CN102027185B

CN102027185B - 用于确定阀门的死区的方法

Info

Publication number: CN102027185B
Application number: CN2009801173683A
Authority: CN
Inventors: 尤西·普拉; 马库斯·塞雷莱
Original assignee: Sandvik Tamrock Oy
Current assignee: Sandvik Mining and Construction Oy
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: FI20085445A0; FI20085445A; JP5319759B2; AU2009247995B2; EP2310611A4; FI120918B; JP2011522174A; CA2723610C; CA2723610A1; EP2310611A1; AU2009247995A1; WO2009138558A1; CN102027185A

Abstract

本发明涉及一种用于确定比例控制阀(8)的死区的方法，该比例控制阀用于控制钻岩设备的致动器，该方法包括用电子P控制器(12)来控制所述控制阀(8)，并且用单独的位置检测器在坐标系中测量所述致动器的表示其移动的位置。通过所述控制阀(8)的P控制器与差值的乘积来确定所述死区。

Description

用于确定阀门的死区的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定比例控制阀的死区的方法，该比例控制阀用于控制钻岩设备的致动器，上述方法包括用电子P控制器来控制控制阀，并且用单独的位置检测器在坐标系中测量致动器的表示其移动的位置。

背景技术

在液压钻岩设备中，通过利用比例方向控制阀来控制作为钻臂的进给梁缸筒的致动器。实际上，这涉及到在双向上控制致动器，借此，当阀门处于中间位置，即处于0位置时，致动器不移动，而当阀芯在任一方向上位移时，致动器相对于阀芯的偏移以成比例速度移动，从而使得，阀芯偏离0位置越多，致动器运行就越快。

但注意在目前的控制系统中，当阀门运行时，在0点的两侧上都会形成通常被称作死区的区域，在死区上，无论控制信号如何，都没有加压流体流向致动器。

如果已知阀门的死区，则能通过处理死区并形成电控制信号，例如在从0位置开始时死区的大小的初始偏移值来纠正控制，以使得控制信号的初始值与所需的误差相等。

但这实际上并不可行，其原因是死区根据阀门而变化。此外，死区在阀门的不同运行方向上可能是不同的。不同的阀门还可具有不同大小的死区，因此，不存在纠正此问题的一个单一值。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，利用该方法，能比先前更精确地控制钻岩设备的液压致动器的操作。

根据本发明的方法的特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)将用于控制控制阀(8)的P控制器的控制器增益的最初值设定为0，或者设定为使得致动器不因为控制器增益的效应而移动的值，并且为致动器设定与其当前值不同的目标值，由此，致动器的当前值与目标值之间的差确定了第一差值；

(b)将用于控制控制阀的P控制器的预定步的大小的值增量加到控制器增益的值上；

(c)等待预定时间，以确立致动器的位置检测器给出的位置值是否表示致动器已经开始移动；

(d)如果根据位置检测器的位置值确定了致动器已经开始移动，则跳转至步骤(f)；

(e)重复步骤(b)至(c)，直到根据步骤(d)是时候跳转至步骤(f)；

(f)一直等到根据致动器的位置检测器，致动器的移动停止，并确定作为目标位置与停止时刻位置之间的差值的第二差值；

(g)根据步骤(h)和/或步骤(i)确定至少一个偏移值，并将其存储在存储器中，以用于控制控制阀时补偿控制阀的死区；

(h)作为根据步骤(d)的P控制器增益以及根据步骤(a)的第一差值的乘积来确定第一偏移值；

(i)作为根据步骤(d)的P控制器增益以及根据步骤(f)的第二差值的乘积来确定第二偏移值。

本发明的基本思想是，为每个控制阀确定与在控制阀阀芯的移动范围中间的死区相对应的至少一个控制偏移值，并在每次控制阀门时处理阀门运动方向上的死区。本发明的一个实施例包括为每个控制阀确定两个运动方向上的与死区相对应的至少一个控制偏移值，并用对应的偏移值在两个运动方向上控制阀门，以补偿阀门的死区。

本发明的优点在于，如果需要的话，在控制系统中用简单的方法就能确定每个阀门的性质，以及在阀门两个运动方向上的阀门特定的死区的性质，因此，在控制致动器时，无论误差是纯粹由于阀门性质而产生的还是由于阀门性质与控制电子设备共同导致的，都能实质上消除阀门的死区。

