糊PID参数自整定控制仿真分析

3.7本章小结

第四章增压型开关气源系统数学建模及仿真分析

4.1增压型开关气源原理示意图的建立

4.2增压型开关气源数学模型的建立

4.2.1气感的定义

4.2.2增压型开关气源系统内气体变化方程

4.3增压型开关气源仿真分析

4.3.1增压型开关气源仿真模型的建立

4.3.2增压型开关气源仿真分析

4.4本章小结

第五章实验研究

5.1实验内容

5.2实验系统设计

5.2.1实验设备

5.2.2减压型开关气源系统实验数据采集模块设计

5.2.3实验程序

5.3开关气源实验

5.3.1传感器精度测定

5.3.1减压型开关气源系统常规PID控制

5.3.2减压型开关气源模糊控制

5.3.3减压型开关气源系统模糊PID控制

5.3.4PID控制、模糊控制以及模糊PID参数自整定控制效果比较

5.3.5实验总结

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表和录用的学术论文

致谢