针对传统微动平台难以满足微/纳米定位的要求,该文结合液压放大原理,提出一种基于液压放大的两自由度压电微动平台,并对其进行了结构设计。采用正交设计方法对其进行有限元双向流固耦合分析,优化了其结构参数。研制了实物样机并进行试验研究。开环控制试验结果表明,当压电驱动器输入为90μm时,压电微动平台最大输出位移为603.0μm,放大倍数约为6.7;闭环控制试验结果表明,采用分段微分、积分、比例(PID)算法能降低超调量,且响应时间、稳态时间均减小,稳态误差降低(为±0.2μm),实现了微动平台的大范围输出精密定位。

针对传统Prandtl-Ishlinskii(PI)模型不能反映压电式气体比例阀迟滞非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进的PI模型,通过添加3次多项式使其能拟合压电式气体流量比例控制阀的非对称迟滞曲线。利用改进的自适应粒子群遗传算法辨识所需的模型参数,模型相对误差为0.0073%,并将模型用于前馈补偿控制。实验结果表明,基于迟滞模型的前馈补偿控制可显著提高压电式气体比例阀输出流量控制的快速性,调节时间降低了60%。

压电陶瓷材料具有优良的力学性能和响应特性,将其作为智能执行器应用于液压阀中,是持续多年的研究热点。但压电驱动器输出仅为微米级,难以直接满足液压阀的使用要求,因此需要设计相应的微位移放大机构。首先,重点介绍了柔性铰链放大机构及其在压电阀中的典型应用,根据原理可分为杠杆、三角、桥式等放大形式;其次,归纳了基于液压放大和晶片放大机构的两类压电阀的代表性结构和性能特点;最后,分析对比了三类放大机构应用于压电阀中的优缺点。结果表明,铰链放大结构简单,再现性好;液压放大占用空间小,频带宽,倍数高;晶片放大频响高,只适用于伺服和先导控制。

该文对分布柔度桥式位移放大机构的放大比、刚度特性及固有频率等静动力学性能进行了研究。首先,根据柔性梁单元的刚度矩阵建立了该放大机构的位移放大比及其输入刚度解析模型。随后根据柔性梁的变形曲线方程,通过求解变形曲线对时间的导数,得到梁上任一点速度以获得柔性梁在机构振动过程中动能表达,在此基础上,利用拉格朗日法建立了具有3个广义坐标的桥式放大机构的振动方程,并得到其工作方向的固有频率。最后利用有限元与实验方法对其动力学性能进行了测试。实验结果表明,解析计算结果与有限元分析及实验结果较吻合,证明了所建立的解析模型的准确性。

针对作为被动控制的压电分流阻尼电路提出极点配置方法。对压电分流阻尼系统建立机电耦合方程,考虑模态位移为输出量,得到系统极点的特征方程。运用主导极点与虚轴的距离对系统动态响应衰减有着关键作用这一特性,确立优化目标,然后求解出压电分流阻尼电路参数的最优值。最后通过数值仿真对所设计的优化方法进行检验,并与传统传递函数优化法进行比较。仿真结果表明,运用极点配置方法设计的压电分流电路有着良好的抑制振动的效果,这验证了极点配置方法的有效性。

针对压电叠堆执行器输入电压与输出位移的动态迟滞特性,结合非对称静态Bouc-Wen迟滞模型,建立了压电叠堆执行器动态迟滞模型,并采用粒子群算法辨识出6个模型参数。为提高压电叠堆执行器动态位移输出精度,进一步推导出压电叠堆执行器迟滞逆模型,最终在此基础上对压电叠堆执行器进行前馈补偿研究。仿真与实验结果对比表明,在0~120V峰值电压与0~500Hz激励频率内,所建立的动态迟滞模型能够较好地描述与预测压电叠堆执行器的动态输出位移。前馈补偿实验研究结果表明,利用所建的迟滞逆模型补偿后,压电叠堆执行器的滞环减小,输出位移非线性度下降约3%。

针对传统的电液伺服阀分辨率较低、工作频带较窄及易受电磁干扰的特点,研制了一种由压电伸缩陶瓷驱动的新型驱动器,并对驱动机构的输出位移进行了测试.测试结果表明:该驱动器具有较大输出位移及较高的位移分辨率,可提高伺服阀的相关性能.

研制了一种新型的直动式电液伺服阀,伺服阀的驱动器由压电元件实现.该伺服阀采用电反馈原理,利用位移传感器将位置信号反馈给伺服放大器,与伺服阀的压电驱动器形成一个闭环位置系统,提高了伺服阀的动静态性能.该文对伺服阀样机的静态特性进行了测试,分析了特性曲线上所表征的性能指标及其影响因素;依据实验曲线获得静态特性参数,与北京机床研究所生产的QDY-D40型电磁驱动直动式电液伺服阀进行比较,指出了该阀的优点和不足,并提出改进方法.

研究了一种基于双压电晶片的喷嘴挡板式伺服阀,给出了双压电晶片的喷嘴挡板式伺服阀的基本机构.对双压电晶片在不同频率、介质、基板尺寸及晶片厚度下的变形情况进行了深入的分析,并通过试验初步验证了双压电晶片喷嘴挡板式伺服阀的相关性能,给出了流量、压力特性曲线,对试验结果进行了分析,得出了相关的结论.

论述了超磁致伸缩材料在电液控制元件中的应用研究现状,基于超磁致伸缩材料的特点和未来航空航天领域对高频大流量伺服阀的迫切需求,提出了一种由超磁致伸缩执行器驱动的新型射流伺服阀的结构,分析了其工作原理与特点,同时对该新结构伺服阀涉及的温度控制、热补偿、预压力施加与零位调节与驱动磁场均匀化等关键技术进行了详细分析并给出了具体实施方法。