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        基于參數(shù)整定的氣動閥門定位裝置最優(yōu)控制策略研究

        2025-01-21 00:00:00王小飛吳爽
        中國新技術新產品 2025年1期
        關鍵詞:摩擦力

        摘 要:本文旨在探討參數(shù)整定支持下,如何制定氣動閥門定位裝置最優(yōu)控制策略。本文提出了一種五步開關控制算法,作為氣動閥門定位的基本控制框架。該算法通過優(yōu)化開關信號的切換順序,減少了控制過程中的延遲或者超調現(xiàn)象。摩擦力的存在會顯著延長定位裝置的響應時間,而不適當?shù)倪M氣、排氣量則可能導致閥門的滯后現(xiàn)象,從而降低定位精度。本文為氣動控制領域提供了一種有效的控制方法,推動了氣動控制技術的發(fā)展。

        關鍵詞:參數(shù)整定;五步開關控制算法;摩擦力

        中圖分類號:TH 134 " 文獻標志碼:A

        氣動閥門廣泛應用于各種流程控制系統(tǒng)中,其性能直接影響生產效率。隨著工業(yè)智能化發(fā)展,工業(yè)生產對氣動閥門的定位精度以及響應速度的要求越來越高。但是在實際生產過程中,氣動閥門在實際運行中常受到摩擦力、進氣量、排氣量等因素的影響,導致定位精度不足、響應遲緩等問題。為解決這一問題,相關研究人員引入?yún)?shù)整定理論,嘗試制定一種控制方法來實時調整參數(shù),以適應不同工況下的需求,提升閥門的動態(tài)響應能力。

        1 五步開關控制算法

        五步開關控制算法是一種將Bang-Bang控制與PWM控制相結合的控制策略。通過這種方式提高氣動閥門定位裝置的控制精度、穩(wěn)定性以及響應速度(如圖1所示)。

        本次研究中,根據(jù)閥門實際位置與目標位置的偏差,調整PWM信號的占空比,通過PWM信號控制氣動閥門的開度,使閥門緩慢接近目標位置。而死區(qū)的設計主要是為了防止閥門在目標位置附近頻繁切換,提高控制穩(wěn)定性而設置的一個區(qū)間。當閥門實際位置進入死區(qū)范圍時,控制器不再輸出Bang-Bang信號,而是采用PWM控制。在死區(qū)范圍內,繼續(xù)采用PWM控制,直至閥門穩(wěn)定在目標位置,通過PWM信號控制氣動閥門的開度,使閥門在死區(qū)內緩慢調整[1]。

        2 摩擦力對定位裝置的影響

        在氣動閥門中,摩擦力主要來源于閥桿與閥體之間的接觸、填料材料的摩擦以及閥門在運行過程中的磨損。閥桿與閥體的接觸面積、表面光潔度以及潤滑情況都可能對摩擦力產生影響。此外,填料材料的選擇也是一個重要因素,不同材料的摩擦特性不同(見表1)。

        分析表1可以發(fā)現(xiàn),聚四氟乙烯(PTFE)與石墨在摩擦系數(shù)上有明顯差異,前者具有較低的摩擦力,因此在控制精度以及響應速度方面表現(xiàn)更優(yōu)秀。

        此外,研究人員要通過試驗深入分析摩擦力對閥位運動的影響,結果見表2。

        分析表2可以發(fā)現(xiàn),在理想情況下(無摩擦力),氣動閥門能夠達到目標位置的準確度可高達100.03%FSR(Full Scale Range)。然而,隨著摩擦力增加,從20N到90N,閥位最終達到的位置分別降至95.2%FSR、89.6%FSR、84.3%FSR、79.3%FSR、72.8%FSR。這一趨勢表明,摩擦力的增加直接導致閥位運動距離縮短,最終影響系統(tǒng)的控制精度。在閥位啟動階段,摩擦力的增加會導致閥位到達目標位置的時間延長[2]。這是由于啟動時,閥門需要克服靜摩擦力才能開始移動,而一旦克服后,運動的動態(tài)摩擦力會相對較小。因此,摩擦力的增加不僅影響閥位的最終位置,還增加了系統(tǒng)的響應時間。

