CN100437408C - 脉码调制和脉宽调制混合模式流量调节系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种脉码调制和脉宽调制混合模式流量调节系统及调节方法。阀的控制信号被送到控制器，经过软件计算转换后，把相应的开关状态通过它的开关量输出通道送到一组n个开关阀，各开关阀的所在支路上有一节流元件，使各阀的流量系数C_v0∶C_v1∶…C_vi∶…C_v(n-1)：＝2⁰∶2¹∶…2ⁱ∶…2^n-1。阀的状态通过状态检测机构得到反馈信号，通过开关量输入通道送到控制器。控制器根据给各阀的输出信号和它的反馈信号对比，可以对各阀进行故障诊断。该系统可以在一个或多个开关阀失灵的情况下，测得故障状态反馈信号，通过调整其它开关阀动作来保持流量调节质量，达到故障自愈。

Description

脉码调制和脉宽调制混合模式流量调节系统及调节方法

技术领域

本发明涉及一种流量调节系统和调节方法，特别是涉及采用一组开关阀来代替流量控制阀的脉码调制(PCM)和脉宽调制(PWM)混合模式的组合流量调节系统和调节方法，可以在一或多个开关阀失灵的情况下，对正常的阀门进行逻辑重构，使其尽量保持流量调节质量，用于工程工业液压、气压控制系统流体控制场合。

背景技术

在工程工业液压、气压控制系统流体控制场合，采用开关阀来代替流量控制阀具有很多优点，如：廉价、无死区、无滞环、线性好、响应快，抗干扰等优点。其中最常用的为脉码调制和脉宽调制技术。脉码调制是将一个连续的控制信号变为一个离散的n位二进制数，该2进制数的每个位控制一个开关阀，各开关阀加装节流元件，使各阀的流量系数(即C_v值)C_v0∶C_v1∶...C_v(n-1)：＝2⁰∶2¹∶...2^n-1。该阀组最大流量系数为n个阀全开时的值，为各阀流量系数之和，即：(2ⁿ-1)C_v0；最小可调流量系数为C_v0。该阀组相对调节精度为：即 $\frac{1}{2(2^n-1)}\×100\%.$ 例如中国专利CN86208370U《数控电磁阀》和中国发明专利ZL00105285.3《广义脉码调制电磁阀》就属于脉码调制设计。其中ZL00105285.3对传统的脉码调制方式做了改进，对低位阀节流面积采用线性编码，高位阀间节流面积采用非线性编码，使其在能保证小流量调节精度的前提下也有较大的流量调节范围。提高脉码调制相对调节精度的途径有：增加阀的个数，即增加2进制编码的位数，使C_v0降低。但是这样会使阀的个数增加，成本提高，此外，C_v0很小的节流元件不易加工，使用中也容易堵塞。而且，使用阀的数目增加也会使阀组的整体可靠性降低。

脉码调制控制精度受开关阀个数限制，或是受最低C_v0限制。单纯的脉宽调制通常采用一个开关阀，然后通过设置在一个时间周期内开和关的时间比例来调节时间平均流量。脉宽调制有时会产生较大的流量波纹，这时就必须采用高速的开关阀，以缩短脉宽调制时间周期。为了解决这一问题，可以采用脉码调制和脉宽调制混合模式的流量控制阀，就是在脉码调制信号的基础上再叠加一个小幅值的脉宽调制信号。日本专利JP59167702《流量控制电路》(FLOW RATECONTROL CIRCUIT)采用硬件电路来实现脉码调制和脉宽调制混合方式的流量调节。具体的做法是：高位流量仍采用一组n个开关阀，使各阀的流量系数C_v0∶C_v1∶...C_vi∶...C_v(n-1)：＝2⁰∶2¹∶...2ⁱ∶...2^n-1，称为脉码调制阀；低位流量则采用一个流通能力较小(C_v值≤C_v0)的开关阀，称为脉宽调制阀。流量控制电流信号是一模拟量，首先经过D/A转换取整得到的几位2进制数送到高位的几个开关阀，相当于脉码调制调节，而这个2进制数再经过D/A转换后跟原始模拟信号相比较，得到原始信号二进制转换过程中的误差，也就是余数。此余数经过一个脉宽调制转换器转换为一个脉宽调制输出控制脉宽调制阀。该方法与脉宽调制相比，产生的波纹幅值仅为原来的

