1、氣動比例壓力閥是實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制及氣、電、機(jī)一體化的關(guān)鍵元件。其中，數(shù)字控制比例閥(簡稱數(shù)字閥)具有可直接與計(jì)算機(jī)連接，不需要D/A轉(zhuǎn)換器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用且成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。但目前現(xiàn)有的脈沖開關(guān)式數(shù)字比例壓力閥通常采用高速電磁鐵為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，這種驅(qū)動方式的數(shù)字比例壓力閥存在響應(yīng)速度慢、穩(wěn)態(tài)精度差等缺點(diǎn)，無法滿足如快速燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)和精密氣動定位系統(tǒng)等需要快速響應(yīng)高精度的場合。因此，迫切

2、需要研究一種新型的具有快速響應(yīng)和高精度特性的數(shù)字比例壓力閥。論文從此實(shí)際需求出發(fā)，對所涉及的問題進(jìn)行了全面、深入的理論和試驗(yàn)研究。
　　 首先，論文通過深入分析了以電磁鐵為驅(qū)動器的傳統(tǒng)開關(guān)式數(shù)字比例壓力閥工作過程，指出了提高閥響應(yīng)速度和控制精度的最根本途徑是提高驅(qū)動器的動態(tài)性能。為此，提出了一種新型的以壓電驅(qū)動代替電磁驅(qū)動、具有快速響應(yīng)和高精度特性的壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的構(gòu)想。在功能需求分析基礎(chǔ)上，研究了其前置級壓電

3、快速驅(qū)動-位移放大、擺動開關(guān)擋板式先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)及膜片平衡式主閥結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)；提出并實(shí)現(xiàn)了一種壓電驅(qū)動-放大、先導(dǎo)開關(guān)擋板高速通斷、膜片式主閥功率放大和壓力-電反饋的新型壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的總體結(jié)構(gòu)，并采用模塊化設(shè)計(jì)方法完成了該總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了基于彈性鉸鏈的具能放大壓電疊堆輸出微位移的先導(dǎo)開關(guān)擋板機(jī)構(gòu)，并采用有限元分析方法對其進(jìn)行了靜、動態(tài)特性和疲勞壽命等分析。
　　 為了分析壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的

4、靜、動態(tài)特性以及各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)等對其主要性能的影響，也為閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，論文研究了其動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真研究。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比驗(yàn)證了所建閥的數(shù)學(xué)模型及仿真模型是準(zhǔn)確的。通過仿真研究，了解了閥工作過程中的靜、動態(tài)特性，明確了先導(dǎo)開關(guān)擋板行程、先導(dǎo)閥通流直徑和主閥芯通流直徑、閥腔室體積、PWM載波頻率及PID控制等對閥主要性能的影響，為后續(xù)的深入研究提供了理論指導(dǎo)。
　　

5、研制了壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥試驗(yàn)樣機(jī)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了具有高速實(shí)時(shí)采集和數(shù)字比例控制功能的試驗(yàn)控制系統(tǒng)，并對前置級壓電驅(qū)動-放大機(jī)構(gòu)、先導(dǎo)級擺動開關(guān)擋板閥、壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥進(jìn)行了基本的開環(huán)靜、動態(tài)測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：前置級先導(dǎo)開關(guān)擋板放大機(jī)構(gòu)階躍上升時(shí)間約為0.57ms，階躍下降時(shí)間約為0.3ms，具有較快的響應(yīng)速度和良好的工作頻寬；可通過控制PWM脈寬比數(shù)字控制先導(dǎo)級擺動開關(guān)擋板閥的出口流量，具有一定的實(shí)用

6、性，適用于小流量、控制精度要求不高的應(yīng)用場合；所研制的壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的空載流量和出口壓力與脈寬比具有一定的線性度，且能實(shí)現(xiàn)大流量輸出。
　　 最后，為了提高壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥動態(tài)性能，提高其穩(wěn)態(tài)精度和降低壓力波動，對其進(jìn)行了控制算法研究。采用了Bang-Bang開關(guān)控制和帶死區(qū)P+PWM復(fù)合控制算法，實(shí)現(xiàn)了閥的數(shù)字比例控制，但其穩(wěn)態(tài)控制性能較差，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差和壓力波動，特別是在有流量負(fù)載下。

7、通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字閥的壓力響應(yīng)延遲是影響閥性能的一個(gè)主要因素，為此，提出了PWM控制算法的一種改進(jìn)形式：調(diào)整變位PWM法；并采用Bang-Bang控制+帶死區(qū)P+調(diào)整變位PWM復(fù)合控制算法對數(shù)字閥進(jìn)行了控制。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其算法的有效性，能有效提高閥穩(wěn)態(tài)控制精度，大大降低壓力波動，特別是在有流量負(fù)載下，穩(wěn)態(tài)誤差由2kPa降為1kPa，壓力波動由15kPa降為5kPa。
　　 完成了所研制的壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥試驗(yàn)樣機(jī)