CN104747524B - 基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于错时调制的开关阀实现气压细分控制系统及控制方法，其结构是在气压控制腔的壁面上安装充气阀和排气阀以及压力传感器，充气阀与高压气源连接，排气阀与大气环境相通，压力传感器的信号输出端与控制器的信号输入端相接，控制器的两个信号输出端分别连接充气阀和排气阀，优点：利用本系统实现气压细分控制，可从根本上克服气压控制精度受开关阀开启速度制约的问题，最大限度地利用了开关阀的开关能力，提高了压力调节速度和精度，解决了采用简单开关方式存在的压力脉动大、控制精度差的问题，也避免了普遍采用的PWM控制方式进行气压调节时存在的频繁充放气进而导致的浪费气源、降低阀的使用寿命、产生噪声等弊端。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制系统，属于气动伺服控制领域。
背景技术
气动伺服控制是以压缩空气为工作介质进行能量传递与控制的工程技术，是生产过程自动化的重要手段之一。目前，气动控制技术在汽车制造、电子制造、包装等自动生产领域得到广泛应用。在航空电子设备研制过程中，需要各种电气转换装置，实现动态气压控制，以模拟飞机飞行环境或发动机各个截面的压力大小，为飞行控制系统或航空发动机控制系统半物理仿真试验提供气压传感器的动态激励。
气动伺服控制系统的关键是气动控制阀。相对于气动伺服阀，高速电磁阀具有结构简单、加工容易、成本低廉的特点。目前，高速电磁阀在性能要求不高的气动伺服控制系统中得到了广泛应用，一般采取脉冲开关控制或脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）方式。基于高速开关阀进行伺服控制的优势在于：不易堵塞、维护方便、成本低廉。如何利用低成本的高速阀构成高性能的气动伺服系统，这一直是气动伺服控制领域努力的方向。
为了提高控制精度，必然就要求开关阀具有快速的开启速度，比如PWM脉冲调制会带来气压的脉动误差，为了抑制脉动，人们就试图提高PWM的频率。然而，由于电磁驱动延时以及阀芯机构因机械惯性导致的运动迟缓，阀的开启和关闭时间不能做到很快。杨云等在西安交通大学学报2002年第9期的“气动脉宽调制开关位置伺服系统驱动模式的研究”文章中提出一种同步差动驱动模式以克服稳态谐波压力脉动，王伟玮等在清华大学学报(自然科学版) 2011年第5期的“高速开关阀在高频PWM控制下的比例功能”文章中提出了通过高频PWM控制高速电磁阀使其呈现比例阀的特性。但是上述基于PWM的控制方法不能从根本上克服开关阀的最小开启时间间隔的制约问题，控制精度难以进一步提高。
发明内容
本发明对基于高速开关阀的伺服系统提出的是一种基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制系统，旨在解决基于高速阀的气动伺服系统的性能受阀的开启速度制约的问题。
本发明的技术解决方案：基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制系统，其结构包括气压控制腔（1）、充气阀（2）、排气阀（3）、压力传感器（4）以及控制器（5），在气压控制腔（1）的壁面上安装充气阀（2）和排气阀（3）以及压力传感器（4），充气阀（2）与高压气源连接，排气阀（3）与大气环境相通，压力传感器（4）的信号输出端与控制器（5）的信号输入端相接，控制器（5）的两个信号输出端分别连接充气阀（2）和排气阀（3）。
基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制方法，当控制器（5）通过压力传感器（4）检测气压控制腔（1）的压力，可根据目标压力的大小，通过开启充气阀（2）使气压控制腔（1）的压力升高，通过开启排气阀（3）使气压控制腔（1）的压力降低，当气压控制腔（1）的压力接近目标控制压力时，若低于目标压力，充气阀（2）的开启时间比排气阀（3）的开启时间多一个微小时间量（该微小时间量是指少于阀的最小可靠开启时间的一个时间量），如果高于目标压力，排气阀（3）的开启时间比充气阀（2）的开启时间多一个微小时间量，这个微小时间量就是充气阀（2）或排气阀（3）的错时调制量，该错时调制量比充气阀（2）和排气阀（3）的最小可靠开启时间小很多，从而实现气压控制腔（1）压力的细分控制。
