阀门定位器气动传动系统建模与MATLAB仿真分析.pdf

阀门定位器气动传动系统建模与 MA T L A B仿真分析 口杨菲 口杨德伟 1 ． 兰 州理 工 大学 机 电工程 学 院 兰州 7 3 0 0 5 0 2 ． 兰 州理 工 大学 电气工程 与信 息工程 学院 兰 州 7 3 0 0 5 0 摘 要 针对 阀门定位 器的比例阀一 气缸一 阀杆 系统进行研究 ， 并有针对性地建立 了数学模型， 利 用 S i mu l i n k对控制 系统进行 了模拟仿真 ， 对比验证 了数 学模型的正确性。对仿真曲线的分析， 得到对 系统 动态响应有影响的因素， 并对改善 系统动态响应特性提 出理论分析 ， 为进一步提 高系统精度提供理论 支 持 。 关 键词 调节 阀 Si mu l i n k 动态 响应 压 力控 制系统 建模 中图分类号 T P 2 1 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 6 0 1 0 0 2 2 0 4 阀 门 定 位 器 是 调 节 阀 控 制 系 统 中 的 核 心 部 件 ， 它 与 调 节 阀 、 传 感 器 等 一 起 构 成 一 个 闭 环 控 制 回 路 。阀 门 静 态 特 性 和 动 态 特 性 的 不 同 直 接 影 响 了 阀 门 的 质 量 特 性 ， 特 别 是 具 有 流 量 调 节 作 用 的 调 节 阀 。阀 门 定 位 器 的 使 用 有 助 于 克 服 流 体 介 质 的 扰 动 和 阀 门 填 料 的 摩 擦 力 ， 可 提 高 系 统 控 制 精 度 ， 同 时 增 加 控 制 的 灵 活 性 。 设 计 的 调 节 阀 自动 调 节 系 统 基 本 结 构 如 图1所 示 ． 控 制 核 心 是 MS P 4 3 0系 列 单 片 机 ， I ／ P转 换 采 用 先 导 式 电 ／ 气 比例 阀 。 反 馈 回路 采 用 阀 位 反 馈 和 阀 后 压 力 反 馈 的 双 反 馈 形 式 。 在 硬 件 上 提 高 了 系 统 的 控 制 精 度 。 扰动 ▲圈 l 系统框图 为 研 究 本 次 设 计 改 进 对 调 节 阀 动 态 特 性 的 影 响 ， 笔 者 依 据 调 节 阀 、 薄 膜 气 缸 和 先 导 式 电 ／ 气 比 例 阀 的 物 理 结 构 及 基 本 原 理 ， 对 本 系 统 进 行 数 学 建 模 和 仿 真 ， 分 析 影 响 系 统 动 态 特 性 的 因 素 ， 为 降 低 流 体 介 质 对 调 节 过 程 的 扰 动 和 实 现 调 节 阀 的 精 度 控 制 奠 定 理 论 基 础 。 1 数学模型 的建立 1 ． 1 调 节 阀 调 节 对 象 的 数 学 模 型 调 节 阀 阀 杆 的 运 动 可 认 为 是 在 气 动 力 激 励 条 件 下 的 弹 簧 阻 尼 机 构 的 运 动 ， 等 效 图 如 图 2所 示 ， 将 阀 杆 及 其 附 件 视 为 一 个 质 量 为 m 的 质 块 将 弹 簧 质 量 计 入 其 中 ， 设 阀 杆 位 移 为 ， 气 动 力 为 F t ， 系 统 等 效 刚 度 为 k， 系 统 阻 尼 系 数 为 c， 摩 擦 因 数 为 厂 动 摩 擦 因 数 为 ，静 摩 擦 因 数 为 。 在 对 模 型 进 行 物 理 分 析 前 ， 先 进 行假 设 ① 假 设 本 系统 的各 个 部 分 均 处 于 特 定 的 温 度 和 湿 度 环 境 下 ； ② 假 设各 金 属 构件 均 为 理 想 刚 体 。 根 据 假 设 及 等 效 图 ， 由 牛 顿 第 二 定 律 得 到 调 节 阀 阀 芯 的 力 平 衡 方 程 为 mi i c k x F t 一 n _ - t 1 式 中 为 负 载 扰 动 力 ，包 括 系 统 扰 动 摩 擦 力 和 重 力 等 ； 为 摩 擦 力 。 当 系 统 静 态 时 。 按 照 阀 门 密 封 性 要 求 ， 阀 门 静 摩 擦 力 由 出 厂 时 填 料 类 型 及 填 料 量 的 多 少 确 定 ，可 视 为 常 量 ， 决 定 了 阀 门 死 区 阀 门 调 节 的 不 灵 敏 区 大 小 及 动 态 工 作 范 围 。