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CN113431926A - 一种电液比例阀及其高精度位置控制系统 - Google Patents

一种电液比例阀及其高精度位置控制系统 Download PDF

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高伟
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彭泽钦
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Nanjing Institute of Technology
Yanshan University
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Abstract

本发明涉及一种电液比例阀及其高精度位置控制系统，电液比例阀包括阀芯、阀套、比例电磁铁、位移传感器和集成放大器等组件，集成放大器则包括电流控制器、位置控制器与通讯端口；阀芯一端设置有位移传感器，另一端设置有比例电磁铁，位移传感器用于采集阀芯的位移量，比例电磁铁则驱动阀芯移动；通讯端口分别与电流控制器、位置控制器连接且其能够接受指令信号。基于该电液比例阀，对传统PID控制方法进行了改进，将前馈控制和反馈控制相结合并引入积分分离与一阶滤波等方法，提高了比例阀的抗干扰能力及位置控制精度，并使其动态响应能力得到了进一步提升。

Description

一种电液比例阀及其高精度位置控制系统
技术领域
本发明属于比例阀技术领域，具体涉及一种电液比例阀及其高精度位置控制系统。
背景技术
先导式大流量电液比例阀是电液比例阀中的高端产品，相比于普通比例阀产品，其控制流量较大、自动化程度更高，控制性能、安全及可靠性要求更高，是高端工业装备重要的组成元件，也是我国液压行业亟需发展的液压基础元件。为此，开发具有自主知识产权的先导式大流量电液比例阀，满足国家高端工业装备的发展需求，具有重要的工程意义和社会意义。然而，电液比例阀在我国发展起步较晚，国内研究单位在80年代开始进行比例阀的研究，并取得了一定的研究成果，但研究不够深入，产品缺乏核心竞争力。目前国内生产比例阀的企业较少，实力强并形成规模的企业更少。
作为关键基础件的比例阀，其关键技术仍掌握在欧美大型液压件生产厂商手中，在比例阀控制系统中，比例阀阀芯位置精准控制是研究的重要方向，目前针对高频响比例阀进行了一系列的研究。在专利CN112377481A中，烟台大学提出了通过高频响的音圈电机代替力矩马达对伺服阀进行驱动，以提高反应速度、缩短相应时间。该系统中通过音圈电机直接驱动刚性件阀芯进行移动，通过阀芯的移动改变溢流口的大小从而在阀芯的两端产生压差，以提高相应速度，减少反馈时间，使高频响得以实现。但该方法是通过电机来驱动阀芯，使得控制方法更加复杂，反而降低了动态响应能力。专利CN204828107U中公开了一种高精度电液比例阀，通过对阀芯的位置反馈与外部闭环系统形成了双闭环控制系统，以提高电液比例阀的响应频率，从而改进整个系统的控制特性，但是其控制方法所能控制的最高频响只能接近60Hz。综上所述，现有电液比例阀的动态响应能力仍然有待提高，为克服这一缺陷，亟待提供一种新型高频响电液比例阀高精度位置控制方法。