错时调制细分控制的思想是由PWM思想的启发产生的，即基于“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其控制效果基本相同”的原理，但与PWM的不同之处在于，错时调制细分控制利用一对充气和放气阀各自产生一定当量的流量调节，利用它们的当量差产生细分控制作用。在高速开关阀的开启速度能力一定的情况下，通过优化组合高压侧和低压侧开关阀的开关时机，在最小允许开启间隔的基础上错开一个微小时间段，扩展开关阀的压力调制分辨率，从而巧妙地避开高速开关阀的开关速度提升的瓶颈问题，以较低的代价满足快速、高精度伺服控制需求。
本发明具有的明显优势是：本发明从根本上克服了气压控制精度受开关阀开启速度制约的问题，最大限度地利用了开关阀的开关能力，提高了压力调节速度和精度，解决了采用简单开关方式存在的压力脉动大、控制精度差的问题，也避免了普遍采用的PWM控制方式进行气压调节时存在的频繁充放气进而导致的浪费气源、降低阀的使用寿命、产生噪声等弊端。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1是错时调制的开关阀气压细分控制系统结构示意图；
图2是充气阀（2）和放气阀（3）的气压变化速率与气压控制腔（1）内压力的关系图。
具体实施方式
如图1 所示，基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制系统，其结构包括气压控制腔（1）、充气阀（2）、排气阀（3）、压力传感器（4）以及控制器（5），在气压控制腔（1）的壁面上安装充气阀（2）和排气阀（3）以及压力传感器（4），充气阀（2）与高压气源连接，排气阀（3）与大气环境相通，压力传感器（4）的信号输出端与控制器（5）的信号输入端相接，控制器（5）的两个信号输出端分别连接充气阀（2）和排气阀（3）。
所述压力传感器（4）是带压力信号调理输出4~20mA信号的标准外购件。
所述控制器（5）是一种具有精确定时控制和模拟电压采集能力的嵌入式控制器，比如ARM微控制器TM4C123GH6PM。
基于错时调制的开关阀实现气压细分的控制方法，当控制器（5）通过压力传感器（4）检测气压控制腔（1）的压力，可根据目标压力的大小，通过开启充气阀（2）使气压控制腔（1）的压力升高，通过开启排气阀（3）使气压控制腔（1）的压力降低，当气压控制腔（1）的压力接近目标控制压力时，若低于目标压力，充气阀（2）的开启时间比排气阀（3）的开启时间多一个微小时间量（该微小时间量是指少于阀的最小可靠开启时间的一个时间量，比如取阀的最小可靠开启时间的十分之一，具体多少需要计算），如果高于目标压力，排气阀（3）的开启时间比充气阀（2）的开启时间多一个微小时间量，这个微小时间量就是充气阀（2）或排气阀（3）的错时调制量，该错时调制量比充气阀（2）和排气阀（3）的最小可靠开启时间小很多，从而实现气压控制腔（1）压力的细分控制。
实施时，控制器（5）通过压力传感器（4）检测气压控制腔（1）的压力，根据目标压力大小，通过开启充气阀（2）使气压控制腔（1）的压力升高，通过开启排气阀（3）使气压控制腔（1）的压力降低，当气压控制腔（1）的压力接近目标控制压力时，若低于目标压力，充气阀（2）的开启时间比排气阀（3）的开启时间多一个微小时间量，如果高于目标压力，排气阀（3）的开启时间比充气阀（2）的开启时间多一个微小时间量，这个微小时间量就是充气阀（2）或排气阀（3）的错时调制量，它比充气阀（2）和排气阀（3）的最小可靠开启时间可以小很多，从而实现气压控制腔（1）压力的细分控制。
当气压控制腔（1）的压力接近目标控制压力时，充气阀（2）或排气阀（3）的错时调制的微小时间量是根据充气阀（2）和排气阀（3）的特性、气压控制腔（1）的压力和高压气源压力共同决定的，在高压气源压力一定的情况下，通过试验的方法可以获得不同气压控制腔（1）的压力，充气阀（2）单独开启时控制腔（1）压力的增加速率以及排气阀（3）单独开启时控制腔（1）压力的下降速率，利用当前控制腔（1）压力与目标压力之差除以当前控制腔（1）压力下的气压增加速率或下降速率，即可得到错时调制的微小时间量。
