CN105114384B - 一种比例阀的自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种比例阀的自适应控制系统，包括控制器；控制器输入端接入比例阀的反馈端口、同时接收对比例阀的控制信号；控制器结合输入的控制信号和比例阀的反馈信号进行信号处理和输出判断，输出PWM信号；所述PWM信号作为比例阀的输入信号作用在比例阀上，经过比例阀内部的电子放大器到电气‑机械转换器形成压力流量位移，再通过比例阀内的电气检测反馈机构形成反馈信号输入到控制器；控制器实时监控调整其输出的PWM信号，使之达到预定的合理平稳的控制效果，作用于液压执行元件；同时还包括一种控制方法；本系统和方法能使比例阀的流量输出始终处于一个稳定状态，不受其他因素的影响，从而保证比例阀所控制动作平稳、精确。

Description

一种比例阀的自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种比例阀，具体是一种比例阀自适应控制系统及控制方法。

背景技术

液压阀的种类繁多，有普通液压阀和特殊液压阀之分，在特殊液压阀中又包括电液伺服阀和电液比例阀等分类。其中，电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀，此类液压阀可根据输入的电气控制信号（模拟量）大小成正比、连续、远距离地控制液压系统中液体的流动方向、压力和流量。

由于此类比例阀的控制的阀开口与电气控制信号的大小成正比，故如何合理地控制电气信号的输出大小与阀开口的对应关系显得尤其重要；只有合理的控制电气信号的大小才能很好的控制此类阀的开口，进而达到阀控制动作的平稳、精准的要求。

电液比例阀的信号流程如图1所示：给出控制信号作用于电液比例阀（一般为电压值），通过阀自身的电子比例放大器转化成相应的电流信号，这个电流信号作为比例阀的输入量被送到比例电磁铁，比例电磁铁将电流转换为作用于阀芯上的力，以克服弹簧的弹力；电流增大相应的输出力增大，阀芯位移增大及阀开口增大，相应的电流减小阀芯位移减小、阀开口减小。

在电压信号转变为电流信号的过程中容易受到诸多因素的影响，比如：系统电压的变化（系统馈电导致的电压值变小或者是系统得以充电时电压值变大等因素）对应的相同百分比的电压值就会发生变化，阀开口即会发生变化；系统的液压油温的变化，相同的电压值在系统油温发生变化时对应转化出来的作用阀电磁铁的电流值也会发生变化。

当比例阀中所带的机械液压电气检测反馈机构能加以利用则就可以很好的找到输入阀的电压值与阀芯开口大小的直接对应关系。因此有些阀中带有反馈调节系统，可以使得一个电压值对应一定量的阀开口；这种自带反馈调节系统的阀就可以有效的避免因液压系统自身油温等因素造成的阀开口位移的变化，但此类阀相应的造价较高、同时也不能避免由系统电压值变动所引起的阀开口的位移的变化。

对于高空作业平台，目前常采用传统的控制方式来控制普通的比例阀；由于高空作业平台的应用比较频繁，在周围环境温度较高的情况下高空作业平台在连续工作一段时间后就会出现臂架动作缓慢，臂架变幅和臂架伸缩所用的时间明显变长，尤其是转台的回转动作，由于本身转台回转所需要的比例阀流量就偏小与臂架动作，再持续工作一段时间，高空作业平台的转台回转基本不能工作。

现有的比例阀的控制系统多为开环液压控制系统，开环控制的比例阀如图1所示的控制流程，这种控制方式简单、直接。

一般对于控制要求比较高的机械上则采用自身带有电反馈的比例阀，这种阀比一般的比例阀要控制精确，但相应的价格也会比一般的比例阀高；其工作流程图如图二图2：工作时，给定设定值电压作用于比例放大器，比例放大器输出相应的控制电流，产生相应的电磁力阀芯位移发生变化；同时电感式位移传感器检测到阀芯的实际位置并将此位置反馈给比例放大器，利用反馈电影与设定电压比较的误差信号去控制阀芯的位置，即在阀内形成一个闭环控制。