负 载 扰 动 力 相 对 于 静 摩 擦 力 可 忽 略 不 计 ， 但 影 响 系 统 稳 定 性 ， 在 建 模 时 可 不 予 考 虑 ， 所 以 式 1 微 分 方 程 可 改 写 为 ， ， c F ￡ 一F m 2 此 时 指 的 是 静 摩 擦 力 。 对 式 2 进 行 拉 氏 变 换 即 拉 普 拉 斯 变 换 是 实 变 量 函 数 和 复 变 量 函 数 间 的 一 种 函 数 变 换 ， 同 时 ， 在 动 态 工 作 范 围 内 不 考 虑 静 摩 擦 力 的 前 提 下 ， 将 并 人 死 区 内 ； F t 等 于 气 动 执 行 器 输 出 压 强 Pl ￡ 与 阀 杆 等 效 截 面 积 A 的 比 值 ， 则 系 统 开 环 传 递 函数 可 近 似 写 为 G I A 3 s 旦一 旦一 收稿 13 期 2 0 1 5 年9月 1 ． 2气 动 执 行 器 数 学 模 型 f圉 2 0 1 6 ／ 1 机 械 制 造 5 4 卷 第 6 1 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 薄 膜 气 缸 可 以等 效 为 一 个 气 动 阻 容 环 节 ． 当输 入 压 力 信 号 发 生 变 化 后 ， 其 输 出 压 力 也 随 之 发 生 变 化 ， 其 充 放 气 过 程 频 率 的快 慢 取 决 于 气 动 阻 容 环 节 的 时 间 常 数 。微 分 方 程 为 △ p △ p 。 4 通 过 分 析 ，气 动 执 行 器 是 一 个 具 有 纯 滞 后 的惯 性 环 节 ， 传 递 函 数 可 近 似 表 示 为 G 2 5 式 中 P2 为 气 动 执 行 器 输 出 压 强 ； p 3 为 气 动 执 行 器 输 入 压 强 ， 即 先 导 式 电／ 气 比 例 阀 输 出 压 强 ； 为 气 动 阻 容 环 节 的 时 间 常 数 ， T 2 RC，其 中 为 气 路 气 阻 ， C为 气 路 气 容 ； K 为 放 大 因 数； r为 时 间 常 数 ； s为 拉 氏 因 子 。 1 ． 3先 导 式 电／ 气 比 例 阀 数 学 模 型 由 于 气 体 的 流 动 状 态 复 杂 ，为 了 更 好 地 分 析 和 研 究 气 动 系 统 的 特 性 ， 简 化 模 型 如 图 3所 示 。 在 以 下 的 分 析 中 。 作 如 下 假 设 工 作 介 质 为 理 想 气 体 ， 系 统 泄 露 忽 略 不 计 ， 气 源 压 力 、 大 气 压 力 及 环 境 均 恒 定 不 变 ， 气 腔 内外 没 有 热 交 换 。 1 ． 3 ． 1 阀 芯 的 力 平 衡 方 程 对 比例 阀 主 阀 芯 进 行 充 气 和 排 气 两 种 状 态 下 的 受 力 分 析 图 3 ， 可 得 系 统 动 力 学 微 分 方 程 如 下 ， r 1 c l 0 1 P】 A 1 一 。 一 1 m 6 式 中 A 为 主 阀 芯 顶 部 有 效 截 面 积 ； 。为 主 阀 芯 底 部 有 效 截 面 积 ； k为 系 统 等 效 刚 度 ； P 1 为 先 导 腔 压 力 ； P 0 为 比例 阀输 出 压 力 ； 为 弹 簧 压 缩 量 ； 。 为 弹 簧 预 压 缩 量 c为 系 统 阻 尼 系 数 。 1 ． 3． 2 流 量 连 续 性 方 程 根 据 质 量 守 恒 定 律 ．流 入 容 腔 的 气 体 质 量 流 量 等 于 容 腔 的质 量 变 化 率 ， 即 G pV 7 式 中 G 为 气 缸 的 气 体 质 量 流 量 ； p为 气 体 密 度 ； V为 气 机械制造5 4卷 第6 1 7期 缸 的 体 积 。 根 据 理 想 气 体 的 状 态 方 程 ， 可 得 气 体 压 强 和 气 体 密 度 之 间 的 关 系 为 PM ．pRT 8 式 中 为 理 想 气 体 温 度 ； 为 理 想 气 体 常 数 ； 为 摩 尔 质 量 P为 气 体 压 强 。 