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高压气动减压理论及其在气动汽车上应用的关键技术研究

作　者: 贾光政
导　师: 吴根茂；王宣银
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 高压气动系统容积减压分级减压高压气动开关阀细分理论气动汽车能量系统
分类号: TH138
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

以高压空气作为工作介质的高压气动系统因其独有的功率密度高、瞬间膨胀性大、爆发力强、温度适应范围广等特性而在航天航空、武器装备和气动汽车等领域中得到应用,但目前对高压气动系统的元件和控制系统进行系统、深入研究的却很少。高压或超高压压缩空气是气动汽车的动力源,从高压气源到低压尾气,是高压气体的能量转换和利用过程,是气动汽车将压力能转变成动能的过程。本文以国家自然科学基金—福特基金资助项目“气动汽车发动机探索性研究”为依托,以高压气动系统在气动汽车上的应用为背景,详细分析了高压气动系统的能量转换和利用特性,系统、深入地研究了高压气动系统的减压机理和控制方法,为气动汽车能量转换、利用和控制以及动力系统优化设计提供理论基础和实验数据,这对高压气动系统的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。论文的主要内容如下: 第一章综述了气动技术和高压气动系统及元件的研究现状和发展趋势;阐述了研究和开发气动汽车的目的和意义;概括了本文的主要研究内容。第二章对高压气动容积减压的新概念进行了定义;利用热力学的能分析法和(火用)分析法,推导出了对应节流减压和容积减压的能量特性方程和(火用)损失表达式,为减压过程中能量计算提供了有效工具;计算表明高压气动采用容积减压方式比节流减压方式有明显的节能效果。分析了定容充分吸热补偿分级减压和定压充分吸热补偿分级减压的能量特性;得出分级减压级数越多,能量利用率越高的结论。第三章研究了高压气体容积减压系统的关键控制元件——高压大流量气动开关阀;详细介绍了高压大流量气动开关阀的结构设计特点和工作原理。提出对高压气动开关阀的开启和关闭操作过程进行动态研究的细分理论:以定容积过程和变容积过程为单元,以控制腔转折点气体压力为标志,将主阀开启和关闭过程细分为定容积、变容积和余隙容积三个不同的放气和充气过程,并对每一分过程单独建模,再通过标志点压力将整个过程联系成整体来进行研究。根据细分理论建立了反映高压气动开关阀的工作机理的数学模型和仿真模型,研究了高压大流量气动开关阀的动态特性;得出了主阀芯的几何参数是影响高压气动开关阀动态特性的主要因素。为高压气动开关阀的设计提供了理论和技术基础。第四章详细介绍了高压气动容积减压系统的组成及工作原理;通过机理分析方法建立了高压气动容积减压系统的数学模型。仿真研究结果表明:Bang-Bang控制方法简单可靠,压力控制调节范围大;PID控制方法在一定压力控制范围内能够实现所需的控制精度;预测PID控制方法控制精度较高;Fuzzy控制方法具有和PID控制基本相同的控制效果,但比常规PID控制的应用范围要大。研究了高压气动分级减压方法,指出分级减压的末级输出压力稳定性比

