气动执行机构机理模型的实验验证
2013-12-02
(杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州310018)
0 引 言
气动执行机构是过程控制系统中重要的终端执行仪表，其对控制系统调节品质的优劣、安全平稳运行具有很大的影响[1]。对气动执行机构的研究通常都是建立机理模型来研究其动态特性、故障诊断以及控制算法等。近年来，一些学者分别从气体热力学和动力学角度出发建立了气动执行机构的机理模型[2-4]，但大都是基于理论分析和仿真验证，并未通过实验来确定其所建立的模型是否准确。本文根据已有的机理模型，针对气动执行机构的特点，设计相应的实验方案并搭建了实验平台。通过分析实验数据和仿真数据，验证了该机理模型具有良好的准确性，从而弥补了气动执行机构机理模型在实验验证方面的不足。
1 机理模型介绍
气动薄膜执行机构是以压缩空气为动力源，当压缩空气进入薄膜气室后，其气能转化为机械能作用在膜片上，推动阀杆上下直线运动。根据其物理特性，可将执行机构分为气室热力学模型、阀杆动力学模型和摩擦力模型等3种机理模型[2-4]。模型中各个物理参数的量纲皆是通用的标准制单位。
1.1 气室热力学模型
气室热力学模型是根据热力学第一定律和理想气体状态方程，并假设气室内的充放气过程是等温过程而得出的，其表达式如下:
式中，P为气室压力，V为气室体积，R为气体常数，T0为气体温度，m'为质量流量，ρ为气体密度。
1.2 阀杆动力学模型
根据牛顿第二定律，气动执行机构的阀杆动力学模型有:
式中，Ae为有效薄膜面积，m为阀杆的质量，g为重力加速度，ks为弹簧系数，kd为薄膜弹性系数，X为阀杆位移，X0为弹簧预压缩量，Ff为摩擦力。
1.3 摩擦力模型
阀杆所受的摩擦力主要是填料函对阀杆的阻力。其大小与阀杆的直径，填料函的材料有关。表达式如下:
式中，Ffc为静摩擦力，Ffv为粘性摩擦阻力，FN为填料对阀杆压缩力的水平方向力，μ为静摩擦力系数，kv为阀杆速度阻尼系数，v为阀杆运动的速度。
2 实验方案设计
上述建立的气室热力学模型、摩擦力模型和阀杆动力学模型分别是从不同的角度出发，理论分析了气动执行机构的动态模型，为了验证该模型是否具有良好的准确性，本文从实际角度出发，设计了相应的实验方案并搭建实验平台和仿真平台。
2.1 实验方案
根据式1-3可知，在执行机构充放气过程中的动态参数有:充放气流量m'、薄膜气室压力P、薄膜气室体积V、摩擦力Ff、阀杆位移X、阀杆运动速度v。其中薄膜气室体积V、摩擦力Ff和阀杆速度v可通过充放气流量m'、薄膜气室压力P以及阀杆位移X 求得。所以实验时只需要测量充放气流量m'、薄膜气室压力P和阀杆位移X的数据。实验平台设计的框图如图1所示。
图1 实验平台设计框图
2.2 Simulink仿真模型
在机理模型的基础上，结合Simulink仿真环境[5]，搭建仿真实验平台。根据式1-3 建立的气室热力学和阀杆动力学模型仿真模型，分别如图2、3所示。其中阀杆动力学模型中包含摩擦力模块。
图2 气室热力学模块
图3 阀杆动力学模型
2.3 实验结果分析
在50%和100%阶跃输入信号(以阀位百分比为基准)时，气体流量、气室压力以及阀位的充放气实验和仿真结果分别如图4-6所示。可以看出实验曲线和仿真曲线之间有一定的误差，但最大误差不超过3%。出现误差的主要原因是由于实验时流量计和压力传感器的精度以及响应时间对其有影响;并且仿真时各个动态参数数据处理过程中所引起的偏差也对结果有影响。
图4 充放气过程中气体质量流量变化曲线
图5 充放气过程中气室压力变化曲线
图6 充放气过程中阀位变化曲线
3 结束语
本文对气动执行机构的机理模型进行了实验验证，实测结果和仿真结果具有较好的吻合性，说明该机理模型各个数学模块能准确的描述气动执行机构的动态特性，证明了该机理模型的有效性;也进一步说明了本文所述的实验方案和实验平台设计的合理性。从而为机理模型的建立提供了实验依据，具有良好的实际指导意义。
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