错时调制的微小时间量的施加可以采取两种方式，一种方式是使充气阀（2）和排气阀（3）同时开启，而在充气阀（2）或排气阀（3）最小可靠开启时间之后延迟微小时间量关闭，另一种方式是提前微小时间量开启充气阀（2）或排气阀（3），在经过最小可靠开启时间之后同时关闭充气阀（2）和排气阀（3）。
当高速开关阀的驱动电路、电磁线圈结构和运动阀芯结构确定时，其最小可靠开启和关闭的时间脉冲宽度是确定的，这里假设允许的最小开启脉冲宽度为t Hmin ，最小关闭脉冲宽度为t Lmin 。气压控制腔（1）的压力接近目标控制压力时，若控制误差为正，即气压偏低时，则充气阀（2）的开启持续时间取值比放气阀（3）的最小有效开启持续时间t Hmin 大Δt；相反，若控制误差为负，即气压偏高时，则放气阀（3）的开启持续时间取值比充气阀（2）的最小有效开启持续时间t Hmin 大Δt。需要说明的是，在启动下一个控制循环前要保证两个阀的关断时间大于t Lmin ，而Δt的大小取决于控制误差的大小。错时调制细分控制策略如表1所示。
表1 错时调制细分控制策略
注：ΔP=Pr-Pt，Pr为设定压力，Pt为实测压力，ΔPc为最小有效开启持续时间t H 对应的充气压力变化量，ΔPe为最小有效开启持续时间t H 对应的放气压力变化量。取值为“1”表示持续打开，取值为“0”表示持续关闭。
为了确定Δt，需要掌握充气阀（2）和放气阀（3）的流量特性，图2所示为充气阀（2）和放气阀（3）的流量系数与压力腔内压力关系图。
由图2可见，在高压气源和低压环境压力一定的情况下，充气阀（2）气压变化速率Kvc和放气阀（3）的气压变化速率Kve会随腔室的压力P发生改变，并呈现不对称的非线性特性。于是根据当前误差压力ΔP计算所需的流量调整量Δq，然后根据当前腔室的压力计算时间差Δt。式（a）、（b）分别是压力偏低和压力偏高时Δt的计算公式：
Δt=[ΔP-(Kvc-Kve)*t H ]/Kvc,ΔP>0 (a)
Δt=[-ΔP-(Kve-Kvc)*t H ]/Kve,ΔP<0 (b)
现代嵌入式系统的定时控制分辨率很容易达到微秒级，Δt的控制精度有保证。基于表1所示控制策略，相对于开关控制方式，一方面允许采用大流量的开关阀进行快速调节，另一方面可以轻松地将稳态压力控制精度提高10倍。
Claims (1)
1.基于错时调制的开关阀实现气压细分控制的系统，其特征是包括气压控制腔（1）、充气阀（2）、排气阀（3）、压力传感器（4）以及控制器（5），在气压控制腔（1）的壁面上安装充气阀（2）和排气阀（3）以及压力传感器（4），充气阀（2）与高压气源连接，排气阀（3）与大气环境相通，压力传感器（4）的信号输出端与控制器（5）的信号输入端相接，控制器（5）的两个信号输出端分别连接充气阀（2）和排气阀（3）；
当控制器（5）通过压力传感器（4）检测气压控制腔（1）的压力，可根据目标压力的大小，通过开启充气阀（2）使气压控制腔（1）的压力升高，通过开启排气阀（3）使气压控制腔（1）的压力降低，当气压控制腔（1）的压力接近目标控制压力时，若低于目标压力，充气阀（2）的开启时间比排气阀（3）的开启时间多一个微小时间量，若高于目标压力，排气阀（3）的开启时间比充气阀（2）的开启时间多一个微小时间量，这个微小时间量就是充气阀（2）或排气阀（3）的错时调制量，该错时调制量比充气阀（2）和排气阀（3）的最小可靠开启时间小很多，从而实现气压控制腔（1）压力的细分控制；
充气阀（2）或排气阀（3）的错时调制的微小时间量是根据充气阀（2）和排气阀（3）的特性、气压控制腔（1）的压力和高压气源压力共同决定的，在高压气源压力不变的情况下，通过试验的方法获得不同气压控制腔（1）的压力下，充气阀（2）单独开启时控制腔（1）压力的增加速率以及排气阀（3）单独开启时控制腔（1）压力的下降速率，利用当前控制腔（1）压力与目标压力之差除以当前控制腔（1）压力下的气压增加速率或下降速率，即可得到错时调制的微小时间量；
所述错时调制的微小时间量的施加，使充气阀（2）和排气阀（3）同时开启，而在充气阀（2）或排气阀（3）最小可靠开启时间之后延迟微小时间量关闭，或提前微小时间量开启充气阀（2）或排气阀（3），在经过最小可靠开启时间之后同时关闭充气阀（2）和排气阀（3）。
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