附图说明

现将结合附图更详细地描述本发明，其中，

图1示意性地示出了钻岩设备的致动器；

图2示意性地示出了比例方向控制阀的示例性特征曲线以及该控制器所需的控制信号值；

图3示意性地示出了适用于阀门和致动器的控制的解决方案的框图；

图4示意性地示出了用于应用根据本发明的方法的流程图。

为简明起见，附图中简要示出本发明的实施例。用相同的附图标记表示相似部件。

具体实施方式

图1示意性地示出了钻岩设备中的致动器。附图标记1示意性地表示基座，钻臂3通过接头2而可转动地连接到基座。钻臂3可利用致动器(即液压缸4)绕接头2的轴线转动，液压缸的一端利用接头5连接至基座1，而另一端对应地利用接头6而可转动地连接至钻臂3。为控制液压缸4，可通过比例控制阀8将来自泵7的压力介质供入该液压缸，从而，加压流体同样通过阀门8从液压缸4的另一端流入加压流体容器9。为控制液压缸4，用控制单元10来控制比例控制阀，表示钻臂的旋转角度的传感器11也连接至该控制单元。另外，附图示出了位于钻臂3端部的进给梁12，当正在岩石15中钻孔时，沿进给梁连接至钻臂的钻机13和钻杆14移动。用于使得进给梁相对于钻臂转动的各种旋转缸或旋转马达，以及用于使得钻机移动的进给装置和其他致动器通常为已知的，且由于它们实质上不涉及本发明，因此不必在附图中示出，或者不必进行更详细的描述。

图2示意性地示出了阀门的典型特征曲线，其中，直线A表示阀门的理论特征曲线，即：到达阀门的控制信号与经过阀门的加压流体的流之间的关系。相应地，直线B1和B2示出了阀门操作的实时控制信号以及经过阀门的加压流体的体积流。

从附图可看出，控制信号与经过阀门的体积流之间的关系是：控制信号为0时，体积流也为0，且根据控制信号的值，经过阀门的体积流在一个方向上或另一方向上从零开始呈线性变化。

实际上，由于阀门的性质或者由于阀门性质和控制电子设备的组合效应的原因，在阀门的操作过程中存在死区，这个死区为图2中的+-20个单位。因此，在一个方向或另一方向上经过阀门的体积流直到控制信号的值为20个单位才开始，且只有在上述值以上，加压流体的体积流才与经过阀门的控制信号值相匹配。

如果此状态为所有控制阀的理想状态，则能通过在控制单元中在阀门的控制信号中设定死区所需的偏移量而容易纠正此状态。实际上，由于每个阀门的死区和每个阀芯运动方向的死区都是单独的，因此，这并不可行。

图3示意性地示出了适用于控制阀门驱动装置的方法的框图。该图示出了控制器16，该控制器为控制单元的一部分，或者可通过计算机编程而形成，或者该控制器的一部分位于控制单元内。控制器16被连接用以利用控制信号来控制控制阀8和致动器形成的机构17，该控制信号与致动器的测量位置和期望位置之间的差值成比例，且此处总体上称作控制。将控制器16称作P控制器，亦即，其控制阀门，并通过它控制致动器使之与到达该控制器的控制信号直接成比例。此外，图中示意性地示出了加法单元18，控制器16给出的偏移值和控制信号被送到加法单元以控制阀门。据此，在加法单元18中产生用于控制阀的最终控制。

通过首先对控制器进行的增益值0的设定或者进行控制阀不开始使加压流体流入致动器的值的设定来执行阀门校准和致动器操作。此时，偏移值自然为0。此后，为将要进行控制的致动器设定目标值，亦即，与当前位置不同的位置值，从而，例如在校准1°的旋转角度或1m的线性移动的过程中，致动器的当前位置与期望位置之间的差值将为给定值。当然，与角度或者线性移动有关的其他数值也是可行的。只要增益值和差值的乘积所提供的控制不产生致动器移动，P控制器增益的增益值就也可以是除0以外的值。实际上，能以任意次序甚至同时地设定用于确定差值的增益值和目标值。由此，在权利要求1的步骤(a)中，所意图的不是以所述的特定次序来确定值，而是设定次序可以是任意上述次序。

当P控制器增益为0时，阀门控制为0。这是由于该阀门控制在每一时刻都为控制器增益与致动器差值的乘积。当控制器增益足够低时，致动器由于增益和差值的乘积不超过阀门所需要的控制增益而不会移动。

接着，P控制器增益的值增大，例如可将值1设定为增益，由此获得P控制器增益x差值(例如1)作为阀门控制的值。

此时，必须等一段时间，例如0.5秒钟，或根据设备等待更长时间，以根据来自位置检测传感器的信号查看提供给控制阀的控制是否产生表示致动器的位置开始朝目标位置移动的致动器移动。如果未检测到这一移动，则P控制器增益以预定增量(即：步，一次一步地)增大，并且在每次增大之后，存在等待期，从而在P控制器增益能进一步增大之前检测可能的致动器移动。在致动器中检测到移动时，第一偏移值等同于所述控制器增益与致动器的初始位置和目标位置的上述差值的乘积。

