如何通过数字模型来分析电气比例阀的工作原理?

为了检验一些产品的气体密封性是否符合使用的要求,就必须对其进行气体泄漏的测试。在检测方法的选定上,不管是采用以气泡法为代表的湿式检测法,还是采用压力测试法为代表的干式检测法,都需要保证在测试不同类型产品的情况下测试气体压力值的准确和稳定。

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电气比例阀(控制阀)作为传统的气压和流量控制部件,可分为伺服阀、比例阀和高速开关电磁阀三类,这些阀门应用于压力和流量的控制具有不同的特性,压力控制精度和控制稳定性也不相同。采用压电式的电气比例压力阀,可取代手工阀,实现压力的实时、准确、连续自动控制,可应用于各种工业自动化领域。

针对电气比例阀工作原理,采用电气比例阀门作为压力控制系统的气压控制部件,对气压的精密控制方法进行研究,实现了气压的精密控制。本试验系统的密封腔体积己知,试验模拟后压力输出精度高,控制稳定性好,压力产生迅速,无过冲。

实验系统组成及原理

该压力控制系统主要由密封容腔、高精度压力传感器、数据采集卡、压力型电气比例阀、气源和控制器等组成。系统结构图如图1所示。

工作原理为:系统的控制器通过A/D转换器,对封闭容腔内气体的压力信号进行采集、处理、计算,目标值以模拟量的方式输入控制器中,与采集到的值进行比较,经过功率放大器和D/A,后,实现实时控制密闭容腔气体压力的目的。

电气比例阀压力控制系统数学模型的建立

气体压力控制系统的基本组成如图2:

由于气体的流动状态很复杂,为了简化计算,更好地分析和研究气动系统的特性,在求取流量方程及以后的分析工作中主要作如下假设:

(1)使用的工作介质(空气)视为理想气体,各参数满足理想气体的状态方程;

(2)在同一密封容腔内的温度场和压力场是均匀的,任意时刻腔中的各点状态参数相等,动态过程为准平衡方程;

(3)气体流过密封腔节流口的流动是稳定一维流动,相当于气体经过收缩喷管的流动;

(4)气体经过阀口至密封腔中的流动为绝热流动。

电气比例控制阀的建模

阀受力分析

动铁式电气比例控制阀是利用电信号控制的比例电磁铁的电磁力和阀出口压力反馈到阀芯上的作用力来共同控制阀芯位置的变化,从而达到控制流量和压力的目的。

由牛顿第二定律得到比例阀阀芯的力平衡方程为:

阀流量分析

由假设条件,将通过阀口的气体流动近似维理想气体通过收缩喷管的一维等熵流动,即电气压力比例阀流入或流出的质量流量是由阀的有效开口面积及上下游压力比来决定的。采用Sanville流量公式可得由比例阀控制进入密封腔的质量流量G为:

密封腔的质量流量连续性方程

根据质量守恒定律,流入密封腔的气体质量流量应该等于该密封腔的质量变化率。则有:

若忽略泄漏,根据热力学第一定律,对密封腔而言,描述其能量守恒的方程为:

假设气体进入密封腔后立即充满全腔,并且在此过程中,气体通过密封腔腔壁不与外界进行热交换。由此得到密封腔的热力学方程为:

电气比例阀压力控制系统属于非线性系统,系统的阀芯受力模型、质量流量方程以及密封腔的热力学方程是建立电气比例阀压力控制系统数学模型的重点。

试验研究

试验来用沃纳智能公司生产NNT压力型电气比例阀、其专用的功率放大器VEA252、PSE532型压力传感器进行试验研究。

根据前面推倒的数学模型和本系统的具体参数,运用MATLAB7.0进行if-算机仿真试验,可得到密封容强为700ml时,模拟充气的压力响应曲线。

总结

从图中可以看出,阀的压力响应存在一定的死区,这主要是由于阀内电磁铁的电磁惯性(电磁暂态现象引起的滯后效应)、反馈弹簧的初始预紧力以及库仑摩擦力造成的。当目标压力値0.4Mpa时,为了得到这个低的目标値,故在线调整参数时,延迟时间稍故意延长了点。

本试验的密封容强的体积为一定値700mL。当密封腔的体积变化时,压力的响应时同和超调量也将随之发生变化,可以通过调节控制参数的方法实现压力値的平稳,并把超调量控制在一定的范围内。

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