CN104006014A - 复杂电液系统闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种复杂电液系统闭环控制方法，包括以下步骤：采用闭环控制，通过反馈信号形成受控的PWM功率信号，控制液压系统的比例流量阀、比例溢流阀，形成受控的开关功率信号，控制电磁换向阀，完成机械设备的角度调整，采用机械设备的角度作为反馈信号，形成电磁换向阀的角度闭环控制，采用液压系统压力作为反馈信号，形成比例溢流阀的压力闭环控制，采用机械设备的角速度作为反馈信号，形成比例流量阀的角速度闭环控制。本发明采用系统压力闭环和角速度闭环,以及复合闭环的控制方式的复杂电液控制系统提高了电液控制系统对环境的适应性，提高了系统的可靠性。

Description

复杂电液系统闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种电控液压系统的控制方法，特别是涉及一种闭环控制方法。
背景技术
复杂电液控制系统通过电控单元控制液压系统的电磁阀、比例阀，进而控制油缸驱动大型机械设备运动。具体的如图1所示的角度闭环控制过程，电液控制系统通过电控单元01可以通过输出的被放大的PWM信号控制各种比例阀如比例流量阀11、比例溢流阀12，输出开关量信号控制电磁换向阀13等，实现对液压系统02中液压源或油缸的控制，进而对液压系统输出压力、流量的控制，通过电磁阀实现机械设备03中执行机构动作及方向的控制，通过传感器如角度传感器14，实现执行机构位置及状态的反馈，进而电控单元01通过上述阀体及传感器实现电液控制系统的闭环控制功能。
这种复杂电液控制系统的压力、流量通过比例阀控制，电控单元01通过PWM(脉宽调制)技术控制比例阀，这种控制方式本身没有电流反馈，控制成本低，但受温度影响大。因此，采用这种电控单元控制的压力、流量受环境温度影响很大；液压系统本身受环境温度影响也很大；空满载不同负载下动作时间也不同；不同温度下大型机械设备结构件热胀冷缩等导致负载也存在很大的变化。
对于上述的系统采用传统的简单的角度到位闭环控制已无法满足系统要求。因此，必须采用更好的控制方法实现对复杂电液控制系统的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂电液系统闭环控制方法，解决机械设备液压系统受单一的角度参数反馈闭环控制无法克服环境变化，造成机械设备角度控制精度差的技术问题。
本发明的复杂电液系统闭环控制方法，包括以下步骤：
采用闭环控制，通过反馈信号形成受控的PWM功率信号，控制液压系统的比例流量阀、比例溢流阀，形成受控的开关功率信号，控制电磁换向阀，完成机械设备的角度调整，其特征在于：采用机械设备的角度作为反馈信号，形成电磁换向阀的角度闭环控制，采用液压系统压力作为反馈信号，形成比例溢流阀的压力闭环控制，采用机械设备的角速度作为反馈信号，形成比例流量阀的角速度闭环控制。
所述压力闭环控制包括以下步骤：
s11、在电控单元中建立PWM控制信号与机械设备处于不同角度所需要的液压系统压力之间的标准对应关系数据；
s12、在进行角度闭环控制的同时，通过压力传感器21获得液压系统的实时系统压力，通过上位系统获得机械设备处于当前角度时对应的标准系统压力数据；
s13、通过第一比较器形成标准系统压力数据与液压系统实时压力的压力偏差数据，并作为第一PID控制器的输入数据；
s14、通过第一PID控制器输出相应PWM占空比的压力控制信号；
s15、通过第一功率放大器将压力控制信号放大，并作为比例溢流阀的输出压力控制信号；
s16、比例溢流阀输出相应的控制压力驱动机械设备的执行机构，产生支撑压力；
s17、重复s12至s16，直至电控单元发出停止信号。
所述角速度闭环控制包括以下步骤：
s21、在电控单元中建立PWM控制信号与机械设备处于不同角度区间所需要的角速度之间的标准对应关系数据；
s22、在进行角度闭环控制的同时，通过角度传感器获得机械设备的实际角度，通过角度运算器计算出一个时间间隔内的实时角速度数据，通过上位系统获得机械设备处于当前角度区间时对应的标准角速度数据；
s23、通过第二比较器32形成实时角速度与标准角速度间的角速度偏差数据，并作为第二PID控制器的输入数据；
s24、通过第二PID控制器输出相应PWM占空比的流量控制信号；
s25、通过第二功率放大器将流量控制信号放大，并作为比例流量阀的输出流量控制信号；