所以不必采用高速的开关阀其波纹幅值仍然可以接受。与脉码调制相比，最小可调流量系数为

相对调节精度为： $\frac{T_1}{2(2^n-1)T_0}\×100\%,$ 其中为T₁最小可调脉宽，T₀为阀的调节周期时间。

脉码调制和脉宽调制混合模式的组合式流量调节阀具有非常突出的优点，然而，由于频繁开关，开关阀的可靠性非常重要，一旦脉宽调制开关阀失灵，调节阀的精度就会变差；对于高位脉码调制阀的故障，会出现输入-输出特性曲线单调性的破坏。这是基于硬件的脉码调制和脉宽调制混合模式的组合流量调节阀不可克服的缺陷。加装阀位反馈可以帮助诊断故障，但不能克服故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种可进行逻辑重构的脉码调制和脉宽调制混合模式的组合流量调节系统和调节方法。该系统可以在一个或多个开关阀失灵的情况下，测得故障状态反馈信号，通过调整其它开关阀动作来保持流量调节质量，达到故障自愈。

本发明提供的流量调节系统是：一种采用软件方式进行信号转换的脉码调制和脉宽调制混合模式的组合流量调节系统，它包括：将阀的控制信号经过软件计算进行转换的控制器，和一个把转换后相应的开关状态控制信号输出的开关量输出(DO)通道，与输出通道相连一组n个开关阀；各开关阀的所在支路上有使各阀的流量系数C_v0∶C_v1∶...C_vi∶...C_v(n-1)：＝2⁰∶2¹∶...2ⁱ∶...2^n-1的节流元件，各阀设置有对阀的工作状态检测，获得反馈信号的检测机构，以及一个能把反馈信号开关量输入控制器的输入通道。

上述的开关阀可以是液动、气动或电动。阀控制信号可以是模拟的也可以是数字的。

本发明提供的用上述调节系统进行流量调节方法的自愈原理是：当一个或多个开关阀故障关闭，在阀组流量系数可调范围损失的范围内，通过剩余的正常开关阀在脉码调制输出信号的基础上再加一个脉宽调制输出信号来达到平均流量调节精度要求，同时选择合理的脉宽调制时间周期T₀，使它刚好能满足流量波纹幅值的要求。

主要方法是：由控制器对阀的控制信号进行软件计算转换，把相应的阀的开关状态通过开关量输出(DO)通道送到一组n个开关阀，用各开关阀的所在支路上的节流元件控制，使各阀的流量系数C_v0∶C_v1∶...C_vi∶...C_v(n-1)：＝2⁰∶2¹∶...2ⁱ∶...2^n-1，阀的运行状态通过状态检测机构检测得到反馈信号，开关量输入(DI)通道将反馈信号送到控制器，控制器根据给各阀的输出信号和它的反馈信号对比，对各阀进行故障诊断，自动计算控制调整阀输出，计算控制方法是：如果预期的阀组流量系数是C_ve，当前故障阀的实际流量系数根据故障时阀位置是开或关分别为C_vi(i＝0，1，...n-1)或0，则用其它阀调节得到C_ve的最小上近似C_vu和最大下近似C_v1中的至少一个，此时用最大下近似C_v1或最小上近似C_vu来逼近预期输出；或直接输出可以满足时间平均流量精度要求的近似值；或在输出下近似C_v1的基础上，再叠加一个占空比 $R=\frac{(C_{\mathrm{ve}}-C_{v1})}{(C_{\mathrm{vu}}-C_{v1})},$ 幅值为(C_vu-C_v1)的脉宽调制信号，在一个时间周期T₀内，让阀组C_v在C_vu和C_v1之间切换。

如果脉宽调制信号产生的流量波纹幅值超标，则缩短脉宽调制信号的时间周期直到流量波纹幅值在允许范围内为止。

上述的调节方法中，流量调节质量包括：流量系数调节范围，平均流量调节精度，流量调节波纹幅值这三个方面。在出现故障时，流量系数调节范围的损失是不可补偿的，而后两者则可能通过调节无故障开关阀的动作来调整。

