(杭州電子科技大學自動化學院，浙江 杭州310018)

0 引 言

氣動執(zhí)行機構(gòu)是過程控制系統(tǒng)中重要的終端執(zhí)行儀表，其對控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣、安全平穩(wěn)運行具有很大的影響[1]。對氣動執(zhí)行機構(gòu)的研究通常都是建立機理模型來研究其動態(tài)特性、故障診斷以及控制算法等。近年來，一些學者分別從氣體熱力學和動力學角度出發(fā)建立了氣動執(zhí)行機構(gòu)的機理模型[2-4]，但大都是基于理論分析和仿真驗證，并未通過實驗來確定其所建立的模型是否準確。本文根據(jù)已有的機理模型，針對氣動執(zhí)行機構(gòu)的特點，設計相應的實驗方案并搭建了實驗平臺。通過分析實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，驗證了該機理模型具有良好的準確性，從而彌補了氣動執(zhí)行機構(gòu)機理模型在實驗驗證方面的不足。

1 機理模型介紹

氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)是以壓縮空氣為動力源，當壓縮空氣進入薄膜氣室后，其氣能轉(zhuǎn)化為機械能作用在膜片上，推動閥桿上下直線運動。根據(jù)其物理特性，可將執(zhí)行機構(gòu)分為氣室熱力學模型、閥桿動力學模型和摩擦力模型等3種機理模型[2-4]。模型中各個物理參數(shù)的量綱皆是通用的標準制單位。

1.1 氣室熱力學模型

氣室熱力學模型是根據(jù)熱力學第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，并假設氣室內(nèi)的充放氣過程是等溫過程而得出的，其表達式如下:

式中，P為氣室壓力，V為氣室體積，R為氣體常數(shù)，T0為氣體溫度，m'為質(zhì)量流量，ρ為氣體密度。

1.2 閥桿動力學模型

根據(jù)牛頓第二定律，氣動執(zhí)行機構(gòu)的閥桿動力學模型有:

式中，Ae為有效薄膜面積，m為閥桿的質(zhì)量，g為重力加速度，ks為彈簧系數(shù)，kd為薄膜彈性系數(shù)，X為閥桿位移，X0為彈簧預壓縮量，F(xiàn)f為摩擦力。

1.3 摩擦力模型

閥桿所受的摩擦力主要是填料函對閥桿的阻力。其大小與閥桿的直徑，填料函的材料有關(guān)。表達式如下:

式中，F(xiàn)fc為靜摩擦力，F(xiàn)fv為粘性摩擦阻力，F(xiàn)N為填料對閥桿壓縮力的水平方向力，μ為靜摩擦力系數(shù)，kv為閥桿速度阻尼系數(shù)，v為閥桿運動的速度。

2 實驗方案設計

上述建立的氣室熱力學模型、摩擦力模型和閥桿動力學模型分別是從不同的角度出發(fā)，理論分析了氣動執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)模型，為了驗證該模型是否具有良好的準確性，本文從實際角度出發(fā)，設計了相應的實驗方案并搭建實驗平臺和仿真平臺。

2.1 實驗方案

根據(jù)式1-3可知，在執(zhí)行機構(gòu)充放氣過程中的動態(tài)參數(shù)有:充放氣流量m'、薄膜氣室壓力P、薄膜氣室體積V、摩擦力Ff、閥桿位移X、閥桿運動速度v。其中薄膜氣室體積V、摩擦力Ff和閥桿速度v可通過充放氣流量m'、薄膜氣室壓力P以及閥桿位移X 求得。所以實驗時只需要測量充放氣流量m'、薄膜氣室壓力P和閥桿位移X的數(shù)據(jù)。實驗平臺設計的框圖如圖1所示。

圖1 實驗平臺設計框圖

2.2 Simulink仿真模型

在機理模型的基礎上，結(jié)合Simulink仿真環(huán)境[5]，搭建仿真實驗平臺。根據(jù)式1-3 建立的氣室熱力學和閥桿動力學模型仿真模型，分別如圖2、3所示。其中閥桿動力學模型中包含摩擦力模塊。

圖2 氣室熱力學模塊

圖3 閥桿動力學模型

2.3 實驗結(jié)果分析

在50%和100%階躍輸入信號(以閥位百分比為基準)時，氣體流量、氣室壓力以及閥位的充放氣實驗和仿真結(jié)果分別如圖4-6所示。可以看出實驗曲線和仿真曲線之間有一定的誤差，但最大誤差不超過3%。出現(xiàn)誤差的主要原因是由于實驗時流量計和壓力傳感器的精度以及響應時間對其有影響;并且仿真時各個動態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)處理過程中所引起的偏差也對結(jié)果有影響。

圖4 充放氣過程中氣體質(zhì)量流量變化曲線

圖5 充放氣過程中氣室壓力變化曲線

圖6 充放氣過程中閥位變化曲線

3 結(jié)束語

本文對氣動執(zhí)行機構(gòu)的機理模型進行了實驗驗證，實測結(jié)果和仿真結(jié)果具有較好的吻合性，說明該機理模型各個數(shù)學模塊能準確的描述氣動執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性，證明了該機理模型的有效性;也進一步說明了本文所述的實驗方案和實驗平臺設計的合理性。從而為機理模型的建立提供了實驗依據(jù)，具有良好的實際指導意義。

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