s26、比例流量阀输出相应的控制流量驱动机械设备的执行机构，推动机械设备运动；
s27、重复s22至s26，直至电控单元发出停止信号。
通过三种所述反馈信号形成复合闭环控制，通过角度参数控制电磁换向阀，通过系统压力参数控制比例溢流阀，通过角速度参数控制比例流量阀，主要步骤包括：
第一闭环控制过程：
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
s51、电控单元从上位系统获得与角度对应的PWM控制数据；
s52、开关量控制数据通过功率放大器功率放大后驱动电磁换向阀；
s53、液压系统的液压源和油缸动作；
s54、机械设备角度发生改变；
s55、角度传感器采集机械设备的实时角度；
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
第二同步闭环控制过程：
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
s61、第一比较器从电控单元获得与角度对应的标准系统压力数据，并与实时液压系统压力对比；
s62、第一PID控制器获得第一比较器输出的偏差数据，形成占空比控制信号，通过功率放大器功率放大；
s63、比例溢流阀受控制输出相应的控制压力；
s53、液压系统的液压源和油缸动作；
s64、压力传感器采集实时液压系统压力；
s61、第一比较器从上位系统获得与角度对应的标准系统压力数据，并与实时液压系统压力对比；
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
第三同步闭环控制过程：
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
s71、第二比较器从电控单元获得与机械设备角度区间对应的标准角速度数据，并与机械设备的实时角速度对比；
s72、第二PID控制器获得第二比较器32输出的偏差数据，形成占空比控制信号，通过功率放大器功率放大；
s73、比例流量阀受控制输出相应的控制流量；
s53、液压系统的液压源和油缸动作；
s54、机械设备角度发生改变；
s55、角度传感器采集机械设备的实时角度；
s74、角速度运算器形成单位时间内的的实时角速度；
s71、第二比较器32从上位系统获得与机械设备角度区间对应的标准角速度数据，并与机械设备的实时角速度对比；
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程。
本发明采用系统压力闭环和角速度闭环,以及复合闭环的控制方式的复杂电液控制系统提高了电液控制系统对环境的适应性，提高了系统的可靠性。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中复杂电液控制系统控制方法的控制过程示意图；
图2为本发明复杂电液系统闭环控制方法的一种压力闭环控制过程示意图；
图3为本发明复杂电液系统闭环控制方法的一种角速度闭环控制过程示意图；
图4为本发明复杂电液系统闭环控制方法的一种复合多闭环控制过程示意图；
图5为本发明复杂电液系统闭环控制方法的一种复合多闭环控制过程对应的部件及信号流向示意图。
具体实施方式
对于角度闭环控制，在电控单元01中会建立电控单元01输出的PWM开关量控制信号与机械设备03处于不同角度所需要的电磁阀开关状态的标准对应关系数据。各类型闭环控制过程也需要建立PWM控制信号与相应控制参数之间的标准对应关系数据。
如图2所示，本实施例中采用系统压力作为闭环控制参数，完成对比例溢流阀12的系统压力闭环控制过程，具体控制方法包括如下步骤：
s11、在电控单元01中建立PWM控制信号与机械设备03处于不同角度所需要的液压系统压力之间的标准对应关系数据；
s12、在进行角度闭环控制的同时，通过压力传感器21获得液压系统的实时系统压力，通过上位系统获得机械设备03处于当前角度时对应的标准系统压力数据；
s13、通过第一比较器22形成标准系统压力数据与液压系统实时压力的压力偏差数据，并作为第一PID控制器23的输入数据；
s14、通过第一PID控制器23输出相应PWM占空比的压力控制信号；
s15、通过第一功率放大器24将压力控制信号放大，并作为比例溢流阀12的输出压力控制信号；
s16、比例溢流阀12输出相应的控制压力驱动机械设备03的执行机构，产生支撑压力；
s17、重复s12至s16，直至电控单元01发出停止信号。
