CN107387503B - 提高液压力加载系统线性特性的补偿器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提高液压力加载系统线性特性的补偿器，所述补偿器包括提高液压力加载系统线性特性的补偿器补偿方法，具体过程为：1)根据满量程加载力与其对应的开度，建立被控量压力与溢流阀理论线性开度的关系系数；2)软件产品的设计方法：采用软件补偿器进行补偿校正计算，得到实际溢流阀开度；实际开度直接由处理器的数模转换模块输出到溢流阀控制放大板；3)硬件产品的使用方法：确定溢流阀理论开度；理论开度直接由处理器的数模转换模块输出到硬件补偿信号模块输入端；硬件补偿信号模块输出端连接到比例阀控制放大板。本发明还公开了液压力加载系统补偿器的使用方法。本发明满足实验室或者工业科研生产对高精度压力曲线线性控制的需求。

Description

提高液压力加载系统线性特性的补偿器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种补偿控制器，具体涉及一种提高液压力加载系统线性特性的补偿器，本发明还公开了所述补偿器的使用方法，属于智能控制技术领域。

背景技术

压力是最常见物理量之一，压力广泛涉及于军工、科研、工业、农业、食品等领域。压制工艺广泛应用于材料成型，是粉末材料精密成型的核心工艺。压力加载可以模拟材料受承载力作用，可用于研究与评估材料力学性能。高压或者超高压环境模拟设备可以精确模拟压力环境，可用于深海环境模拟、高压物理学等科研领域。液压机是提供大吨位、精密型、高惯性、连续型、强稳定性力最常用的装置。液压力可分为高压液压力、超高压液压(一般高于30MPa)。高压液压力一般通过液压驱动控制系统实现对高压泵压力分压，实现加载在负载上的液压力精确控制。高压力的液压控制方法一般是通过比例溢流阀实现加载在负载上的液压力精确控制，或者通过比例流量阀的精确加载到油缸内的介质油量。

针对小型油缸的液压力加载系统，由于高压型比例流量阀的流量无法做到很小，小型油缸加载系统一般采用比例溢流阀加载控制方法。一般比例溢流阀液压力加载系统数学模型呈现二次或者三次的高次非线性模型特性，在设定的恒速加压控制过程中呈现低压段加载慢、高压段加载快、且加载速度为非线性变化的特点，导致整个液压力系统的线性特性较差，直接影响系统性能。

因此，需发明一种提高比例溢流阀液压力加载系统的软件补偿方法，设计软件补偿器或者硬件补偿模块，满足提高液压力加载系统线性特性的要求。本发明所述的非线性特性补偿校正方法，可推广应用到其它领域的非线性补偿应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高液压力加载系统线性特性的补偿器，从而可以提高比例溢流阀液压加载系统的线性特性，抑制该系统的非线性线性特性导致的加载过程控制精度差的问题，满足液压机加载系统对液压力线性精确控制的要求。本发明的补偿校正方法可推广应用到其它领域的非线性补偿应用。

对本领域的技术人员而言，可以明确知晓的是，为了顺利实施本发明，需要至少具备如下技术条件：

首先，要有液压力加载系统，该液压力加载系统至少应包括：

1)电液比例溢流阀，要求：电液比例溢流阀满足系统最高压力要求，且单调性好；溢流阀带比例放大控制电路板，可采用标准控制信号进行开度控制；

2)控制程序运行处理器，要求：该处理器至少可进行汇编语言、C语言、梯形图等一种常见计算机语言编程，满足运行控制软件编程的需求，处理器具备模拟信号输出功能；

3)补偿器控制板，要求：补偿器控制板可以为上述的控制程序运行处理器，可运行软件补偿器；也可以为一个带有数据处理器的控制电路板，数据处理器具备烧录补偿校正函数的功能。

在此基础上，该液压力加载系统还应包括：

1)液压油路驱动泵、高压油管、电液换向阀、油缸等液压附件，要求：控制油路驱动泵具备打开或者关闭相关阀件的功能，高压油管满足系统最高压力要求，电液换向阀等液压附件满足系统的功能需求，油缸实现将液压力输出；

