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压电型直动式电液伺服阀的基本理论与实验研究

沈传亮  
【摘要】:提出利用积层式压电驱动器为动力源的压电型直动式电液伺服阀,基于桥式放大原理及杠杆放大原理对积层式压电驱动器的位移进行了放大,由此构造了两种形式的压电型电液伺服阀(以下简称压电伺服阀),并从理论与实验两方面进行了系统研究.利用能量法建立了积层式压电驱动器的数学模型,得到了传递函数的表达式,建立的积层式压电驱动器的有限元模型并分析了积层式压电驱动器的静动态特性;通过建立单轴柔性铰链的转角刚度数学模型,结合几何变形关系推导了桥式放大机构与杠杆放大机构的放大倍数、输入刚度及输出刚度的表达式,得到较为精确的理论模型,与有限元方法进行对比分析,验证了理论模型的正确性;通过桥式放大机构的理论模型初步确定桥式阀芯运动机构的结构参数,利用有限元法对结构参数进行正交因素分析,得到优选的结构参数.建立机构的动力学模型,利用Matlab软件对机构进行动力学仿真分析,得到机构动态特性.利用有限元法进行动力学分析,验证所建模型的有效性.确定杠杆式阀芯运动机构的结构参数,建立动力学模型,分析影响杠杆放大机构动态特性的因素.结果表明杠杆式阀芯运动机构的动态响应取决于积层式压电驱动器的刚度、弹性回复板的刚度.试制了基于两种放大原理的压电伺服阀样机,测试了阀芯位移特性、位移分辨率、最大控制流量、频宽等动态特性.自行设计开发了直动式压电伺服阀控制器,采用基于动态Preisach模型前馈的PID复合控制算法,获得了良好的控制效果.桥式放大直动式压电伺服阀的频宽达到1050Hz,阀芯位移达到56μm,最大控制流量达到1.44 L/min;杠杆放大直动式压电伺服阀的频宽达到1000Hz,阀芯位移达到185.85μm,最大控制流量达到5.9L/min,系统响应时间为1.08mS,位移分辨率为0.1%.


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