本发明只考虑各个阀的独立随机故障，如线圈和阀的机械动作部分的故障。对于各阀共源故障，如电源和供料的可靠性等，则不加考虑；因为这样的故障不是靠调整阀组可以克服的。

本发明的效果：与硬件电路方式的脉码调制和脉宽调制混合模式组合式流量调节阀相比较，本发明中采用软件方式的脉码调制和脉宽调制混合模式组合式流量调节阀具有以下优点：

1、没有专门的脉宽调制阀，实际上是将脉码调制和脉宽调制信号先叠加后再送到DO通道，输出到各开关阀。

2、阀状态反馈装置可以检测故障，并且在检测到一个或几个开关阀故障时，可以通过调整其它开关阀的动作来尽量保持调节质量。因而具有故障自愈能力，特别适合于有故障时必须带故障运行的场合，如飞行器，或是停车损失太大的场合，如连续运行的生产线或过程工业等。

附图说明：

图1是本发明的调节系统示意图

图2是本发明的计算控制方法流程图

图3是无故障情况下预期流量系数和实际阀组流量系数输出曲线示例

图4是无故障情况下预期流量和实际流量输出曲线示例

图5是每个调节周期插入一个脉宽调制信号时预期流量系数和实际阀组流量系数输出曲线示例

图6是每个调节周期插入一个脉宽调制信号时预期流量输出和实际流量输出曲线示例

图7是每个调节周期插入两个脉宽调制信号时预期流量系数和实际阀组流量系数输出曲线示例

图8是每个调节周期插入两个脉宽调制信号时预期流量输出和实际流量输出曲线示例

在图3至图8中，预期值以虚线标出，实际值以实线标出。

具体实施方式：

下面对照附图1和附图2对本发明的调节系统及具体调节方法说明：

阀的控制信号被送到控制器1，经过软件计算转换后，把相应的开关状态通过它的开关量输出(DO)通道2送到一组n个开关阀3V₀、V₁。。。V_n-1，各开关阀的所在支路上有一节流元件4，S₀、S₁。。。S_n-1，使各阀的流量系数C_v0∶C_v1∶。。。C_vi：。。。C_v(n-1)：＝2⁰∶2¹∶...2ⁱ∶...2^n-1。阀的状态通过状态检测机构5得到一反馈信号，通过开关量输入(DI)通道6送到控制器。控制器1根据给各阀的输出信号和它的反馈信号对比，可以对各阀进行故障诊断。如果发现某个阀有故障，则对其不加控制，用其余的开关阀来尽量逼近所期望的阀流量系数。计算控制方法是：如果预期的阀组流量系数是C_ve，当前故障阀的实际流量系数根据故障时阀位置是开或关分别为C_vi(i＝0，1，...n-1)或0，则用其它阀调节可以得到C_ve的最小上近似C_vu和最大下近似C_v1中的至少一个。这里最小上近似是指通过调节无故障阀可以得到的大于C_ve的最小流量系数，最大下近似是指通过调节无故障阀可以得到的小于C_ve的最大流量系数。如果有阀的故障位置是在关位置，并且预期的阀组流量系数C_ve比较大，只能得到它的最大下近似C_v1，也就是当前可得到的最大流量系数，则直接用最大下近似C_v1来逼近预期输出；如果预期的阀组流量系数C_ve比较小，并且有阀的故障位置是在开位置，可能得不到下近似C_v1，这时只能采用最小上近似C_vu来逼近预期输出。如果最小上近似C_vu和最大下近似C_v1都存在，并且其中一个可以满足时间平均流量精度要求，则直接输出该近似值，否则在输出下近似C_v1的基础上，再叠加一个占空比 $R=\frac{(C_{\mathrm{ve}}-C_{v1})}{(C_{\mathrm{vu}}-C_{v1})},$ 幅值为(C_vu-C_v1)的脉宽调制信号，然后在一个时间周期T₀内，让阀组C_v在C_vu和C_v1之间切换。如果脉宽调制信号产生的流量波纹幅值超标，则缩短脉宽调制信号的时间周期直到流量波纹幅值在允许范围内为止。