当前无论是模拟式还是数字式比例阀控制器，为了实现阀芯位置闭环控制，一般采用“电流-位置”双闭环控制形式，采用“比例-积分(PI)”反馈控制器实现电磁铁电流闭环(内环)，然后采用“比例-积分-微分(PID)”控制器设计位置控制闭环(外环)。由于电磁铁电流闭环响应速度比位置闭环的响应速度更快，内外环之间不会产生明显的干扰，具有较好的控制效果。PID控制是经典的控制系统，作为工业上验证多年的理论具有很大的实用价值。PID控制的控制量是通过对系统设定值与输出量的偏差进行P(Proportion)、I(Integral)、D(Differential)线性组合来确定的。相比于其他控制算法，PID控制的工程应用更加便易，组成结构更加简单，是工程中最常用的控制策略。但对于快速性、准确性和稳定性要求较高的系统，传统PID控制较难协调三者之间的矛盾，并且在变参数和外界干扰情况下系统的鲁棒性也比较差，这是因为实际控制过程比理论要复杂的多，仅仅采用普通的PID控制是不够的。
发明内容
为提高比例阀的抗干扰能力、位置控制精度及动态响应能力，提供一种电液比例阀及其高精度位置控制系统。本发明采用的技术方案如下：
一种电液比例阀，包括阀芯、阀套、比例电磁铁、位移传感器和集成放大器，所述集成放大器包括电流控制器、位置控制器、通讯端口；所述阀芯位于阀套内，阀芯一端设置有位移传感器，另一端设置有比例电磁铁；所述位移传感器与通讯端口连接；所述比例电磁铁与通讯端口连接；所述通讯端口分别与电流控制器、位置控制器连接，且其能够接受外部指令信号；所述位置控制器与电流控制器连接；指令信号通过通讯端口经由位置控制器和电流控制器后将计算后的控制信号通过通讯端口发送到比例电磁铁，比例电磁铁通电产生电磁力推动阀芯移动，阀芯位移量由位移传感器采集，位移传感器采集到的位移信号通过通讯端口反馈到位置控制器。
进一步地，所述位置控制器判断阀芯的位移是否符合指令信号的要求，如果不符合要求则进行位置PID运算，电流控制器根据位置控制器计算出的数据重新进行电流PID运算，并将计算后的电流经过通讯端口输出给比例电磁铁。
一种基于所述电液比例阀的高精度位置控制系统，包括位置闭环与电流闭环；所述位置闭环中，指令信号与阀芯位移信号作差，该偏差经位置PID运算后与前馈的基准电流叠加，基准电流为指令信号对应的位移电流且其与位置PID运算后的偏差相加作为位置闭环的输出；所述电流闭环中，位置闭环的输出与比例电磁铁的输入电流作差，该偏差经电流PID运算后的占空比与位置闭环输出电流的占空比相加作为PWM发生器占空比的基准值，PWM占空比信号驱动比例电磁铁。
进一步地，在所述PID运算中引入积分分离的概念以消除积分累积，其公式表示为
Figure BDA0003158934050000021
其中，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(x)为控制输出信号,Kp为常系数，err(t)为误差信号,T为采样周期。
进一步地，对所述指令信号进行一阶滤波，其公式表示为
Y(n)＝aX(n)+(1-a)Y(n-1)，
其中，a为滤波系数，X(n)为本次采样值，Y(n-1)为上次滤波输出值，Y(n)为本次滤波输出值。
进一步地，所述PID运算中的P值和前馈量可调。
相比于现有技术，本发明提出了一种电液比例阀，对传统PID控制方法进行了改进，将前馈控制和反馈控制相结合并引入积分分离与一阶滤波等方法，提高了比例阀的抗干扰能力及位置控制精度，使其动态响应能力得到了进一步提升。
附图说明
图1为本发明电液比例阀的一种结构图。
图2为本发明高精度位置控制系统的系统框图。
图3为本发明高精度位置控制系统的控制流程图。
其中，1-阀芯、2-阀套、3-比例电磁铁、4-位移传感器，5-集成放大器，6-电流控制器，7-位置控制器，8-通讯端口。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明中的控制系统基于一种电液比例阀，该电液比例阀由阀体和集成放大器5等部件组成，阀体包括阀芯1、阀套2、比例电磁铁3和位移传感器4，集成放大器5则包括电流控制器6、位置控制器7与通讯端口8。通讯端口8的输入端接外部控制信号，输出端分别连接比例电磁铁3、电流控制器6与位置控制器7。阀芯1设置在阀套2内，高精度的比例电磁铁3驱动阀芯1滑移，并将比例电磁铁3的输入电流反馈给电流控制器6。位移传感器4检测阀芯1位移，其输出端连接位置控制器7，位置控制器7与电流控制器6共同控制比例电磁铁3。该电液比例阀的工作原理为：控制器驱动比例电磁铁3推动阀芯1移动，节流窗口打开/关闭，位移传感器4将阀芯1位移实时反馈给控制器，通过控制阀芯1位移大小实现对阀口流量大小的控制。
