CN105912043A - 颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颤振信号双闭环自适应比例泵放大器算法，通过颤振智能算法、颤振提取算法单元、滤波器、阀位智能算法、阀位采样滤波模块、阀位采集模块、颤振叠加算法，实现对比例电磁铁的颤振和位移双闭环(含电流小闭环)控制，并提出了位移叠加颤振改善滞环现象的方法和积分分离与抗积分饱和算法；从而解决了滞环影响比例阀动态响应特性和积分饱和带来的误差不断积累以及系统稳定性不断下降的问题。本发明能够有效地提高控制的精度、控制的稳定性以及控制器抗干扰的能力。因此，本发明具有很强的实用性和应用价值。

Description

颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法

技术领域

本发明属于液压控制技术领域，具体涉及一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法。

背景技术

随着机械装备制造业的快速发展，对液压阀的流量、精度、响应速度方向提出了愈来愈高的要求，比例阀因此而发展起来。常规的比例阀一般为开环控制，不带闭环反馈信号，或者为单一反馈的闭环控制系统，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差。同时，开环控制系统，没有实时高效的闭环位置控制算法，不能实时监测阀芯位移，很难有效消除阀芯遮盖对流量特性的影响，具有较大的滞环，响应时间长，控制精度较低。

比例电磁铁在实际工作过程中，磁铁材料会存在磁滞特性，阀的运动组件和阀腔的相对运动必然形成摩擦力，此外，阀的运动组件之间通常存在机械间隙，这些因素均会导致比例阀的稳态特性呈现滞环现象。因此在电磁铁驱动信号中叠加特定参数的颤振是目前工程实际中改善阀芯位移滞环的常用方法。

常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响具有一定的抑制能力，但由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至不稳定。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法。

本发明一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，包括以下步骤：

S1，第一比较器1获取采样电流8检测到比例电磁铁6的实际电流和颤振提取算法单元22处理后的反馈值，并对这二者进行差值运算，然后经过颤振智能算法23运算处理；

S2，第二比较器3获取并处理控制系统的输入阀位的设定值和阀位采样滤波单元42处理后的反馈值，并对这二者进行差值运算，然后经过阀位智能算法43运算处理；

S3，将S1和S2计算的结果发送给颤振叠加算法5，然后传输给比例电磁铁6，最后由安装在比例阀上的位移传感器7感知阀位的变化。

所述S1具体包括以下步骤：

S1.1，初始化比例电磁铁6，位移传感器7输出的位置反馈信号经过滤波器21和颤振提取算法单元22的处理，发送至第一比较器1的第二输入端；所述第一比较器1判断经位移传感器7、滤波器21和颤振提取算法单元22处理的反馈信号是否发送至所述第一比较器1的第二输入端；当该第一比较器1确认经位移传感器7、滤波器21和颤振提取算法单元22处理的反馈信号发送至所述第一比较器1的第二输入端时，第一比较器1进行下一步S1.2；否则所述第一比较器1继续数据采样；

S1.2，采用第一比较器1计算采样电流8检测到比例电磁铁6的实际电流与颤振反馈信号的差值，将计算结果发送至颤振智能算法23。

所述S2具体包括以下步骤：

S2.1，用户给定的阀位设定值，位移传感器7输出的位置反馈信号经过阀位采集模块41的采集，再通过阀位采样滤波单元42的处理，发送至所述第二比较器3的第二输入端；所述第二比较器3判断经位移传感器7、阀位采集模块41和阀位采样滤波单元42处理的反馈信号是否发送至所述第二比较器3的第二输入端；当该第二比较器3确认经位移传感器7、阀位采集模块41和阀位采样滤波单元42处理的反馈信号发送至所述第二比较器3的第二输入端时，该第二比较器3进行下一步S2.2；否则所述第二比较器3继续数据采样；

S2.2，采用第二比较器3计算用户给定的阀位设定值与位置反馈信号的差值，当前者大于后者时，当前的积分环节恢复正常的偏差累加；当前者小于后者时，当前的积分环节只对负偏差进行累加；

