|
 |
|
|
| 基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng) |
| 發(fā)布時間：2019/8/15 來源：重慶貴茂機(jī)械有限公司 閱讀：6355次 |
PID控制方法，對系統(tǒng)特性進(jìn)行詳細(xì)探討和試驗(yàn)研究。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性，魯棒性強(qiáng)，對系統(tǒng)參數(shù)變化有一定的靈活性，能夠較好地滿足系統(tǒng)高精度高響應(yīng)的要求。試驗(yàn)結(jié)果同時也證明了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性。
0刖g各種空間飛行器在空間飛行過程中，都將直接受到空間真空環(huán)境的影響。因此，在地面建立模擬飛行器飛行環(huán)境的試驗(yàn)裝置非常必要，B為只有在各種飛行器上天之前通過地面的模擬試駘，掌握飛行器在空間工作的條件和特性，才能消除飛行中的各種隱患，達(dá)到飛行控制的目的。正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)是通過對氣體壓力進(jìn)行控制，模擬飛行器飛行高度變化的系統(tǒng)。
真空泵是利用機(jī)械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法在封閉空間中獲得、改善和保持真空的裝置，通常應(yīng)用于真空技術(shù)領(lǐng)域。目前真空技術(shù)在機(jī)械、電子電器、航空航天以及低溫等工業(yè)部門和科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。利用真空泵構(gòu)造的真空系統(tǒng)主要用于開環(huán)控制場合，工作負(fù)壓的調(diào)節(jié)采用簡單的開關(guān)控制，而不能實(shí)現(xiàn)封閉容腔內(nèi)真空的高精度高響應(yīng)連續(xù)閉環(huán)控制。
提出以事空泵作負(fù)壓源，將真空系統(tǒng)和氣動伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，建立了基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)，并采用模糊PID控制器進(jìn)行控制，進(jìn)而對該系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，得出了一些有益的結(jié)論，為氣動技術(shù)和真空技術(shù)結(jié)合的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
1系統(tǒng)組成及其數(shù)學(xué)描述1.1系統(tǒng)組成及工作原理基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)原理圖如所示，其主要由真空泵、正壓氣源、正負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置及真空氣室等部分所組成。通過調(diào)節(jié)正負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓力高精度高響應(yīng)連續(xù)控制。
基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)包括正壓充氣狀態(tài)和負(fù)壓抽氣狀態(tài)。負(fù)壓抽氣狀態(tài)下，真空泵通過真空氣室和正負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行抽氣。正壓充氣狀態(tài)下，正壓氣源通過正負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行充氣，同時正負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置通向真空氣室的入口封閉，真空泵從真空氣室抽氣。
1.2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型根據(jù)以上對基于真空栗的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)工作原理的分析，氣體在正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)中的流動是一個十分復(fù)雜的熱力學(xué)過程，在氣動技術(shù)和真空技術(shù)兩個領(lǐng)域的相關(guān)理論，分別從正壓充氣和負(fù)壓抽氣兩種工作狀態(tài)對系統(tǒng)模型進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。這里對該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述簡要描述如下。
時表仿真計(jì)算用參數(shù)參數(shù)數(shù)值正壓氣源壓力/VkPa400真空栗極限壓力；vPa200真空氣室容積r/m30.000 2氣體溫度77K293氣體常數(shù)。Mkg1K、2871氣體絕熱指數(shù)女1.4流量系數(shù)0.6H比例系數(shù)尺v/On.V1）0.0001公稱直徑d/m0.006真空泵名義抽速V（m3IT1）3可以看出，系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，真空氣室容積變大時，系統(tǒng)響應(yīng)相應(yīng)變慢。若從正壓源轉(zhuǎn)到負(fù)壓源時因?yàn)閴毫Σ钸^大產(chǎn)生振蕩，則可以考慮適當(dāng)加大真空氣室容積進(jìn)行緩沖，不過，這應(yīng)兼顧對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。
（2）正壓充氣狀態(tài)1）上2）上式（1）（4）即為描述基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
2仿真研究仿真時間//s真空氣室容積對系統(tǒng)性能影響1.真空氣室為0.1L2.真空氣室為0.2L（2）真空泵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。從仿真結(jié)果來看，真空泵性能對系統(tǒng)也有影響，真空泵名義抽速越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快。極限壓力越小，系統(tǒng)響應(yīng)也越快。容腔壓力下降得越低，壓力變化越平緩，這是由于容腔內(nèi)壓力接近極限壓力時，真空泵的實(shí)際抽速隨之變小所產(chǎn)生的結(jié)果。顯然，使用名義抽速大，極限壓力小的真空泵的系統(tǒng)響應(yīng)相對來說要快一些。