本发明中的控制系统为实现阀芯1位置的闭环控制，采用“电流-位置”双闭环控制形式，该系统中对传统PID控制算法进行改进，引入滤波和闭环系统中的前馈控制。同时，考虑到传统PID控制中引入积分环节的目的主要是为了消除静差、提高控制精度，但是在启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分累积，导致控制量超过执行机构允许的最大动作范围对应的极限控制量，从而引起较大的超调甚至是震荡。为克服这一问题，引入积分分离的概念，其基本思路是当被控量与设定值偏差较大时取消积分作用，当被控量接近给定值时引入积分控制以消除静差、提高精度，其公式表示如下：
Figure BDA0003158934050000041
其中，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(x)为控制输出信号,Kp为常系数，err(t)为误差信号,T为采样周期。
滤波是滤除特定频段信号的操作，是抑制或防止干扰的重要措施之一。本发明控制算法中为防止指令信号输入时的杂波影响控制精度对输入的指令信号进行了一阶滤波(一阶惯性滤波或一阶低通滤波)，一阶低通滤波法将本次采样值与上次滤波输出值加权叠加得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。一阶低通滤波的公式为
Y(n)＝aX(n)+(1-a)Y(n-1)，
其中，a为滤波系数，X(n)为本次采样值，Y(n-1)为上次滤波输出值，Y(n)为本次滤波输出值。
为克服其他扰动对控制变量的影响，本发明将前馈控制和反馈控制结合构成前馈反馈控制系统。前馈反馈控制系统有两种结构形式，本发明中采用最典型的结构形式，将前馈控制作用与反馈控制作用相加。前馈最主要的作用是对主要干扰及时进行粗调以减少反馈控制的负担与PID的运算量，是系统反应更加迅速。
本发明中的高精度位置控制系统可以补偿摩擦力、液动力等非线性因素的影响，通过对两个闭环反馈系统分别添加一个前馈控制构建串级PID控制系统，实现阀芯1位置的精准控制，其具体流程为：指令信号通过通讯端口8经由位置控制器7和电流控制器6将计算后的控制信号通过通讯端口8发送到比例电磁铁3以驱动阀芯1移动，位移传感器4将采集到的阀芯1位移信号通过通讯端口8实时反馈到位置控制器7，位置控制器7判断阀芯1位移是否符合指令信号的要求，若不符合则进行位置PID运算，电流控制器6根据位置控制器7的运算结果进行电流PID运算并将运算后的电流值经通讯端口8输出给比例电磁铁3继续控制阀芯1移动，直至阀芯1位移量符合指令信号。
参考图2可知，本发明控制方法中的两个闭环分别是位置闭环与电流闭环。
位置闭环：指令信号与采集到的阀芯1位移信号作差，该偏差经位置PID运算后与基准电流叠加，根据阀芯1受力平衡得到指令信号对应的位移电流以前馈形式叠加到位置闭环的输出端，即位置PID之后，该位移电流作为所需位移的基准电流。在阀体中，由于阀芯的运动会使阀芯1与阀套2间的摩擦系数不断变化，液动力(包括稳态液动力和瞬态液动力)也会因阀芯1运动对阀芯1产生非线性影响，所以理论推导的关系并不能反映实际情况，因此基于力平衡方程，在位置PID中通过积分环节来补偿该部分非线性因素的影响。
电流闭环：位置闭环的输出与采集到的比例电磁铁3的输入电流作差，该偏差经电流PID运算后的占空比与位置闭环输出电流的占空比相加，作为PWM发生器占空比的基准值。在控制电路中会出现由于电路本身所带来的非线性因素，如给定PWM占空比和频率与电路输出电流间的非线性关系，为此本发明利用电流PID来补偿电路中该因素的影响。