本发明的系统所用的控制器、开关阀等可以选用现有市售产品，如：

采用直动式两位两通电磁阀作为开关阀，控制器用市售工控计算机来做，DI和DO采用带固态继电器输出的工控I/O卡。预期阀位由人输入到工控机中。在验证性实验中，选用线圈电流作为阀状态反馈的测量参数，这可以诊断出线圈烧坏的故障，但不能检测出阀卡的故障。

采用带有电气转换装置的气动阀作为开关阀，采用阀位置反馈元件作为状态反馈装置。阀位置反馈元件有机械触点式的，也有无接触式的，如电磁感应式位置开关、接近开关等。

采用带有电气转换装置的液动阀作为开关阀，采用阀位置反馈元件作为状态反馈装置。

对于前述气动阀或液动阀，状态检测机构为一流量反馈元件或机构，如流量开关；也可以是节流片前后压差反馈元件或机构，如压力开关。

系统的控制器选用一嵌入式系统，阀位信号为标准的4-20mA电流或1-5V电压模拟信号，由外界提供该信号，然后在嵌入式系统内部经过A/D转换得到预期开度的数值。阀位信号也可以为数字信号，由外界通过RS485总线或RS232/422总线提供或由外界通过以太网线提供。

选用市售基于PC104的嵌入式系统，例如美国RTD公司的嵌入式系统，包括A/D转换和DI、DO卡。阀位信号为标准的4-20mA电流或1-5V电压模拟信号，由外界提供该信号，然后在嵌入式系统内部经过A/D转换得到预期开度的数值。

以下的实施例是对本发明调节方法的进一步说明，但不应限于本实施例。

实施例：对一个包括4个开关阀的组合式流量阀，假设其对应的流量对象为一阶对象，过渡时间为T_f，其上级模块给它发出阀位信号的周期为T_s(T_s＝2T_f)，设计要求流量调节精度为≤4％量程范围，流量波纹峰-峰值≤8％量程范围。其中阀1、阀2、阀3和阀4的流量系数分别为C_v0∶C_v1∶C_v2∶C_v3＝1∶2∶4∶8，全开时流量系数为15C_v0。如果预期的阀开度为45％，即预期C_ve＝6.75 C_v0，当阀无故障时得到的最小上近似为7C_v0，既阀4全关，阀1，2和3全开。最大下近似为6C_v0，既阀2和4全开，其余阀关。此时采用最小上近似7C_v0，则其相对误差为：a＝|(7-6.75)|/15＝1.67％，满足精度要求，所以不需要再叠加脉宽调制输出，波纹幅值为0，阀组流量系数输出如图3所示，其对应的流量输出如图4所示。

当预期C_ve＝6.75 C_v0，但阀1有故障处于关闭位置时，得到的最小上近似为8C_v0，既阀4全开，阀2，3全关。最大下近似为6C_v0，既阀4全关，阀2，3全开。直接采用最大下近似6C_v0误差为5％，不能满足要求，此时在最大下近似基础上叠加一个脉宽调制信号，其占空比 $R=\frac{(C_{\mathrm{ve}}-C_{v1})}{(C_{\mathrm{vu}}-C_{v1})}=0.375,$ 即前37.5％周期里阀组流量系数为8C_v0，后62.5％周期里阀组流量系数为6C_v0，如果脉宽调制时间周期T₀＝T_s＝2T_f，则波纹幅值＝5.8％，所以采用该脉宽调制时间周期符合要求。阀组流量系数输出如图5所示，其对应的流量输出如图6所示。

类似地，C_ve＝6.75 C_v0，但阀1和2有故障处于关闭位置时，得到的最小上近似为8C_v0，既阀4全开，阀3全关。最大下近似为4C_v0，既阀4全关，阀3全开。此时可得 $R=\frac{(C_{\mathrm{ve}}-C_{v1})}{(C_{\mathrm{vu}}-C_{v1})}=0.6875,$ 即前68.75％周期里阀组流量系数为8C_v0，后31.25％周期里阀组流量系数为5C_v0，如果取T₀＝T_s＝2T_f，则波纹幅值＝8.03％，所以采用该脉宽调制时间周期不符合要求。所以需要在一个T_s周期内增加脉宽调制输出的次数，取T₀＝0.5T_s＝T_f，则波纹幅值＝4.22％，符合要求，阀组流量系数输出如图7所示，其对应的流量输出如图8所示。