如果早在设定第一增益值之后就在致动器中检测到偏移，则控制阀中不存在死区，且产生自阀门控制的加压流体的体积流即使是在最小的控制情况下也可以足够大，从而实现优良的控制结果。

另一方面，当致动器已经开始移动时，将根据已产生移动并已对P控制器设定的增益值与差值的乘积的第一偏移值保存在存储器中，且该第一偏移值稍后可用于控制阀门，并且因此控制致动器。

当致动器已经开始作为打开的控制阀的结果运行时，阀门控制开始由于其值为P控制器增益和剩余的差值的乘积而减小。这里的差值为目标位置和每个特定瞬时位置之间的距离。当致动器继续移动时，阀门控制的值减小，且在某一点，由于控制阀控制的值随差值的减小而减小到使得控制阀停止让加压流体进入致动器并使得控制阀关闭的程度，致动器因此停止移动。当然，致动器的移动可由于致动器到达目标位置而停止，差值因此而为0。通过将对P控制器设定的增益与作为移动结束时的偏移量的致动器的差值相乘来获得在发生关闭时的控制阀的第二偏移值，并将此第二偏移值存储在存储器中。P控制器与致动器移动停止时获得的差值的乘积为与控制阀控制有关的第二偏移值，且它表示在阀门操作过程中阀门的中间区域的死区。实际上，这样得出了阀门控制的第一偏移值和阀门控制的第二偏移值，第一偏移值表示起动阀门控制所需的偏移量，而第二偏移值表示阀门控制结束时剩余的偏移量。这两个值彼此不同，且之后在阀门得以控制时，两个值、仅一个值或者它们之间的某个值可用于补偿死区。同样，由于这些值通常在阀芯运动的不同运动方向上不同，因此，只使用两个运动方向上的一个偏移值或者使用每个方向上的单独偏移值都是可能的。在要求高度精确的实施例中，当然可以在两个运动方向上使用所获得的两个偏移值。

图4示意性地示出了控制阀的死区的确定，该图以流程图示出了在确定第一偏移值和第二偏移值时确定偏移值，即死区的示例。

在图4中，流程图的第一步骤21中已将P控制器的增益Kp、即控制值设定为0，由于此，控制阀未获得控制，且致动器因此也不能移动。

随后，步骤22包括将位置值1设定为与致动器的当前位置以及期望的运动方向有关的参考值Ref。该值1例如可以是1°的旋转角度、1m的线性移动或者例如表示为数字1的其他适当值。

接着，步骤23中，将加上一的当前增益值Kp(即，Kp＝Kp+1)设定为P控制器的增益。相应地，这里的一是指一个预定大小的步，它例如可用数字1来表示。

这个完成后，由于所述增益值的缘故，步骤24中必须等待，以确定该值是否造成致动器的移动。如果存在任意移动，就根据位置检测器给出的位置值检测此移动。

步骤25中，根据位置检测器给出的并表示致动器是否已经开始移动的位置值，确定如何进行下一步骤。如果没有检测到移动，则返回步骤23，并将P控制器的增益Kp加上又一个预定步的增益。重复步骤23至25，直到步骤25中发现致动器已经开始移动。然后，根据步骤26，将P控制器增益值与步骤22中设定的差值Ref的乘积形成的当前控制值(即第一偏移值，偏移量1)存储在存储器中用于稍后控制致动器的控制阀。

当已经检测到致动器移动时，在步骤27等待，而不对控制阀的控制作任何改变。

在下一步骤28中，用致动器的位置检测器检验致动器是否还在移动，即，由位置检测器给出的位置值是否改变。只要该值继续改变，则返回步骤27，并在预定时间周期内再次跳转至步骤28，以检验致动器是否在移动。

一旦在步骤28中检验到致动器的位置检测器的位置值不再改变，则跳转至步骤29，其中，确定对致动器设定的目标位置与停止时刻的位置之间的差值，即上述的差值。由此，通过将差值的值与P控制器的增益值相乘来获得控制阀的第二偏移值(偏移量2)，换言之是阀门的中间区域从0位置朝测量的运动方向的死区的大小。无论使用的是模拟控制系统还是数字控制系统，并且在使用人工控制时，如操纵杆控制时，都可将第二偏移值存储在存储器中，并可通过将获得的偏移值与阀门的控制值相加，在根据图3的示意性描述中使用第二偏移值。

