随着气动技术的发展,气体精密控制在智能机器人、工业自动化、医疗器械等领域的应用越来越多,对气体流量控制技术的要求也越来越高。采用压电双晶片作为驱动器的压电驱动精密气体流量阀具有功耗低、位移大、响应速度快等一系列优点,但在实际应用中,压电双晶片材料自身固有的迟滞等非线性特性会导致压电驱动气体流量阀存在控制精度变差、响应速度变慢等问题。本文主要研究面向气动控制领域的压电驱动精密气体流量阀的建模及控制技术,在综合分析国内外气体流量阀建模及控制研究的基础上,首先建立了压电驱动精密气体流量阀的综合数学模型。特别针对压电双晶片导致的迟滞非线性,建立了气体流量阀的迟滞非线性模型。最后设计了基于改进PI逆模型的前馈逆补偿控制与模糊自适应PID控制相结合的复合控制方案,解决了由压电材料迟滞非线性导致的气体流量阀的控制性能变差的问题。本文的主要工作如下:(1)压电驱动精密气体流量阀建模分析。通过分析压电材料特性、气体流量特性以及压电驱动精密气体流量阀的工作原理,建立了压电驱动精密气体流量阀的综合数学模型,包括气体流量阀的压电驱动环节电学模型、压电双晶片运动学模型以及位移-流量转换模型,推导出了系统的开环传递函数。考虑到压电双晶片的迟滞非线性特性对流量阀的控制性能影响很大,对位移-流量转换环节进行分析得知压电驱动气体流量阀具有与压电双晶片性质相同的迟滞非线性,可将压电驱动器迟滞非线性模型用于压电驱动气体流量阀的迟滞非线性模型的建立。(2)压电驱动精密气体流量阀迟滞非线性模型的建立。首先研究了压电陶瓷产生迟滞的机理,通过分析压电陶瓷产生迟滞的机理可知,物理建模比较复杂,因此采用唯象建模方法建立压电驱动精密气体流量阀的迟滞非线性模型。其次在传统PI模型的基础上,采用死区算子与传统PI模型叠加建立压电驱动精密气体流量阀的改进PI迟滞非线性模型,使得改进后的模型具有非凸、非奇对称等符合压电驱动精密气体流量阀的特性。最后进行了实验研究、改进PI模型参数辨识和模型验证。搭建实验平台采集输入电压及其对应的输出流量的数据,分别通过初载曲线法和粒子群算法辨识模型参数,通过与实测数据进行比较,验证了改进PI模型的有效性。(3)压电驱动精密气体流量阀控制研究。首先设计了基于改进PI逆模型的前馈逆补偿控制结合模糊自适应PID控制的复合控制方案。其次求解了改进PI模型的逆模型并设计前馈逆补偿控制器,搭建了Simulink仿真模型验证逆模型及逆补偿效果。然后设计了气体流量阀的模糊自适应PID反馈控制器,将前馈逆补偿控制与模糊自适应PID控制结合为复合控制器。最后搭建系统Simulink仿真模型完成气体流量阀控制仿真实验。仿真结果表明,基于改进PI逆模型的前馈逆补偿控制与模糊自适应PID控制相结合的复合控制方案是有效的,可以实现对输出流量的快速稳定控制。(4)压电驱动精密气体流量阀控制实验。首先搭建了实验平台,介绍了系统硬件电路的控制流程和软件控制流程。然后进行了不同期望流量信号阶跃响应实验。实验结果表明,基于改进PI迟滞模型逆补偿结合模糊自适应PID的复合控制方案实现了压电驱动精密气体流量阀输出气体流量快速而稳定的控制。