本实施例在原有的角度闭环控制基础上增加系统压力闭环反馈环节，采用PID控制方式，根据机械角度不同查找出期望的系统压力，通过PID控制器控制PWM的输出值，把实际的液压系统压力控制在期望系统压力附近，实现系统压力的精确控制，解决了比例溢流阀受温度影响导致系统压力控制不准确的问题。
为了防止比例阀进入死区或积分饱和影响响应速度，PID控制器设置PWM输出限值；
为了防止系统压力传感器故障导致系统无法工作的问题，第一比较器22设置系统压力传感器的合理值区间，当系统压力超出合理值范围，确认系统压力传感器故障，单独采用原有的角度闭环控制过程。
如图3所示，本实施例中采用执行机构变化的角速度作为闭环控制参数，完成对比例流量阀11的角速度闭环控制过程，具体控制方法包括如下步骤：
s21、在电控单元01中建立PWM控制信号与机械设备03处于不同角度区间所需要的角速度之间的标准对应关系数据；
s22、在进行角度闭环控制的同时，通过角度传感器14获得机械设备03的实际角度，通过角度运算器31计算出一个时间间隔内的实时角速度数据，通过上位系统获得机械设备03处于当前角度区间时对应的标准角速度数据；
s23、通过第二比较器32形成实时角速度与标准角速度间的角速度偏差数据，并作为第二PID控制器33的输入数据；
s24、通过第二PID控制器33输出相应PWM占空比的压力控制信号；
s25、通过第二功率放大器34将流量控制信号放大，并作为比例流量阀11的输出流量控制信号；
s26、比例流量阀11输出相应的控制流量驱动机械设备03的执行机构，推动机械设备运动；
s27、重复s22至s26，直至电控单元01发出停止信号。
本实施例在原有的角度闭环控制基础上增加系统角速度闭环反馈环节，采用PID控制方式，根据机械角度不同查找出期望的角速度值，通过PID控制器控制PWM的输出值，把实际角速度控制在期望角速度附近，实现角速度的精确控制。采用角速度闭环控制解决比例流量阀11受温度影响导致流量控制不准的问题，同时解决温度变化对油液粘稠度等液压系统的影响。根据大型机械结构的特性，根据机械角度实现规划每一个阶段的期望角速度值；
为了防止比例阀进入死区或积分饱和影响响应速度，PID控制器设置PWM输出限值；
如图4所示，本实施例中采用角度、角速度和液压系统压力三个控制量形成复合闭环控制，以角度参数控制电磁换向阀31，以系统压力参数控制比例溢流阀12，以角速度参数控制比例流量阀11，形成对液压系统压力的精确控制，主要控制步骤如下：
三个闭环控制同时进行，
s56→s51→s52→s53→s54→s55→s56→s51；
s56→s61→s62→s63→s53→s64→s61←s56；
s56→s71→s72→s73→s53→s54→s55→s74→s71←s56。
本实施例采用系统压力闭环和角速度闭环双闭环辅助的控制方法，解决大型机械系统的空、满负载变化对电液系统的影响。
当规定的时间内角速度闭环控制的实际角速度小于期望角速度规定范围值时，增大设定系统压力值；当角速度闭环控制的实际角速度大于期望角速度规定范围值时，减小设定系统压力值。
电控单元01通过CAN总线接口能够在线配置闭环控制周期、PID参数、比例阀上下限等值，提高系统使用灵活性。
如图5所示，在上述复合闭环控制过程中，功率放大器可以采用集成运放电路，角速度运算(计算)器采用单片机处理器，比较器32采用运算放大器或单片机。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种复杂电液系统闭环控制方法，包括以下步骤：
采用闭环控制，通过反馈信号形成受控的PWM功率信号，控制液压系统的比例流量阀(11)、比例溢流阀(12)，形成受控的开关功率信号，控制电磁换向阀(13)，完成机械设备的角度调整，其特征在于：采用机械设备的角度作为反馈信号，形成电磁换向阀(13)的角度闭环控制，采用液压系统压力作为反馈信号，形成比例溢流阀(12)的压力闭环控制，采用机械设备的角速度作为反馈信号，形成比例流量阀(11)的角速度闭环控制。
2.根据权利要求1所述的复杂电液系统闭环控制方法，其特征在于：所述压力闭环控制包括以下步骤：
s11、在电控单元(01)中建立PWM控制信号与机械设备(03)处于不同角度所需要的液压系统压力之间的标准对应关系数据；
s12、在进行角度闭环控制的同时，通过压力传感器21获得液压系统的实时系统压力，通过上位系统获得机械设备(03)处于当前角度时对应的标准系统压力数据；