对于如图1所述的控制方式，其在运用中具有以下缺陷：

1）液压系统在连续工作一段时间后，油温会增高，相应的阀头的电阻会放生变化，从而使同等控制电压信号下对应的阀开口却不相同；

2）对于阀开口只是一个定性的控制，却无法达到一个定量的控制，即无法做到输入信号与阀开口的对应关系；

3）控制系统中所提供的控制电压产生的影响：控制系统中输出的控制信号一般是按照系统电压的百分比进行输出到阀头控制的，当整套系统的电源发生变化：比如电瓶馈电时系统电压降低，电瓶充电时系统电压会增加；当系统电压发生变化后输出到比例阀的电压同样会发生变化。

对于如图2所示的自身带反馈的比例控制阀虽然能实现输入信号与阀响应成对应关系，也可以抵消有自身液压系统油温变化所产生的影响，但其相对应的成本较高，明显高于普通的比例阀；另一方面自身带有反馈的比例阀同样无法抵消系统电压变化所产生的影响。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种比例阀的自适用控制系统和控制方法，该系统和方法能使比例阀的流量输出始终处于一个稳定状态，不受其他因素的影响，从而保证比例阀所控制动作平稳、精确。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种比例阀的自适应控制系统，它包括：

控制器；

所述控制器输入端接入比例阀的反馈端口、同时接收对比例阀的控制信号，所述控制信号输入控制器并由控制器读取判断；

控制器结合输入的控制信号和比例阀的反馈信号进行信号处理和输出判断，输出PWM信号；

所述PWM信号作为比例阀的输入信号作用在比例阀上，经过比例阀内部的电子放大器到电气-机械转换器形成压力流量位移，再通过比例阀内的电气检测反馈机构形成反馈信号输入到控制器；

控制器实时监控调整其输出的PWM信号，使之达到预定的合理平稳的控制效果，作用于液压执行元件，从而形成比例阀的自适应控制。

所述的控制器的接入端口为能读取电流的端口。

所述的控制器接收对比例阀的控制信号为开关量或者是模拟量。

一种比例阀的自适应控制方法，包括：

控制器，所述控制器中包括处理反馈电流的电流反馈模块；

所述的电流反馈模块将比例阀的阀设定电阻值R_设、阀设定电流值I_设、电流允许偏差量I_差、供电电压U_供和阀反馈的实际电流值I_实进行信号对比处理，得出比例阀实际需要的PWM信号；

所述的信号对比处理方法如下：

首先将比例阀上反馈电流接入控制器电流输入端口，则该控制器电流输入端口读入的电流即为比例阀的实际电流值I_实，同时根据比例阀的特性确定阀设定电阻值R_设，该阀设定电阻值R_设为阀的额定电阻值；

比例阀的控制信号为可变的模拟量信号，将该模拟量信号读入控制器，控制器根据输入模拟量信号的大小和比例阀的阀设定电阻值R_设确定通过比例阀的电流值，设定该电流值为阀设定电流值I_设；

同时设定一个系统允许的电流允许偏差量I_差，所述电流允许偏差量I_差的值是实际电流值I_实增减这一偏差量后比例阀的开口大小不发生变化，同时反映出来的比例阀的流量也相应的变化不大；

根据阀设定电阻值R_设、阀设定电流值I_设、电流允许偏差量I_差、供电电压U_供和阀反馈的实际电流值I_实进行如下步骤：如图5所示：

a、首先判断是否断路，即阀控制反馈输入的实际电流值I_实为有效数字，如果I_实为0时，表明线路没有形成电流回路，即出现断路故障；

b、计算设定的电压值U_设，且U_设=I_设*R_设；

c、判断和比较I_设与I_实的关系，当I_实>I_设+I_差或者I_实<I_设-I_差，则中间变量R=U_设/I_实，否则R=R_设；

d、判断中间变量R值的范围0.9*R_设<R>1.2*R_设，如果在此范围内，阀线圈的实际电阻R_实=R，否则R_实=R_设；此处得到的R_实视为阀线圈的实际电阻值；