根 据 热 力 学 第 一 定 律 ， 对 密 闭 气 罐 而 言 c G } c v p V T 9 式 中 c GT为 气 体 介 质 的 内 能 ； P 为 单 位 时 间 内 气 ‘ n 体体积变化所作的功； 掣 为单位时间内 气体通过罐 壁 与 外 界 进 行 的 热 交 换 ； c 为 比定 压 热 容 ； C 为 比定 容 热 容 。 根 据 之 前 的 假 设 和 假 设 气 体 进 入 气 缸 后 立 即 充 满 全 腔， 可 知P 誓 o ， 0 ， 等 式 右 边 为 气 缸 内 气 体 内 能 的 总 变 化 量 。 又 气 体 比热 比 r c ／ c ， R c 一 C ， 由 式 8 和 式 9 得 G 1 o 一 丽 1 ． 3． 3 先 导 式 电 ／ 气 比 例 阀 阀 口 流 量 方 程 假 设 气 体 通 过 阀 口 时 的 流 动 为 理 想 气 体 通 过 收 缩 喷 管 的 一 维 等 熵 流 动 ， 则 通 过 阀 口进 ／ 出 比例 阀 的 气 体 质 量 流 量 由 阀 前 阀 后 的 压 差 和 阀 口 的 有 效 面 积 决 定 。 根 据 S a n v i l l e流 量 公 式 ， 气 体 质 量 流 量 G 表 示 为 G c A p 、 ／ 寺 c qw vp 8、 ／ 寺 1 1 卫 _ ps V 寺 一 J 厂 1 r T ， 2 ＼r 1 r 1 、 ／ 一 0 ≤ ≤ 1 1 2 式 中 C 为 流 量 系 数 ； A 为 比 例 阀 阀 口有 效 面 积 ； 为 比例 阀 开 口面 积 梯 度 ； 为 主 阀 芯 的 位 移 ； p 。 为 气 源 压 力 ； P 为 气 缸 内 压 力 ； r 为 等 熵 指 数 。 2 系统的 MA T L A B仿真 笔 者 采 用 仿 真 工 具 MA T L AB 的 S i mu l i n k工 具 包 。 它 能 够 提 供 一 个 动 态 系 统 建 模 、仿 真 和 综 合 的集 成 环 境 ， 通 过 直 观 的 鼠标 操 作 ， 可 完 成 控 制 框 图 的 搭 建 。 通 过 上 述 建 立 式 3 和 式 5 数 学 模 型 ， 在 S i mu l i n k中 搭 建 如 图 4所 示 的控 制 框 图 ，系 统 单 位 阶 跃 函 数 曲线 如 图 5所 示 。 由 图 5可 见 ， 气 缸 一阀 杆 系 统 的 单 位 阶 跃 响 应 曲线 在 迅 速 到 达 稳 定 后 有 一 定 的 超 调 量 或 最 大 偏 差 ， 再 通 过 几 次 小 幅 振 荡 ， 最 终 达 到 稳 定 。 2 0 1 6 ／ l 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 奠 定 了理 论 基 础 。 3 结 论 从 图 5和 图 7中 的 曲线 可 以 看 出 ． 气 缸 一 阀 门 系 统 和 比 例 阀 系 统 都 存 在 死 区 ， 分 析 得 知 ， 这 主 要 是 由 以 下 原 因 造 成 的 。 1 调 节 阀 出 厂 时 ，填 料 的 多 少 和 材 料 的 性 质 都 可 以 影 响 静 摩 擦 力 的 大 小 ， 在 上 述 研 究 过 程 中 ， 已 将 静 摩 擦 力 并 人 死 区 中 。 2 在 研 究 的 过 程 中 ，将 介 质 气 体 假 设 为 理 想 气 体 实 际 上 并 不 是 ， 这 也 是 造 成 死 区 的 原 因 之 一 。 由 数 学 模 型 的 建 立 过 程 和 MAT L AB仿 真 曲 线 可 以看 出 ， 不 同 负 载 容 量 ， 影 响 了 比 例 阀 的 压 力 控 制 系 统 I幽 2 0 1 6 ／ 1 波 动 。 为 了 提 高 控 制 系 统 的 精 度 和 改 O O ． 5 1 ． O 1 ． 5 2 ． O t ／ s ▲图 7不 同 负 载 比 例 阀压 力 响应 曲 线 善 系 统 动 态 响 应 程 度 ， 实 现 系 统 的 快 速 响 应 和 无 超 调 ， 研 究 更 好 的 控 制 算 法 和 闭 环 控 制 的 设 置 是 关 键 ，本 次 气 动 调 节 阀 阀 门 定 位 器 的 双 反 馈 设 计 就 是 为 了 优 化 自 动 调 节 系 统 而 设 置 的 。 