طراحی، ساخت و مدلسازی دینامیک جامع شیر سروو نیوماتیک پیزوالکتریک مبتنی بر مکانیزم‌های منعطف

در این مقاله، به طراحی، ساخت و مدل‌ سازی دینامیکی شیر سرونیوماتیک پیزوالکتریک مبتنی بر مکانیزم منعطف پرداخته‌شده است. استفاده از عملگرهای پیزوالکتریک در این شیرها، به‌دلیل پاسخ دینامیکی سریع و دقت بالا، منجر به بهبود قابل توجه سرعت کنترل فشار توسط این شیرها می‌گردد. به همین منظور، ابتدا ساختار شیر سرونیوماتیک و عملکرد اجزای آن مورد بررسی قرار‌گرفته ‌است. جهت افزایش میزان گشودگی دریچه شیر طراحی شده، یک مکانیزم منعطف لوزی‌شکل برای تقویت دامنه جابجایی عملگر پیزوالکتریک طراحی‌گردیده است. در ادامه، به ارائه مدل دینامیک جامع سامانه پرداخته‌شده است. پس از شناسایی و صحه گذاری دینامیک پیشنهادی، نتایج کنترل فشار هوا به ازای ورودی‌های مرجع ثابت و متغیر با زمان ارائه‌گردیده است. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که مدل دینامیکی پیشنهادی برای شیر ساخته ‌شده دارای حداکثر خطای 25 درصد می‌باشد. همچنین نتایج تحلیل فرکانسی نشان می‌دهد که شیر موردنظر دارای پهنای باند دینامیکی 90 هرتز و فرکانس طبیعی 56 هرتز است، که نشان‌دهنده قابلیت استفاده در فرکانس‌های بالا می‌باشد. همچنین نتایج کنترل فشار زمان پاسخ پله‌ای حدود 21 میلی‌ثانیه در فشار 2 بار را نشان می‌دهد، که بیانگر توانایی آن در پاسخگویی به تغییرات سریع فشار است. علاوه بر این، قابلیت دنبال‌کردن فشارهای ورودی با فرکانس‌ها و دامنه‌های مختلف نیز مورد بررسی قرار‌گرفت.

design, manufacturing, and comprehensive dynamic modeling of a piezoelectric pneumatic servo valve based on compliant mechanisms

this article focuses on the design, manufacturing, and dynamic modeling of a piezoelectric pneumatic servo valve based on a compliant mechanism. the use of piezoelectric actuators in these valves, due to their fast dynamic response and high precision, significantly improves the speed of pressure control. to this end, the structure of the pneumatic servo valve and the function of its components were initially investigated. to enhance the valve’s orifice opening, a rhombus type compliant mechanism was designed to amplify the displacement range of the piezoelectric actuator. subsequently, a comprehensive dynamic model of the system was presented. after identification and validating the proposed dynamics, the results of air pressure control for both steady and time-varying reference inputs were provided. experimental results indicate that the proposed dynamic model for the manufactured valve has a maximum error of 25%. additionally, frequency analysis results show that the valve has a dynamic bandwidth of 90 hz and a natural frequency of 56 hz, highlighting its applicability for high-frequency operations. the results of pressure control demonstrate a step response time of approximately 21 milliseconds at a pressure of 2 bar, indicating its capability to respond to rapid pressure changes. furthermore, the ability to track input pressures with varying frequencies and amplitudes was also evaluated.