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-22
  1.1 气动技术的发展概述  12-13
  1.2 高压气动系统的发展概述  13-14
    1.2.1 高压气动系统应用概述  13
    1.2.2 高压气动控制元件发展概述  13-14
    1.2.3 高压气动储存元件发展概述  14
  1.3 气动动力系统发展概述  14-19
    1.3.1 气动动力系统简介  14-15
    1.3.2 压缩空气储能概述  15
    1.3.3 气动动力系统节能研究概述  15-17
    1.3.4 气动动力设备发展概述  17-19
  1.4 气动汽车的研究意义  19-20
  1.5 课题的提出与本文研究的主要内容  20-21
    1.5.1 课题提出  20
    1.5.2 论文的主要研究工作  20-21
  1.6 本章小结  21-22
第二章高压气动减压原理及其能量特性分析  22-33
  2.1 高压气动节流减压原理及其能量特性分析  22-24
    2.1.1 节流减压的能量平衡方程  22
    2.1.2 实际气体节流减压的拥平衡方程  22-23
    2.1.3 节流减压的焦耳-汤姆逊效应和(?)损失  23-24
  2.2 高压气动容积减压原理及其能量特性分析  24-27
    2.2.1 容积减压的定义  24-25
    2.2.2 容积减压过程的能量方程  25
    2.2.3 容积减压的(?)平衡方程  25-26
    2.2.4 高压气动容积减压与节流减压的比较  26-27
  2.3 高压气动分级减压原理及其能量特性分析  27-32
    2.3.1 定容充分吸热补偿分级减压能量特性  27-30
    2.3.2 定压充分吸热补偿分级减压能量特性  30-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章高压大流量气动开关阀的建模与仿真研究  33-53
  3.1 引言  33
  3.2 高压大流量气动开关阀的设计  33-36
    3.2.1 高压大流量气动开关阀的结构设计  33-34
    3.2.2 高压大流量气动开关阀的工作原理  34-35
    3.2.3 高压大流量气动开关阀的工作参数计算  35-36
  3.3 高压大流量气动开关阀的特性方程  36-40
    3.3.1 高压大流量气动开关阀的物理模型  36-37
    3.32 高压大流量气动开关阀的方程推导  37-40
  3.4 高压大流量气动开关阀的动态特性数学模型  40-43
    3.4.1 高压大流量气动开关阀的细分理论  40-41
    3.4.2 高压大流量气动开关阀的数学模型  41-43
  3.5 高压大流量气动开关阀的仿真研究  43-47
    3.5.1 高压大流量气动开关阀的仿真模型  43-45
    3.5.2 高压大流量气动开关阀的仿真结果  45-46
    3.5.3 仿真与实验比较  46-47
  3.6 高压气动开关阀动态特性影响因素仿真分析  47-52
    3.6.1 先导阀通径的影响  47-48
    3.6.2 主阀控制腔直径的影响  48-49
    3.6.3 主阀芯直径的影响  49-50
    3.6.4 控制气体操作压力的影响  50
    3.6.5 高压气体压缩因子的影响  50
    3.6.6 其他参数的影响  50-52
  3.7 本章小结  52-53
第四章高压气动容积减压系统的数学模型及其控制  53-74
  4.1 引言  53
  4.2 高压气动容积减压系统的组成及工作原理  53-54
  4.3 高压气动容积减压系统的数学模型  54-56
  4.4 高压气动容积减压系统的Bang-Bang控制  56-59
    4.4.1 设定两个极限值的Bang-Bang控制算法  56-57
    4.4.2 高压气动容积减压系统Bang-Bang控制仿真模型  57
    4.4.3 高压气动容积减压系统Bang-Bang控制仿真结果  57-59
  4.5 高压气动容积减压系统的PID控制  59-62
    4.5.1 脉宽调制原理  59
    4.5.2 带死区的PID控制算法  59-60
    4.5.3 高压气动容积减压系统PID控制仿真模型  60
    4.5.4 高压气动容积减压系统PID控制仿真结果  60-62
  4.6 高压气动容积减压系统的预测PID控制  62-64
    4.6.1 预测 PID控制算法  62-63
    4.6.2 高压气动容积减压系统预测PID控制仿真模型  63
    4.6.3 高压气动容积减压系统预测PID控制仿真结果  63-64
  4.7 高压气动容积减压系统的模糊控制  64-69
    4.7.1 模糊控制原理  64-66
    4.7.2 高压气动容积减压系统模糊控制器的设计  66-67
    4.7.3 高压气动容积减压系统模糊控制仿真  67-69
  4.8 高压气动分级减压系统的数学模型及控制  69-73
    4.8.1 高压气动分级减压系统的数学模型  69-71
    4.8.2 高压气动分级减压系统的控制方法  71
    4.8.3 高压气动分级减压控制系统的仿真  71-73
  4.9 本章小结  73-74
第五章气动汽车高压气动动力系统的理论分析  74-82
  5.1 气动汽车能量系统组成  74
  5.2 气动汽车减压控制过程的能量利用  74-77
    5.2.1 气动汽车高压气体储存的有效能  75
    5.2.2 气动汽车节流减压的能量损失  75
    5.2.3 气动汽车容积减压的能量特性  75-76
    5.2.4 气动汽车减压过程能量特性比较  76-77
  5.3 气动发动机的能量特性  77-80
  5.4 气动汽车的动力特性  80-81
    5.4.1 汽车动力学原理  80
    5.4.2 气动汽车的动力性能  80-81
  5.5 本章小结  81-82
第六章高压气动系统实验研究  82-96
  6.1 实验内容  82
  6.2 高压气动实验系统设计  82-86
    6.2.1 高压气动实验系统的总体设计  82-84
    6.2.2 高压气动实验数据采集系统的设计  84-86
  6.3 高压大流量气动开关阀控制腔压力测试实验  86-88
    6.3.1 气动开关阀控制腔压力动态测试装置组成  86-87
    6.3.2 高压气动开关阀控制腔压力动态测试实验结果  87-88
  6.4 高压气动容积减压控制系统实验  88-93
    6.4.1 高压气动容积减压控制系统组成  88
    6.4.2 高压气动容积减压系统 Bang-Bang控制  88-89
    6.4.3 高压气体容积减压系统 PID控制  89-91
    6.4.4 高压气体容积减压系统预测 PID控制  91
    6.4.5 高压气体容积减压系统模糊控制  91-93
  6.5 高压气动分级减压控制系统实验  93-94
  6.6 高压气动容积减压在气动汽车上的应用试验  94-95
    6.6.1 高压气体容积减压能量特性实验  94
    6.6.2 高压气体容积减压系统在气动汽车上的试验  94-95
  6.7 本章小结  95-96
第七章总结与展望  96-98
  7.1 论文总结  96-97
  7.2 工作展望  97-98
参考文献  98-103
攻读博士学位期间发表和录用的学术论文  103-104
致谢  104

高压气动减压理论及其在气动汽车上应用的关键技术研究

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