針對所構(gòu)造的基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)，采用MATLAB仿真軟件，借助四階龍格庫塔法求解微分方程式（1）（4），分析研究基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)工作特性，仿真參數(shù)如表（1）真空氣室容積對系統(tǒng)性能的影響。從仿島時間//s真空泵性能對系統(tǒng)影響2名義抽速3m3/h，極限壓乃200Pa 2.2系統(tǒng)跟蹤期望信號響應(yīng)性能⑴系統(tǒng)跟蹤階躍信號響應(yīng)。a為系統(tǒng)跟蹤10kPa階躍信號的仿真結(jié)果，b為系統(tǒng)跟蹤40kPa階躍信號的仿真結(jié)果。通過比較兩圖的仿真曲線可知，系統(tǒng)所跟蹤的階躍信號大小對系統(tǒng)響應(yīng)時間有較大的影響，期望的壓力越高，系統(tǒng)的響應(yīng)時間越短。
仿真時間//s系統(tǒng)跟蹤階躍信號的仿真結(jié)果出，系統(tǒng)跟蹤上升信號明顯比下降信號響應(yīng)要快。
這是由于正壓工作狀態(tài)下，容腔壓力與正壓氣源壓力相差很大，充氣過程迅速，因而系統(tǒng)能快速響應(yīng)，而在負(fù)壓工作狀態(tài)下，工作點(diǎn)越接近負(fù)壓源真空泵極限壓力，真空泵實(shí)際抽速越小，從而系統(tǒng)響應(yīng)也相應(yīng)變慢。
（3）系統(tǒng)跟蹤正弦信號響應(yīng)。中，系統(tǒng)在跟蹤正弦波時，上升曲線有細(xì)小紋波出現(xiàn)，這是因?yàn)檎龎簹庠磯毫εc容腔壓力相比很大，通過正負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置的流速為聲速，充氣速度過快所致。曲線2與曲線1相比，系統(tǒng)工作點(diǎn)更接近正壓氣源壓力，其上升曲線段紋波現(xiàn)象相對來說不是很顯著。
考慮到基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)是一個強(qiáng)非線性系統(tǒng)，根據(jù)以上對系統(tǒng)仿真研究的分析，系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)工作點(diǎn)的變化影響系統(tǒng)的性能。
為了實(shí)現(xiàn)基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)高響應(yīng)高精度的目的，提出如所示的模糊PID控制器。在大誤差范圍內(nèi)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，且超調(diào)量小，系統(tǒng)的魯棒性好。當(dāng)誤差很小即差不多接近模糊控制零擋時采用PID控制，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。在試驗(yàn)研究過程中，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同期望信號大小對系統(tǒng)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果分別見11.仿真時間"s系統(tǒng)跟蹤方波信號的仿真結(jié)果PID控制器被控對象閣7模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖負(fù)壓力越高，系統(tǒng)響應(yīng)就越快。0為系統(tǒng)跟蹤方波信號的響應(yīng)曲線。系統(tǒng)跟蹤方波時，上升曲線超調(diào)，從下降曲線來看，響應(yīng)曲線平緩。上述試驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)仿真研究結(jié)果基本一致，這也證明了理論分析和仿真研究的正確性。
仿真時間f/s階躍信號為40kPa仿真曲線為真空氣室容積大小不同時，系統(tǒng)響應(yīng)階躍信號的試驗(yàn)曲線。真空氣室容積越大，系統(tǒng)響應(yīng)越慢n為系統(tǒng)參數(shù)相同，但階躍信號不同的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。顯然，階躍信號越大，即期望的試驗(yàn)結(jié)果也表明，系統(tǒng)采用模糊PID控制方法響應(yīng)快速，對于系統(tǒng)參數(shù)的變化以及系統(tǒng)工作點(diǎn)的變化適應(yīng)性能強(qiáng)，有著較好的魯棒性，穩(wěn)態(tài)精度高，滿足了系統(tǒng)高精度高響應(yīng)的要求。系統(tǒng)跟蹤階躍信號時，具有良好的快速性，在不同的工作點(diǎn)其控制效果大致相同，從絕對壓力lOOkPa下降到OkPa，其過渡過程時間為2.8s，穩(wěn)態(tài)誤差不超過50Pa，-，1為系統(tǒng)跟蹤正弦信號的響應(yīng)曲線，從曲線也可以看出，采用模糊PID控制的系統(tǒng)具有良好的跟蹤性，當(dāng)跟蹤頻率為1Hz，幅值為0.2kPa的正弦信號時，其幅頻誤差為2.04%，相頻誤差為1.2794°。
4結(jié)論提出了基于真空泵構(gòu)造正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)的新思想，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)組成療式合理，模糊PID控制方法對基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)壓力高精度高響應(yīng)連續(xù)控制。當(dāng)絕對壓力從100kPa下降到10kPa，K過渡過程時間為2.8s，穩(wěn)態(tài)誤差不超過50Pa，跟蹤頻率為1Hz，幅值為0.2kPa的正弦信號時，K-幅頻誤差為2.04%，相頻誤差為1.279基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)是強(qiáng)非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)變化和系統(tǒng)E作點(diǎn)變化對系統(tǒng)性能有較大的影響。
基于真空泵的正負(fù)壓連續(xù)控制系統(tǒng)特性仿真與試驗(yàn)研究結(jié)果基本-致，證明了給出的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性。
|
|
| 上一篇：
真空泵噪音判斷及結(jié)局方法
|
| 下一篇：
爪式無油增壓傳輸真空泵的設(shè)計(jì)
|
|
 |
|