S2.3，将所述步骤S2.2的计算结果发送至阀位智能算法43。

所述S2.2具体包括以下步骤：

S2.2.1,所述位置反馈信号经过滤波器21滤除输入信号的干扰，然后将该信号发送至第二比较器3的第二输入端，滤波器21惯性环节的传递函数如下：

$G\left(S\right)-\frac{1}{Ts+1},T\left(j\mathrm{\ω}\right)-\frac{1}{Tj\mathrm{\ω}+1}-\frac{1-Tj\mathrm{\ω}}{1+T^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，T(jω)为系统的频率特性，惯性环节的时间常数

S2.2.2,第二比较器3比较位置的反馈值和设定值，如果偏差较大，取消积分作用，如果偏差较小，就引入积分环节，用积分分离算法的差分方程的表述如下：

$u\left(k\right)=k_{P}error\left(k\right)+{\mathrm{\βk}}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}error\left(j\right)Ts+\frac{k_d\left(error\right(k)-error(k-1\left)\right)}{Ts}---\left(2\right)$

式中，u(k)为控制的输出量，error(k)为反馈值与位移的设定值的偏差，k_p为比例系数；k_i为积分系数；k_d为微分系数，Ts是采样周期，β为积分环节的开关系数，当|error(k)|＞ε时，β＝0；当|error(k)|≤ε时，β＝1。

所述颤振智能算法23为PID算法、模糊控制算法或专家算法；所述阀位智能算法43为PID算法、模糊控制算法或专家算法。

本发明提出一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，能够根据比例阀的阀芯位置的不同进行自适应的调整，最终得到比例阀具体的阀芯位置，该控制方案精确度高。

附图说明

图1是本发明一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法图。

图2是本发明一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法的整体流程示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法包含：第一比较器1、颤振控制部件2、第二比较器3、位置控制部件4、颤振叠加算法5。第一比较器1的第一输入端获取采样电流8检测到比例电磁铁6的实际电流；颤振控制部件2与第一比较器1连接；第一比较器与颤振智能算法23连接；第二比较器3的第一输入端获取输入阀位设定值；位置控制部件4的与第二比较器3连接；第二比较器与阀位智能算法43连接；颤振智能算法和阀位智能算法与颤振叠加算法单元5连接。颤振控制部件2包含：滤波器21，颤振提取算法单元22，颤振智能算法23。其中颤振智能算法包含PID算法、专家算法、模糊控制算法等，颤振智能算法23的输入端与第一比较器1的输出端连接；第一比较器1通过对采样电流8检测到比例电磁铁6的实际电流与颤振幅值提取算法22发送的反馈信号值进行比较计算，获取颤振幅值误差e_k。位置控制部件4包含：阀位采集模块41，阀位采样滤波单元42，阀位智能算法43。其中阀位智能算法包含PID算法、专家算法、模糊控制算法等，阀位智能算法43的输入端与第二比较器3的输出端连接；第二比较器3通过对获取输入阀位设定值与阀位采样滤波单元42发送的反馈信号值进行比较计算，获取位置误差e'_k。

本发明中，引入的滤波器能够有效的滤除输入信号的干扰；积分分离与抗积分饱和算法能够有效的防止由于积分环节导致的系统稳定性变差，降低系统的超调量，避免积分饱和，同时又能减小控制器稳定性的误差，提高控制器位移的控制精度；带死区的控制算法计算能够有效的改善死区带来的颤动问题。

颤振叠加算法单元5将颤振智能算法23获取的颤振幅值误差e_k和阀位智能算法43获取的位置误差e'_k进行运算得到电流，发送至比例电磁铁6。

一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，包括以下步骤：

S1，第一比较器1获取采样电流8检测到比例电磁铁6的实际电流和颤振提取算法单元22处理后的反馈值，并对这二者进行差值运算，然后经过颤振智能算法23运算处理；

S2，第二比较器3获取并处理控制系统的输入阀位的设定值和阀位采样滤波单元42处理后的反馈值，并对这二者进行差值运算，然后经过阀位智能算法43运算处理；

S3，将S1和S2计算的结果发送给颤振叠加算法5，然后传输给比例电磁铁6，最后由安装在比例阀上的位移传感器7感知阀位的变化。

所述S1具体包括以下步骤：

S1.1，初始化比例电磁铁6，位移传感器7输出的位置反馈信号经过滤波器21和颤振提取算法单元22的处理，发送至第一比较器1的第二输入端；所述第一比较器1判断经位移传感器7、滤波器21和颤振提取算法单元22处理的反馈信号是否发送至所述第一比较器1的第二输入端；当该第一比较器1确认经位移传感器7、滤波器21和颤振提取算法单元22处理的反馈信号发送至所述第一比较器1的第二输入端时，第一比较器1进行下一步S1.2；否则所述第一比较器1继续数据采样；