        3 進氣量/排氣量對定位裝置的影響

        在氣動系統(tǒng)中,進氣量與排氣量是否平衡,決定了氣缸內壓力的變化情況,進而也影響閥位的移動速度以及最終定位的準確性。本次研究中,研究人員設計了一種手動調節(jié)進氣量的輔助定位裝置。該裝置主要由裝置體、流量調節(jié)手輪、推桿、桿芯、不銹鋼彈簧、進氣嘴、出氣腔、進氣腔以及步進電機等部位組成。通過旋轉流量調節(jié)手輪,操作者能夠方便地調節(jié)出氣腔與進氣腔之間的開度,從而實現(xiàn)對進氣量、排氣量的精確控制,如圖2所示。

        在本次研究中,研究人員逐步改變流量調節(jié)手輪的開度,將開度檔位設為100%、90%、70%、60%、50%、40%、30%,觀察不同進氣量下閥位的響應特性。隨后,將同樣的方法應用于排氣階段,以驗證排氣量對定位器性能的影響,結果如圖3所示。

        對圖3所展示的試驗數(shù)據(jù)進行詳細分析,研究人員發(fā)現(xiàn)在充氣階段,隨著進氣量逐步增加,閥位的響應速度也隨之顯著提升。具體來說,當閥門的開度達到100%時,可以看到閥位的移動速度顯著加快,其平均運行速度較大,幾乎接近閥門的最大行程范圍[3]。這一現(xiàn)象進一步表明,在充氣過程中,進氣量是決定閥位動態(tài)響應速度的關鍵因素。

        4 參數(shù)整定

        4.1 行程類型整定

        本次研究中,研究人員需要先確定正行程、反行程具體參數(shù),采用Bang-Bang控制策略,即發(fā)送排氣、進氣指令,通過這種方式改變閥位。通過觀察閥位的變化,判斷閥門的行程類型。正行程通常指閥門在開合過程中,閥位隨著氣源壓力的增加而上升;反行程則表現(xiàn)為閥位在氣源壓力增加時降低。通過這一過程,系統(tǒng)可以清晰地識別調節(jié)閥的運行特性,進而為后續(xù)的參數(shù)整定打下基礎。

        4.2 最小啟動PWM整定

        針對單作用氣缸的調節(jié)閥,確定最小啟動PWM(脈寬調制信號),確保閥位開始移動。研究人員在整定過程通過逐步增大PWM值,觀察閥位是否開始移動。當PWM值達到一定閾值時,閥位開始響應,該參數(shù)即為最小啟動PWM。這一參數(shù)不僅影響閥位的啟動速度,也關系閥門的可靠性。過低的PWM值可能導致閥門無法啟動,而過高的PWM值則可能引發(fā)不必要的磨損,如公式(1)所示。

        PWMmin=k?(Tr-Tu)+Tu (1)

        式中:PWMmin為最小啟動PWM值;k為整定系數(shù),即PWM信號與閥門響應特性的關系;Tr為目標響應時間;Tu為閥門啟動延遲時間。

        本次研究中,研究人員通過調整系數(shù)以及記錄不同的Tu與Tu的值計算相應的最小啟動PWM值?;谠摴?,研究人員確定閥門開始移動的最小PWM值,確保閥門在適當?shù)膯訔l件下操作,從而避免過低或過高PWM值帶來的問題(詳見表3)[4]。

        4.3 最大速度及其過沖量整定

        在整定過程中,對每個控制周期內的閥位數(shù)據(jù)進行采樣,記錄閥位的變化量以及時間間隔,從而得出閥位速度。如果在1s內閥位變化10%,那么當前速度為10%/s。過沖量則是指閥位在達到設定位置時超出目標位置的幅度,如果設定位置為100%,而實際閥位達到的最大值為105%,那么過沖量為5%。上述兩項參數(shù)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。過大的過沖量可能導致系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定,因此,整定時,需要平衡速度與穩(wěn)定性。研究人員將比例增益設置為Kp=1.5,積分增益設置為Ki=0.5,從而在快速響應的同時,維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        4.4 基準速度與基準速度PWM整定