可在计算机控制的设备中自动执行以上方法，在这种情况下，任何人都可进行控制，而不需要控制专业人员。在具有多个不同致动器的钻岩设备中，可对所有控制阀以及由这些控制阀控制的致动器执行这种校准，在这种情况下，对于每个控制阀和致动器均可获得单独的偏移值。还可在两个运动方向上执行控制，在此情况下，可存储不同运动方向上的不同偏移值以用于每个阀门和每个致动器。在某些情况下，通过从初始移差值和最终偏移值之间选择偏移值，并利用这个值用于纠正控制来获得足够的控制精度。如果需要，则在两个运动方向上都可使用相同的值。

仅在说明书和附图中对本发明进行了说明，且本发明无论如何都不应局限于本文所述内容。关键的是：在比例控制阀的操作中，以权利要求所述的方式确定阀门不实际控制致动器所处的死区，而且将由此获得的误差值用于在设备的使用和阀门的控制期间补偿阀门的死区。一旦被存储在存储器中，则偏移值或值就可用于控制致动器，而不管实时控制过程中所使用的控制方式或控制器的模式如何。因此，这些值可与P、D和/或I控制器以及用模拟和数字控制信号来控制阀门的控制系统一同使用。同样，当人工控制器用于控制时，控制系统可以以期望的方式处理偏移值。

在某些情况下，无论其他特征如何，可这样应用本申请的特征。另一方面，可组合本申请介绍的特征以形成不同组合。

附图和相关的描述内容只是为了阐述本发明的构想。可在权利要求的范围内对本发明的细节作出更改。

Claims

1.一种用于确定比例控制阀(8)的死区的方法，所述比例控制阀用于控制钻岩设备的致动器，所述方法包括用电子P控制器来控制所述控制阀，并且用单独的位置检测器在坐标系中测量所述致动器的表示其移动的位置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(a)将用于控制所述控制阀(8)的所述P控制器的控制器增益的最初值设定为0，或者设定为使得所述致动器不因为所述控制器增益的效应而移动的值，并且为所述致动器设定与其当前值不同的目标值，由此，所述致动器的当前值与所述目标值之间的差确定了第一差值；

(b)将用于控制所述控制阀(8)的所述P控制器的预定步的大小的值增量加到所述控制器增益的值上；

(c)等待预定时间，以确立由所述致动器的位置检测器给出的位置值是否表示所述致动器已经开始移动；

(d)如果根据所述位置检测器的位置值确定了所述致动器已经开始移动，则跳转至步骤(f)；

(e)重复步骤(b)至步骤(c)，直到根据步骤(d)是时候跳转至步骤(f)；

(f)一直等到根据所述致动器的位置检测器，所述致动器的移动已经停止，并确定作为目标位置与停止时刻位置之间的差值的第二差值；

(g)根据步骤(h)和/或步骤(i)确定至少一个偏移值，并将其存储在存储器中，以用于在控制所述控制阀(8)时补偿所述控制阀(8)的死区；

(h)作为根据步骤(d)的所述P控制器增益以及根据步骤(a)的所述第一差值的乘积来确定第一偏移值；

(i)作为根据步骤(d)的所述P控制器增益以及根据步骤(f)的所述第二差值的乘积来确定第二偏移值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述控制阀(8)的在至少一个运动方向上的所述第一偏移值和所述第二偏移值，并将它们存储在存储器中，以用于在控制所述控制阀(8)时补偿所述死区。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述控制阀(8)的在两个运动方向上的所述偏移值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述控制阀(8)的在两个运动方向上的所述偏移值。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，用两个运动方向上的偏移值来补偿所述控制阀(8)仅仅在测量运动的那个运动方向上的死区。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在所述控制阀(8)的运动方向中的至少一个运动方向上对所述控制阀(8)进行控制时，由所述偏移值形成这些偏移值之间的值，用于补偿所述控制阀(8)在相应方向上的死区。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述控制阀(8)的运动方向中的所述至少一个运动方向上对所述控制阀(8)进行控制时，由所述偏移值形成与这些偏移值的平均值相一致的值，用于补偿所述控制阀(8)在相应方向上的死区。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述控制阀(8)的运动方向中的两个运动方向上对所述控制阀(8)进行控制时，将所述偏移值之间形成的这个值用于补偿所述控制阀(8)在相应方向上的死区。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，利用所述第一偏移值来补偿所述控制阀(8)的死区。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用所述第一偏移值来补偿所述控制阀(8)的死区。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，利用所述第二偏移值来补偿所述控制阀(8)的死区。

12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用所述第二偏移值来补偿所述控制阀(8)的死区。