S1.2，采用第一比较器1计算采样电流8检测到比例电磁铁6的实际电流与颤振反馈信号的差值，将计算结果发送至颤振智能算法23。

所述S2具体包括以下步骤：

S2.1，用户给定的阀位设定值，位移传感器7输出的位置反馈信号经过阀位采集模块41的采集，再通过阀位采样滤波单元42的处理，发送至所述第二比较器3的第二输入端；所述第二比较器3判断经位移传感器7、阀位采集模块41和阀位采样滤波单元42处理的反馈信号是否发送至所述第二比较器3的第二输入端；当该第二比较器3确认经位移传感器7、阀位采集模块41和阀位采样滤波单元42处理的反馈信号发送至所述第二比较器3的第二输入端时，该第二比较器3进行下一步S2.2；否则所述第二比较器3继续数据采样；

S2.2，采用第二比较器3计算用户给定的阀位设定值与位置反馈信号的差值，当前者大于后者时，当前的积分环节恢复正常的偏差累加；当前者小于后者时，当前的积分环节只对负偏差进行累加；

S2.3，将所述步骤S2.2的计算结果发送至阀位智能算法43。

所述S2.2具体包括以下步骤：

S2.2.1,所述位置反馈信号经过滤波器21滤除输入信号的干扰，然后将该信号发送至第二比较器3的第二输入端，滤波器21惯性环节的传递函数如下：

$G\left(S\right)=\frac{1}{Ts+1},T\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{Tj\mathrm{\ω}+1}=\frac{1-Tj\mathrm{\ω}}{1+T^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，T(jω)为系统的频率特性，惯性环节的时间常数

S2.2.2,第二比较器3比较位置的反馈值和设定值，如果偏差较大，取消积分作用，如果偏差较小，就引入积分环节，用积分分离算法的差分方程的表述如下：

$u\left(k\right)=k_{P}error\left(k\right)+{\mathrm{\βk}}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}error\left(j\right)Ts+\frac{k_d\left(error\right(k)-error(k-1\left)\right)}{Ts}---\left(2\right)$

式中，u(k)为控制的输出量，error(k)为反馈值与位移的设定值的偏差，k_p为比例系数；k_i为积分系数；k_d为微分系数，Ts是采样周期，β为积分环节的开关系数，当|error(k)|＞ε时，β＝0；当|error(k)|≤ε时，β＝1。

所述颤振智能算法23为PID算法、模糊控制算法或专家算法；所述阀位智能算法43为PID算法、模糊控制算法或专家算法。

该自适应算法所采用的原理是：精确检测电磁铁的电流、阀芯位置、电磁阀前后压差和流经电磁阀的流量，通过智能信号处理算法，从电流中准确提取颤振幅值和颤振频率，输入到颤振信号自适应闭环控制算法中，计算得出新的适应阀芯位置、阀前后压差和流量的颤振幅值和频率；将阀芯位置信号输入到颤振自适应闭环控制算法中，计算得出新的阀芯位置控制信号。上述双闭环控制算法的计算结果叠加后，输出到驱动电路并作用于电磁铁，从而实现阀芯往复运动的全行程最小滞环、高精度阀芯位置和高动态响应特性。本发明还提出了积分分离与抗积分饱和算法，从而解决了积分饱和带来的误差不断积累以及系统稳定性不断下降的问题。本发明能够有效地提高控制的精度、控制的稳定性以及控制器抗干扰的能力。因此，本发明具有很强的实用性和应用价值。

经过实验，将本发明与国外力士乐控制器在方波跟随、正弦波跟随情况下进行对比，可以很明显的看出本发明的整体控制效果要优于力士乐的控制器，响应时间更短，超调量更小，正弦波跟随效果更好。体现了控制算法的控制效果良好与正确。

Claims (5)