        整定過程中,研究人員發(fā)現(xiàn)在最大過沖量范圍內逐漸逼近死區(qū),通過觀察閥位的變化情況,最終確定合適的基準速度。具體實踐中,最大過沖量被控制在3%以內,且死區(qū)寬度為2%。經過多次試驗,研究人員確定基準速度為20%/s,這一速度能夠在最小過沖量下實現(xiàn)快速響應的目標。確定基準速度后,研究人員調整相應的PWM值,以確保在該速度下閥位能維持穩(wěn)定運行。適當?shù)幕鶞仕俣纫约癙WM設置能夠提高系統(tǒng)的響應性,使調節(jié)閥在動態(tài)變化中保持較好的控制效果。

        5 基于參數(shù)整定的最優(yōu)控制策略

        基于上述研究成果,研究人員擬定了一套完整的基于參數(shù)整定的氣動閥門定位裝置最優(yōu)控制策略,如圖4所示。

        控制過程被細分為7個區(qū)間,即快速區(qū)、降速區(qū)、微調區(qū)、死區(qū)。這種分區(qū)方法使控制策略能夠根據(jù)閥位變化的不同狀態(tài)動態(tài)調整控制方式,從而實現(xiàn)最佳的響應效果。其中,快速區(qū)采用Bang-Bang控制策略,能夠迅速減少系統(tǒng)誤差,確保閥位快速接近設定值。此時,控制信號的輸出狀態(tài)為全開/全關,避免了控制過程中的延遲。一旦閥位進入降速區(qū),控制方式轉向基準速度PWM控制。在該階段,控制系統(tǒng)會通過實時監(jiān)測閥位速度,逐步降低調節(jié)閥的開度,控制信號的輸出頻率逐漸減小。此時,系統(tǒng)會根據(jù)閥位的變化,自動調整PWM信號,以確保閥位以適宜的速度接近目標值,避免因過快運動導致超調。當閥位接近目標值時,系統(tǒng)進入微調區(qū)。在這一階段,采用最小啟動PWM控制,進一步精細調整閥位。PWM信號以4%的幅度逐步減小,確保閥位在接近目標值時不會發(fā)生劇烈波動。本次研究中,死區(qū)范圍設定為0.5%FSR。在這一范圍內,閥位保持不變,控制系統(tǒng)停止進氣或排氣,以避免頻繁的操作引起系統(tǒng)不必要的波動[5]。

        6 結語

        本文對氣動閥門定位裝置的控制策略進行了深入探討,采用五步開關控制算法分析了影響定位裝置的多種因素,通過參數(shù)整定,提出了基于這些因素的最優(yōu)控制策略,為提升氣動閥門的響應速度、精度提供了有效的解決方案。通過本次研究,研究人員得出以下結論。1)本文采用的五步開關控制算法在實際應用中具有優(yōu)越的響應特性,能夠迅速將閥門定位至目標值,顯著減少了控制過程中的超調與震蕩現(xiàn)象,提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2)通過分析摩擦力以及進氣量/排氣量對定位裝置的影響發(fā)現(xiàn),摩擦力對閥門的開啟與關閉速度具有顯著影響,而合理調節(jié)進氣量、排氣量能夠有效改善閥門的動態(tài)響應。這一發(fā)現(xiàn)為實際操作中優(yōu)化氣動系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。3)研究表明,通過精確的參數(shù)整定可以大幅提高閥門定位的精度與穩(wěn)定性,進而優(yōu)化整個氣動系統(tǒng)的性能。

        參考文獻

        [1]金縱橫,尚群立,于智利,等.智能氣動閥門定位系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J].高技術通訊,2024,34(4):420-428.

        [2]王懷康,趙立業(yè).改進預估模糊PID控制在氣動閥門定位系統(tǒng)中的應用[J].組合機床與自動化加工技術,2023(1):142-146.

        [3]陳二鋒,丁建春,武園浩,等.氣動閥門顫振的局部穩(wěn)定與全局穩(wěn)定特性[J].航空動力學報,2018,33(3):663-670.

        [4]石朝鋒,薛立鵬,張連萬,等.氣動閥門運動特性研究[J].導彈與航天運載技術,2018(1):41-44.

        [5]鄭麗麗,王志國,劉飛.模糊聚類下氣動閥門粘滯檢測方法的改進[J].機械科學與技術,2018,37(2):300-305.

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