s13、通过第一比较器(22)形成标准系统压力数据与液压系统实时压力的压力偏差数据，并作为第一PID控制器(23)的输入数据；
s14、通过第一PID控制器(23)输出相应PWM占空比的压力控制信号；
s15、通过第一功率放大器(24)将压力控制信号放大，并作为比例溢流阀(12)的输出压力控制信号；
s16、比例溢流阀(12)输出相应的控制压力驱动机械设备(03)的执行机构，产生支撑压力；
s17、重复s12至s16，直至电控单元(01)发出停止信号。
3.根据权利要求2所述的复杂电液系统闭环控制方法，其特征在于：所述角速度闭环控制包括以下步骤：
s21、在电控单元(01)中建立PWM控制信号与机械设备(03)处于不同角度区间所需要的角速度之间的标准对应关系数据；
s22、在进行角度闭环控制的同时，通过角度传感器(14)获得机械设备(03)的实际角度，通过角度运算器(31)计算出一个时间间隔内的实时角速度数据，通过上位系统获得机械设备(03)处于当前角度区间时对应的标准角速度数据；
s23、通过第二比较器32形成实时角速度与标准角速度间的角速度偏差数据，并作为第二PID控制器(33)的输入数据；
s24、通过第二PID控制器(33)输出相应PWM占空比的流量控制信号；
s25、通过第二功率放大器(34)将流量控制信号放大，并作为比例流量阀(11)的输出流量控制信号；
s26、比例流量阀(11)输出相应的控制流量驱动机械设备(03)的执行机构，推动机械设备运动；
s27、重复s22至s26，直至电控单元(01)发出停止信号。
4.根据权利要求1所述的复杂电液系统闭环控制方法，其特征在于：通过三种所述反馈信号形成复合闭环控制，通过角度参数控制电磁换向阀(31)，通过系统压力参数控制比例溢流阀(12)，通过角速度参数控制比例流量阀(11)，主要步骤包括：
第一闭环控制过程：
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
s51、电控单元(01)从上位系统获得与角度对应的PWM控制数据；
s52、开关量控制数据通过功率放大器功率放大后驱动电磁换向阀(13)；
s53、液压系统(02)的液压源和油缸动作；
s54、机械设备(03)角度发生改变；
s55、角度传感器(14)采集机械设备(03)的实时角度；
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
第二同步闭环控制过程：
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
s61、第一比较器(22)从电控单元(01)获得与角度对应的标准系统压力数据，并与实时液压系统压力对比；
s62、第一PID控制器(23)获得第一比较器(22)输出的偏差数据，形成占空比控制信号，通过功率放大器功率放大；
s63、比例溢流阀(12)受控制输出相应的控制压力；
s53、液压系统(02)的液压源和油缸动作；
s64、压力传感器(21)采集实时液压系统压力；
s61、第一比较器(22)从上位系统获得与角度对应的标准系统压力数据，并与实时液压系统压力对比；
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
第三同步闭环控制过程：
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程；
s71、第二比较器(32)从电控单元(01)获得与机械设备角度区间对应的标准角速度数据，并与机械设备(03)的实时角速度对比；
s72、第二PID控制器(33)获得第二比较器32输出的偏差数据，形成占空比控制信号，通过功率放大器功率放大；
s73、比例流量阀(11)受控制输出相应的控制流量；
s53、液压系统(02)的液压源和油缸动作；
s54、机械设备(03)角度发生改变；
s55、角度传感器(14)采集机械设备(03)的实时角度；
s74、角速度运算器(31)形成单位时间内的的实时角速度；
s71、第二比较器32从上位系统获得与机械设备角度区间对应的标准角速度数据，并与机械设备(03)的实时角速度对比；
s56、将获得的机械设备角度分别传送角度闭环控制、系统压力闭环控制和角速度闭环控制各过程。
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