高频响状态下比例电磁铁3的“电流-力”特性会出现非线性，使得高频响工况下会出现比例电磁铁3电流无法跟上的情况。本发明通过实际的校验调试，通过增加PID运算中的P值和前馈量提升系统响应的快速性，有效解决了高频响下电流衰减的问题。
参考图3可知，在本发明电液比例阀中，指令信号输入给控制器，控制器经过信号转换产生电流输出给比例电磁铁3，比例电磁铁3接收电流信号后产生电磁力驱动阀芯运动，同时将电流信号反馈给电流控制器6构成闭环，若反馈电流正确则电流控制器6直接输出正确电流，否则根据偏差大小对输入的电流进行调整后输出，位移传感器4采集位移信号后反馈给位置控制器7构成闭环，若阀芯1位移符合指令要求则位置控制器7不需要调整输入信号，否则根据偏差调整输入信号，使阀芯1向指定的位移量运动。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电液比例阀，其特征在于，包括阀芯(1)、阀套(2)、比例电磁铁(3)、位移传感器(4)和集成放大器(5)，所述集成放大器(5)包括电流控制器(6)、位置控制器(7)、通讯端口(8)；所述阀芯(1)位于阀套(2)内，阀芯(1)一端设置有位移传感器(4)，另一端设置有比例电磁铁(3)；所述位移传感器(4)与通讯端口(8)连接；所述比例电磁铁(3)与通讯端口(8)连接；所述通讯端口(8)分别与电流控制器(6)、位置控制器(7)连接，且其能够接受外部指令信号；所述位置控制器(7)与电流控制器(6)连接；指令信号通过通讯端口(8)经由位置控制器(7)和电流控制器(6)后将计算后的控制信号通过通讯端口(8)发送到比例电磁铁(3)，比例电磁铁(3)通电产生电磁力推动阀芯(1)移动，阀芯(1)位移量由位移传感器(4)采集，位移传感器(4)采集到的位移信号通过通讯端口(8)反馈到位置控制器(7)。
2.如权利要求1所述的一种电液比例阀，其特征在于，所述位置控制器(7)判断阀芯(1)的位移是否符合指令信号的要求，如果不符合要求则进行位置PID运算，电流控制器(6)根据位置控制器(7)计算出的数据重新进行电流PID运算，并将计算后的电流经过通讯端口(8)输出给比例电磁铁(3)。
3.一种基于权利要求1所述电液比例阀的高精度位置控制系统，其特征在于，包括位置闭环与电流闭环；所述位置闭环中，指令信号与阀芯位移信号作差，该偏差经位置PID运算后与前馈的基准电流叠加，基准电流为指令信号对应的位移电流且其与位置PID运算后的偏差相加作为位置闭环的输出；所述电流闭环中，位置闭环的输出与比例电磁铁(3)的输入电流作差，该偏差经电流PID运算后的占空比与位置闭环输出电流的占空比相加作为PWM发生器占空比的基准值，PWM占空比信号驱动比例电磁铁。
4.根据权利要求3所述的高精度位置控制系统，其特征在于，在所述PID运算中引入积分分离的概念以消除积分累积，其公式表示为
Figure FDA0003158934040000011
其中，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(x)为控制输出信号,Kp为常系数，err(t)为误差信号,T为采样周期。
5.根据权利要求3所述的高精度位置控制系统，其特征在于，对所述指令信号进行一阶滤波，其公式表示为
Y(n)＝aX(n)+(1-a)Y(n-1)，
其中，a为滤波系数，X(n)为本次采样值，Y(n-1)为上次滤波输出值，Y(n)为本次滤波输出值。
6.根据权利要求3所述的高精度位置控制系统，其特征在于，所述PID运算中的P值和前馈量可调。
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