e、经过以上四步获得了R_实的值，电压中间变量U=I_设*R_实即为需要达到设定电流值I_设时所需的电压值为U；

f、系统供电电压U_供根据供电系统的供电电压的变化而发生变化；

系统馈电之后U_供<U_额，U_额为比例阀系统的额定电压；最终输出的电压作用在比例阀上的信号为PWM信号， PWM=[U/U_供]*B；系数B为控制系统里将信号分为多少份的总份数；

通过比例阀的电流反馈信号结合控制器输出的PWM值就可知比例阀的真实电阻值；依据该真实电阻值和控制要求给比例阀一个设定的电流值，如果反馈到控制器的反馈电流低于阀设定电流值I_设则会相应的增加控制器输出信号的大小；

反之，如果检测到的反馈信号大于需要的电流信号则相应的会减小控制信号的大小，实时根据控制器反馈电流进行调整的控制模式实现比例阀的自适应控制。

与现有的控制系统和方法相比：本发明有效的避免了因油温变化而引起的阀响应的变化，加入实时的阀的电流反馈结合控制器输出的PWM值就可知道阀的真实电阻值；改控制系统设定一个需要的电流值，如果反馈低于此电流值则会相应的增加控制器的输出信号的大小；反之，如果检测到的反馈信号大于需要的电流信号则相应的会减小控制信号的大小。这种实时根据反馈进行调整的控制模式实现了比例阀的自适应控制。

同时，本控制系统和方法将电压也纳入控制因素，也有效的避免了因为系统电压的变化而引起的输出控制信号的变化；因为一般的PWM信号是按照控制系统的控制电压的百分比进行输出控制的，如果当系统电压升高时，相应的同等比例的输出信号就会增高，如果系统电压发生馈电，相应的同等比例下的输出信号就会降低。将系统控制信号加入阀的控制系统就可进行相应的调节，当系统电压升高时控制系统会相应的降低输出信号的百分比从而维持输出信号的大小不变，反之如果系统发生馈电控制系统相应的会提高输出信号的百分比从而使输出信号的大小不变。

并且本控制方法和系统对阀开口是一个定量的控制，可以做到输入信号与阀开口的对应关系，根据反馈电流的大小得出阀开口的大小，使得控制更加精确。

附图说明

图1是现有电液比例阀的信号流程图；

图2是现有自身带有电反馈的比例阀工作流程图；

图3是本发明的系统流程图；

图4是控制系统中的电流反馈控制模块原理示意图；

图5是本发明的控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

其中，本发明中的所述的阀和比例阀均为比例阀；另有其他说明除外。

除非另外说明，否则在本发明的实施例中阐述的部件和步骤的相对位置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

如图3所示：一种比例阀的自适应控制系统，它包括：

控制器；

所述控制器输入端接入比例阀的反馈端口、同时接收对比例阀的控制信号，所述控制信号输入控制器并由控制器读取判断；控制器的接入端口为能读取电流的端口，控制器接收对比例阀的控制信号为开关量或者是模拟量；

控制器结合输入的控制信号和比例阀的反馈信号进行信号处理和输出判断，输出PWM信号；

所述PWM信号作为比例阀的输入信号作用在比例阀上，经过比例阀内部的电子放大器到电气-机械转换器形成压力流量位移，再通过比例阀内的电气检测反馈机构形成反馈信号输入到控制器；

控制器实时监控调整其输出的PWM信号，使之达到预定的合理平稳的控制效果，作用于液压执行元件，该循环过程从而形成比例阀的自适应控制。

根据控制器读入的控制信号，控制器相应的会给出一个一对一控制的设定的电流值，该电流值为通过阀的特性及阀的电阻值的来的理论计算值。因为该值为理论计算值并不一定和阀的实际电流一样也许会有一定的偏差；阀的实际值电流会受到油温和系统电压等因素的波动的影响和理论值发生偏差。