因 此 ， 本 次 系 统 数 学 模 型 的 建 立 和 仿 真 过 程 ，为 后 续 的研 究 工 作 打 下 了 一 定 的 理 论 基 础 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张利平 ． 液压 气压传动 与控制 [ M] ． 西安 西北工 业大学 出 版社 ． 2 0 1 2 ． 『 2 ] 彭光正 ， 张宏立 ， 高爽 ，等． 基于一次填充 法的调压 阀流量 机械制造 5 4 卷 第 6 1 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 特性测量 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 3 9 5 7 6 0 ． [ 3 ] 王正林 ． M a t l a b ／ S i mu l i n k与控 制 系统仿真 [ M]． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 ] S MC 中国 有 限公司． 现 代实用气动技 术[ M]． 北京 机械 工 业 出版 社 ．1 9 9 8 ． [ 5 ] M e s s i n a A， G i a n n o c c a r o N I ， G e n t i l e A． E x p e r i m e n t i n g a n d Mo d e l i n g P WM- b a s e d P n e u m a t i c A c t u a t o r s [ J ] ． Me c h a t r o n i c s ，2 0 0 5， 1 5 7 8 5 9 - 8 8 1 ． [ 6 ] 董胜 ， 孙 永山 ， 王利鹏． M S P 4 3 0 F 1 4 9单 片机在基 于现场 总 线的智 能差 压变送器设计 中的应 用 [ J ] ． 仪 表技术 与传感 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 器 ， 2 0 0 6 1 4 8 4 9 ． 时光． 智能 电一 气阀 门定位器智能控制策略研究 [ D] ． 重庆 重庆大学 ， 2 0 1 1 ． W a n g J ， Wa n g D J D，Mo o r e P R， e t a 1 ． Mo d e l l i n g S t u d y ， An a l y s i s a n d Ro b u s t S e r v o Co n t r o l o f P n e u ma t i c C y l i n d e r A c t u a t o r S y s t e m [ J ] ．C o n t r o l T h e o r y a n d A p p l i c a t i o n s ， 2 0 01 ，1 4 8 1 3 5 - 41 ． 李东 明 ， 孙宝 元 ， 张 化岚 ． 压 电式 电气转换 装置 实验研 究 [ J ] ． 大连理工大学学报 ， 2 0 0 3 ， 4 3 6 7 7 1 - 7 7 4 ． △ 编 辑 平 平 上 接 第 2 1页 大 回 转 架 的 接 触 表 面 增 加 刚 度 和 强 度 。 参 考 文 献 [ 1 ] 董思 民， 蒋国强 ， 杜涵文 ． 质子治疗装置大 回转架支撑驱 动 系统 的运动机 理及 其分 析 [ J ] ． 核 技术 ， 2 0 1 2 ， 3 5 3 2 2 6 - 23 0． [ 2 ] K L J o b s o n ． 接触力 学 [ M 3 ． 徐秉业 ， 罗学 富译． 北京 高等 教 育出版社 ． 1 9 9 1 ． p ； ‘ [ 3 ] 王和慧 ， 谢可迪 ， 陈一凡 ， 等． 大型 回转 窑简 体结构 的力学 行 为分析 [ J ] ． 机械强度 ， 2 0 1 0 ， 3 2 4 6 0 6 6 1 6 ． [ 4 ] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在 A N S Y S上的实践 『 n1 ． 西安 西北工业 大学 出版社 ． 1 9 9 9 ． [ 5 ] 王和慧 ， 程静 ， 周金水． 大型回转窑支承系统的力学行为分 析[ J ] ． 