1.一种颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，其特征在于包括以下步骤：

S1，第一比较器(1)获取采样电流(8)检测到比例电磁铁(6)的实际电流和颤振提取算法单元(22)处理后的反馈值，并对这二者进行差值运算，然后经过颤振智能算法(23)运算处理；

S2，第二比较器(3)获取并处理控制系统的输入阀位的设定值和阀位采样滤波单元(42)处理后的反馈值，并对这二者进行差值运算，然后经过阀位智能算法(43)运算处理；

S3，将S1和S2计算的结果发送给颤振叠加算法(5)，然后传输给比例电磁铁(6)，最后由安装在比例阀上的位移传感器(7)感知阀位的变化。

2.根据权利要求1所述的颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，其特征在于所述S1具体包括以下步骤：

S1.1，初始化比例电磁铁(6)，位移传感器(7)输出的位置反馈信号经过滤波器(21)和颤振提取算法单元(22)的处理，发送至第一比较器(1)的第二输入端；所述第一比较器(1)判断经位移传感器(7)、滤波器(21)和颤振提取算法单元(22)处理的反馈信号是否发送至所述第一比较器(1)的第二输入端；当该第一比较器(1)确认经位移传感器(7)、滤波器(21)和颤振提取算法单元(22)处理的反馈信号发送至所述第一比较器(1)的第二输入端时，第一比较器(1)进行下一步S1.2；否则所述第一比较器(1)继续数据采样；

S1.2，采用第一比较器(1)计算采样电流(8)检测到比例电磁铁(6)的实际电流与颤振反馈信号的差值，将计算结果发送至颤振智能算法(23)。

3.根据权利要求1或2所述的颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，其特征在于所述S2具体包括以下步骤：

S2.1，用户给定的阀位设定值，位移传感器(7)输出的位置反馈信号经过阀位采集模块(41)的采集，再通过阀位采样滤波单元(42)的处理，发送至所述第二比较器(3)的第二输入端；所述第二比较器(3)判断经位移传感器(7)、阀位采集模块(41)和阀位采样滤波单元(42)处理的反馈信号是否发送至所述第二比较器(3)的第二输入端；当该第二比较器(3)确认经位移传感器(7)、阀位采集模块(41)和阀位采样滤波单元(42)处理的反馈信号发送至所述第二比较器(3)的第二输入端时，该第二比较器(3)进行下一步S2.2；否则所述第二比较器(3)继续数据采样；

S2.2，采用第二比较器(3)计算用户给定的阀位设定值与位置反馈信号的差值，当前者大于后者时，当前的积分环节恢复正常的偏差累加；当前者小于后者时，当前的积分环节只对负偏差进行累加；

S2.3，将所述步骤S2.2的计算结果发送至阀位智能算法(43)。

4.根据权利要求3所述的颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，其特征在于所述S2.2具体包括以下步骤：

S2.2.1,所述位置反馈信号经过滤波器21滤除输入信号的干扰，然后将该信号发送至第二比较器3的第二输入端，滤波器21惯性环节的传递函数如下：

$G\left(S\right)-\frac{1}{Ts+1},T\left(j\mathrm{\ω}\right)-\frac{1}{Tj\mathrm{\ω}\mathrm{+1}}-\frac{1-Tj\mathrm{\ω}}{1+T^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，T(jω)为系统的频率特性，惯性环节的时间常数

S2.2.2,第二比较器(3)比较位置的反馈值和设定值，如果偏差较大，取消积分作用，如果偏差较小，就引入积分环节，用积分分离算法的差分方程的表述如下：

$u\left(k\right)=k_{P}error\left(k\right)+{\mathrm{\βk}}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}error\left(j\right)Ts+\frac{k_d\left(error\right(k)-error(k-1\left)\right)}{Ts}---\left(2\right)$

式中，u(k)为控制的输出量，error(k)为反馈值与位移的设定值的偏差，k_p为比例系数；k_i为积分系数；k_d为微分系数，Ts是采样周期，β为积分环节的开关系数，当|error(k)|＞ε时，β＝0；当|error(k)|≤ε时，β＝1。

5.根据权利要求4所述的颤振信号双闭环自适应比例阀放大器算法，其特征在于所述颤振智能算法(23)为PID算法、模糊控制算法或专家算法；所述阀位智能算法(43)为PID算法、模糊控制算法或专家算法。