为了解决上述阀的实际值电流会受到油温和系统电压等因素的波动的影响和理论值发生偏差问题，本发明还包括一种比例阀的自适应控制方法，包括：

控制器，所述控制器中包括处理反馈电流的电流反馈模块；

如图4所示：所述的电流反馈模块将比例阀的阀设定电阻值R_设、阀设定电流值I_设、电流允许偏差量I_差、供电电压U_供和阀反馈的实际电流值I_实进行信号对比处理，得出比例阀实际需要的PWM信号。

所述的信号对比处理方法如下：

首先将比例阀上反馈电流接入控制器电流输入端口，则该控制器电流输入端口读入的电流即为比例阀的实际电流值I_实，同时根据比例阀的特性确定阀设定电阻值R_设，该阀设定电阻值R_设为阀的额定电阻值；

比例阀的控制信号为可变的模拟量信号，将该模拟量信号读入控制器，控制器根据输入模拟量信号的大小和比例阀的阀设定电阻值R_设确定通过比例阀的电流值，设定该电流值为阀设定电流值I_设；

同时设定一个系统允许的电流允许偏差量I_差，所述电流允许偏差量I_差的值是实际电流值I_实增减这一偏差量后比例阀的开口大小不发生变化，同时反映出来的比例阀的流量也相应的变化不大；

根据阀设定电阻值R_设、阀设定电流值I_设、电流允许偏差量I_差、供电电压U_供和阀反馈的实际电流值I_实进行如下步骤：

a、首先判断是否断路，即阀控制反馈输入的实际电流值I_实为有效数字，如果I_实为0时，表明线路没有形成电流回路，即出现断路故障；

b、计算设定的电压值U_设，且U_设=I_设*R_设；

c、判断和比较I_设与I_实的关系，当I_实>I_设+I_差或者I_实<I_设-I_差，则中间变量R=U_设/I_实，否则R=R_设；

d、判断中间变量R值的范围0.9*R_设<R>1.2*R_设，如果在此范围内，阀线圈的实际电阻R_实=R，否则R_实=R_设；此处得到的R_实视为阀线圈的实际电阻值；

e、经过以上四步获得了R_实的值，电压中间变量U=I_设*R_实即为需要达到设定电流值I_设时所需的电压值为U；

f、系统供电电压U_供根据供电系统的供电电压的变化而发生变化；

系统馈电之后U_供<U_额，U_额为比例阀系统的额定电压；最终输出的电压作用在比例阀上的信号为PWM信号， PWM=[U/U_供]*B；系数B为控制系统里将信号分为多少份的总份数；

通过比例阀的电流反馈信号结合控制器输出的PWM值就可知比例阀的真实电阻值；依据该真实电阻值和控制要求给比例阀一个设定的电流值，如果反馈到控制器的反馈电流低于阀设定电流值I_设则会相应的增加控制器输出信号的大小；

反之，如果检测到的反馈信号大于需要的电流信号则相应的会减小控制信号的大小，实时根据控制器反馈电流进行调整的控制模式实现比例阀的自适应控制。

本发明有效的避免了因油温变化而引起的阀响应的变化，加入实时的阀的电流反馈结合控制器输出的PWM值就可知道阀的真实电阻值；改控制系统设定一个需要的电流值，如果反馈低于此电流值则会相应的增加控制器的输出信号的大小；反之，如果检测到的反馈信号大于需要的电流信号则相应的会减小控制信号的大小。这种实时根据反馈进行调整的控制模式实现了比例阀的自适应控制。