机械强度 ， 2 0 1 2 ， 3 4 1 7 7 8 5 ． △ 编辑 小 前 世界领先的工业技术贸易展 一 汉诺威 工业博 览会 明年 4月举行 在“ 产业集成 发现解决方案 ” 的主题下 ， 2 0 1 6汉诺 威工 业博览会 将展示 1 0 0多项全 面的工业 4 ． 0产品 即可 以帮 助 中国企业提高竞争力的 1 0 0种切实可行 的解决方案 。 汉诺威工 业博 览会汇集 5 0 0 0家 参展企业 和来 自 1 0 0个 国 家 和地 区的 2 O万名 观众参 与 ， 2 0 1 6年 展会 包含 五大专 业 主题 展 工业 自动化展 、 数字 化工厂展 、 能源展 、 工业零部件与分 承包 技术展 、 研究 与技术展 ， 近 1 0 0 0场的同期论坛 、 研讨会 和圆桌会 议等将提供大量有关工 业 4 ． 0 、 增材制造技术 、 能 源效 率 、 轻 质材 料 、 预见性维护和技术转让等主题的信息 。 自从 2 0 1 2年成为合作伙伴 国以来 ， 中国 已成长为汉诺 威工 业博览会 的第 二大展览和参观国 ， 与此 同时 ， 中国的劳 动力成本 逐渐上升 ， 客户变得更有经验 。今 天 ， 中国制造商需要在极 端压 力下提高质量和效率 ， 以稳定市场份额。汉诺威工业博览会是世 界领 先的工业 4 ． 0展会 ， 来 自亚洲 、 欧 洲和美 国的所有专家 都会 参与到其 中 ， 制造业数字化是论坛 和讲 座的第一 主题 ， 对 于中国 企业而言 ， 通往未来工 厂之路始 于汉诺威 。 数字化在 能源 工业 中同样 占据 重要地位 ，因为未 来要建立 完善 的能源系统 ． 需要可控制 、 网络化 和智能化的生成 和存 储技 术 ， 以及 网络资源 。中国是世界 上最大 的能源 消费国和生产 国， 目前 ， 中国越来越关注能源效率 和可持续性 ， 正大力投 资可再生 能源项 目， 但 是它将继续严重依赖 以煤炭为主的传 统能源。汉诺 威 工业博览会将展示各类常规和 可再 生能源技术 ，所 以中 国能 源行业 的观众一定能在此发现最好的解决方案 。 机械制造 5 4 卷 第 6 1 7 期 合作伙伴 国美国 工业互联 网遇见工业 4 ． 0 ． 工业 4 ． 0还是 工业互 联 网 当德 国正 津津乐 道于 工业 4 ． 0 时 ， 美 国企 业正在探讨 工业互联 网 ， 两 者意义相 同吗 是 ， 也不 是 。工业 4 ． 0和工业互联 网均涉及与机器 、 数据和人类之间 的连 接 ， 但方法 和 目标不 同。 工业 4 ． 0侧重 于硬件 ． 而工业互联 网强调 软件 ； 工业 4 ． 0是德 国提 出的理念 ， 而工业互联 网是一个全 球性 现象 ； 工业 4 ． 0仅限于制造业 ， 而工业互联网适用于各行各业。 那么 ， 中国如何融人其中在 2 0 1 6汉诺威工业博览会上 ， 中 国参与者将获得与来 自世界最 大经济体 的企业 和政治家会 面的 机会 ， 对 比德 国与美 国的理念和观点 。 并且展示 中国智能制造 的 愿景 。 在汉诺威工业博览会上 ， 美 国的工业互联 网联盟 I I C 首次 联手德国机械设 备制造业联合会 V D MA 、 德 国电气和 电子制造 商协会 Z V E I 以及弗劳恩霍夫协会等德 国领先的机构。此外 ， 法 国、 荷兰 、 意大利 和英 国将 推出类似 的制造业政策 。对于 中国观 众和参展商而言 ， 这是评估各种策 略的一个好机会 。中国本身作 为硬件和软件的生产国 ， 将吸引诸多的关注 。 汉诺威工业博览会领先 一步 。 掌握 新技术 世界领先的工业技术展会 2 O l 6汉诺威工业博览会将于 2 0 1 6年 4月 2 5 2 9日在德 国汉诺威举行 ， 包含 五大专业 主题 展 工业 自动化展 、 数 字化工厂展 、 能 源展 、 工业零部 件与分 承包技 术展 、 研 究与技术 展 ， 重 点关注 四大主题板块 工 业 自动化 与信 息技术 ； 能源与环保技术 ； 工业 供给 、 生产工艺与服务 ； 研究与发 展 。美 国成为 2 0 1 6汉诺威工业博览会 官方合作伙伴 国。 2 01 6／ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m