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基于超磁致伸缩致动器的高速数字开关阀的参数设计及其特性研究

作　者: 张雪梅
导　师: 史大光
学　校: 山东科技大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 脉宽调制信号(PWM) 磁致伸缩致动器数学模型数字仿真 ITAE准则
分类号: TH134
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着技术的不断进步，流体控制技术和计算机控制技术也在飞速发展。特别是近几年，由于微型计算机技术的发展和提高，特别是价格低廉的各种单片机或微控制器的广泛应用，为液压系统的数字化提供了必要的条件，数字技术已应用于液压控制工程的诸多方面，使得液压元件的机电一体化技术逐步成熟。本文主要研究液压阀的直接数字化控制技术，即高速数字开关阀的相关技术。高速数字开关阀是20世纪80年代提出的一种与计算机数字I／O可以直接接口的液压元件，与现有的以开口度(液阻)对系统进行调控的传统液压阀相比，这种液压元件具有响应速度快、结构简单、抗污染能力强等特点。这种液压阀是通过PWM信号产生控制功能，通过控制脉冲频率或脉冲宽度，对液压阀的流量进行连续的控制。由于这种阀门与微控制器不再需要A／D转换接口，大大简化了复杂的接口电路，因此高速数字开关阀是一种非常有前途的数字阀，发展这种数字元件将是工业现代化的必然选择。高速数字开关阀一般由脉宽调制器、超磁致伸缩致动器、位移杠杆放大机构以及圆柱滑阀组成。为形成波动小的连续液流，必须提高这种阀门开关频率。因此进一步提高高速数字开关阀的响应频率，降低其响应时间，改善其性能，是开关阀实用化的关键所在。本文从致动器的方面考虑，通过比较，稀土超磁致伸缩致动器比传统致动器(电磁式、压电式、步进电机式)具有高频响的突出优点。在综述现有文献成果的基础上，本文中对稀土超磁致伸缩致动器应用于高速数字开关阀的相关问题做了进一步的研究。文章首先从高速数字开关阀的理论出发，详细地研究和分析其结构、工作原理等，并根据其电磁特性和机械特性，建立了数学模型，然后将数学模型线性化并转化为传递函数方框图；进而转化为仿真模型，结合MATLAB WITH SIMULINK仿真工具，进行数字仿真，生成动、静态仿真曲线图。在此基础上，研究和分析了各种参数(脉宽占空比、线圈匝数、位移放大倍数、频率等)对高速数字开关阀的影响，得出规律，然后利用ITAE准则(即时间乘绝对误差积分准则)优化方法，对高速数字开关阀的模型进行参数优化，得到最优参数。本文由于实验条件所限，仅在仿真结果基础上(包括静态性能和动态性能等)，说明了通过合理改变位移放大倍数和线圈匝数能明显提高高速数字开关阀的性能。上述一系列的理论研究和仿真分析，为最后研制和开发新型高速数字开关阀打下了坚实的基础。该课题研究的目标是促进液压控制技术的发展，使流体控制技术与计算机控制技术更好地结合，以适应机电一体化的技术发展趋势。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-21
  1.1 直接数字化接口流体控制阀的发展现状  13-16
  1.2 高速数字开关阀国内外发展状况与技术分析  16-19
  1.3 本课题研究的意义  19-20
  1.4 本课题的主要研究内容  20-21
第2章数字化调节阀的各种实现方式  21-32
  2.1 高速数字开关阀液流PWM控制  21-22
  2.2 高速开关阀液流的PWM控制及其工作原理  22-23
  2.3 液流PWM控制系统的优点  23-24
  2.4 高速数字开关阀及其驱动(电/机转换)元件的分析  24-31
  2.5 开关式直接数字化液压阀的技术关键  31
  2.6 本章小结  31-32
第3章稀土超磁致伸缩致动器的应用研究  32-41
  3.1 稀土超磁致伸缩材料介绍  32-33
  3.2 稀土超磁致伸缩致动器类型及应用  33-37
  3.3 超磁致伸缩致动器结构原理及试验研究  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第4章高速数字开关阀数学模型的建立  41-52
  4.1 高速数字开关阀的结构和工作原理  41-42
  4.2 高速数字开关阀数学模型的建立  42-51
  4.3 本章小结  51-52
第5章超磁致伸缩高速数字开关阀的数字仿真  52-71
  5.1 仿真的基本概念和基本知识  52-53
  5.2 仿真软件  53
  5.3 计算机仿真的过程  53-54
  5.4 磁致伸缩高速数字开关阀计算机仿真模型的建立  54-70
  5.5 本章小结  70-71
第6章磁致伸缩高速数字开关阀性能参数的优化  71-77
  6.1 ITAE准则优化方法  71
  6.2 ITAE准则优化方法的优化模型  71-73
  6.3 磁致伸缩高速数字开关阀参数的优化  73-76
  6.4 本章小结  76-77
第7章工作总结与展望  77-79
  7.1 工作总结  77-78
  7.2 全文展望  78-79
致谢  79-80
攻读学位期间主要成果  80-81
参考文献  81-84
详细摘要  84-105

基于超磁致伸缩致动器的高速数字开关阀的参数设计及其特性研究

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