可以采用流量信号经过处理得到实测波纹幅值。在阀所对应的流量对象传递函数已知时，也可以通过计算的方法得到波纹幅值。阀所控制的流量对象通常认为是一阶滞后对象，其传递函数为

其中T_f是流量对象的时间常数，K为放大系数；对于高阶系统，通常在工程实践中，可以近似认为实际对象是由一个纯滞后环节和一个一阶滞后环节串联构成的，其传递函数近似地为

τ为纯滞后时间；对于平稳周期过程，纯滞后对调节精度和波纹高度没有影响，只是使流量曲线向右平移τ时间。如果采用的阀位和流量的单位都采用相对量，即相对于满量程的百分比，则放大系数K＝1。经计算可知，阀组对应的流量对象的波纹峰-峰值

为：

其中R为占空比，η为脉宽调制时间T₀与流量对象时间常数T_f之比，C_vu和C_v1同前面的定义，为预期流量系数的最小上近似和最大下近似，C_vmax为阀组设计最大流量系数。

的单位是设计最大流量的百分比。

Claims (10)

1、一种脉码调制和脉宽调制混合模式流量调节系统，其特征在于，包括：将阀位控制信号经过软件计算进行转换的控制器，和一个把转换后相应的开关状态控制信号输出的开关量输出通道，与输出通道相连一组n个开关阀；各开关阀的所在支路上有使各阀的流量系数C_v0:C_v1:...C_vi:...C_v(n-1)＝2⁰:2¹:...2ⁱ:...2^n-1的节流元件，各阀设置有对阀的工作状态检测并获得反馈信号的检测机构，以及一个能把反馈信号开关量输入控制器的输入通道。

2、根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，开关阀是液动、气动或电动的。

3、根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，阀位控制信号是模拟或数字的。

4、根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，开关阀为电磁阀，状态检测机构为一电磁阀线圈电流检测元件。

5.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，状态检测机构为一阀位反馈元件或机构。

6.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，状态检测机构为一节流片前后压差反馈或流量反馈元件或机构。

7.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，控制器为一工控机或嵌入式系统。

8.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，阀位控制信号为标准的4-20mA电流或1-5V电压模拟信号。

9.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，阀位控制信号为数字信号，由外界通过RS485总线或RS232/422总线提供，或由外界通过以太网线提供。

10、一种用权利要求1的调节系统进行流量调节的方法，其特征在于：由控制器对阀位控制信号进行软件计算转换，把相应的阀的开关状态通过开关量输出(DO)通道送到一组n个开关阀，用各开关阀的所在支路上的节流元件控制，使各阀的流量系数C_v0:C_vl:...C_vi:...C_v(n-l)＝2⁰:2¹:...2ⁱ:...2^n-1，阀的运行状态通过状态检测机构检测得到反馈信号，开关量输入(DI)通道将反馈信号送到控制器，控制器根据给各阀的输出信号和它的反馈信号对比，对各阀进行故障诊断，自动计算控制调整阀输出，控制方法是：如果预期的阀组流量系数是C_ve，当前故障阀的实际流量系数根据故障时阀位置是开或关分别为C_vi或O，i＝0，1，...n-1，则用其它阀调节得到C_ve的最小上近似C_vu和最大下近似C_vl中的至少一个，然后用最大下近似C_vl或最小上近似C_vu来逼近预期输出，直接输出可以满足时间平均流量精度要求的近似值，或在输出下近似C_vl的基础上，再叠加一个占空比 $R=\frac{(C_{\mathrm{ve}}-C_{\mathrm{vl}})}{(C_{\mathrm{vu}}-C_{\mathrm{vl}})},$ 幅值为(C_vu-C_vl)的脉宽调制信号，在一个时间周期T₀内，让阀组C_v在C_vu和C_vl之间切换。

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