同时，本控制系统和方法将电压也纳入控制因素，也有效的避免了因为系统电压的变化而引起的输出控制信号的变化；因为一般的PWM信号是按照控制系统的控制电压的百分比进行输出控制的，如果当系统电压升高时，相应的同等比例的输出信号就会增高，如果系统电压发生馈电，相应的同等比例下的输出信号就会降低。将系统控制信号加入阀的控制系统就可进行相应的调节，当系统电压升高时控制系统会相应的降低输出信号的百分比从而维持输出信号的大小不变，反之如果系统发生馈电控制系统相应的会提高输出信号的百分比从而使输出信号的大小不变。

并且本控制方法和系统对阀开口是一个定量的控制，可以做到输入信号与阀开口的对应关系，根据反馈电流的大小得出阀开口的大小，使得控制更加精确。

由以上得知，本控制系统和方法可以实现比例阀的自适应控制，即不需要更改输入信号，就能在环境发生改变时自动调节自身控制参数，以达到最优的比例阀的控制。此种方法更优于传统的控制系统实现的输入和输出的一一对应，可以解决比例阀连续工作一段时间后或由于外部环境因素引起的阀控制动作的变化，实现不受外部环境影响的阀的自适应控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种比例阀的自适应控制方法，其特征在于，包括：

控制器，所述控制器中包括处理反馈电流的电流反馈模块；

所述的电流反馈模块将比例阀的阀设定电阻值R_设、阀设定电流值I_设、电流允许偏差量I_差、供电电压U_供和阀反馈的实际电流值I_实进行信号对比处理，得出比例阀实际需要的PWM信号；

所述的信号对比处理方法如下：

首先将比例阀上反馈电流接入控制器电流输入端口，则该控制器电流输入端口读入的电流即为比例阀的实际电流值I_实，同时根据比例阀的特性确定阀设定电阻值R_设，该阀设定电阻值R_设为阀的额定电阻值；

比例阀的控制信号为可变的模拟量信号，将该模拟量信号读入控制器，控制器根据输入模拟量信号的大小和比例阀的阀设定电阻值R_设确定通过比例阀的电流值，设定该电流值为阀设定电流值I_设；

同时设定一个系统允许的电流允许偏差量I_差，所述电流允许偏差量I_差的值是实际电流值I_实增减这一偏差量后比例阀的开口大小不发生变化，同时反映出来的比例阀的流量也相应的变化不大；

根据阀设定电阻值R_设、阀设定电流值I_设、电流允许偏差量I_差、供电电压U_供和阀反馈的实际电流值I_实进行如下步骤：

a、首先判断是否断路，即阀控制反馈输入的实际电流值I_实为有效数字，如果I_实为0时，表明线路没有形成电流回路，即出现断路故障；

b、计算设定的电压值U_设，且U_设=I_设*R_设；

c、判断和比较I_设与I_实的关系，当I_实>I_设+I_差或者I_实<I_设-I_差，则中间变量R=U_设/I_实，否则R=R_设；

d、判断中间变量R值的范围0.9*R_设<R>1.2*R_设，如果在此范围内，阀线圈的实际电阻R_实=R，否则R_实=R_设；此处得到的R_实视为阀线圈的实际电阻值；

e、经过以上四步获得了R_实的值，电压中间变量U=I_设*R_实即为需要达到设定电流值I_设时所需的电压值为U；

f、系统供电电压U_供根据供电系统的供电电压的变化而发生变化；

系统馈电之后U_供<U_额，U_额为比例阀系统的额定电压；最终输出的电压作用在比例阀上的信号为PWM信号， PWM=[U/U_供]*B；系数B为控制系统里将信号分为多少份的总份数；

通过比例阀的电流反馈信号结合控制器输出的PWM值就可知比例阀的真实电阻值；依据该真实电阻值和控制要求给比例阀一个设定的电流值，如果反馈到控制器的反馈电流低于阀设定电流值I_设则会相应的增加控制器输出信号的大小；

反之，如果检测到的反馈信号大于需要的电流信号则相应的会减小控制信号的大小，实时根据控制器反馈电流进行调整的控制模式实现比例阀的自适应控制。