2)断路器、接触器、空气开关、按钮操作箱等电气系统配件，要求：该配件组建的回路可满足液压油路驱动泵安全可靠启动与停止的要求，可满足液压机加载等基本动作要求；

3)测量传感器，要求：该传感器测量量程不低于系统最高压力范围，测量传感器安装方式应反映油缸液压输出力。

为了达到本发明的目的，本发明还提供一种比例溢流阀控制的液压力加载系统的建模方法，具体过程为：

1)设计全压力域加载实验，要求：压力域需覆盖液压力加载机所覆盖的所有压力域；加载过程时间宜尽量长，以采集更多的数据减小后续拟合误差；加载过程比例溢流阀控制采用中断增加法，中断时间间隔以尽量短，每个中断时刻的比例溢流阀开度等于上次中断开度与比例阀开度增量的加和值；每个中断时刻比例溢流阀开度增量根据最大负荷、最大负荷对应的比例溢流阀开度、加载过程时间线性计算；

2)开展全压力域加载实验，要求：按照上述实验方法记录实验过程中比例溢流阀开度X与压力F的数据关系向量；

3)对上述数据关系向量进行不低于二次的高次拟合，得到溢流阀开度与加载力的关系式：F＝p(X)，即为液压力加载系统的数学模型。

本发明还提供一种提高比例溢流阀控制的液压力加载系统线性特性的补偿器补偿方法，具体过程为：

1)该补偿器可以以软件产品或者烧录软件算法的硬件产品进行使用或发布；

2)根据满量程加载力与其对应的开度，建立被控量压力F与溢流阀理论线性开度X‘的关系系数k1，即

3)软件产品的设计方法：补偿后，溢流阀示值开度(或称理论开度)X‘与压力F是准线性关系，系数为k1，可简单实现加载力的线性控制；根据k1和被控量压力F，确定溢流阀理论开度X‘；采用软件补偿器进行补偿校正计算，得到实际溢流阀开度X；实际开度X直接由处理器的数模转换模块输出到溢流阀控制放大板；

4)硬件产品的使用方法：补偿后，溢流阀示值开度(或称理论开度)X‘与压力F是准线性关系，系数为k1，可简单实现加载力的线性控制；根据k1和被控量压力F，确定溢流阀理论开度X‘；理论开度X‘直接由处理器的数模转换模块输出到硬件补偿信号模块输入端；硬件补偿信号模块输出端连接到比例阀控制放大板。

本发明还提供一种比例溢流阀控制的液压力加载系统的补偿器补偿校正函数设计方法，具体过程为：

1)获取溢流阀开度与液压加载力的数学模型关系：F＝p(X)；

2)对数学模型进行求逆或者直接对上述采集数据直接对加载力与开度进行数学建模，获得：X＝g(F)与X＝p^-1(F)；

3)对于压力F，可计算得到溢流阀理论开度X‘：X‘＝k1×F；

4)根据上式X＝g(F)，可计算得到理论溢流阀开度X‘与实际溢流阀开度X的关系：该式即为该液压力加载系统的补偿校正函数。

本发明还提供一种比例溢流阀控制的液压力加载系统补偿器使用方法，具体过程为：

1)按照上述方法提供的全载荷域加载方法进行加载试验获得实验数据；

2)对实验数据进行处理，获得压力与理论溢流阀开度的线性关系系数：k1：

3)对加载系统统进行建模，获得数学模型：F＝p(X)；

4)按照上述方法，获得补偿器校正函数：

5)按照系统设定的加载过程曲线：F＝q(t)，获得每个时刻t₀系统希望达到的压力值F₀，按照压力与理论载荷的线性关系系数k1，获得理论溢流阀开度值X'₀；

6)通过软件补偿校正器或者硬件补偿校正器信号处理板将数据处理后直接输出到比例溢流阀控制板，实现加载力控制。

通过本发明，提供了一种提高液压力加载系统的线性特性的补偿器设计方法，满足实验室或者工业科研生产对高精度压力曲线线性控制的需求，该方法可推广应用到其他校正系统非线性特性的领域。本发明方法能够实现对系统非线性特性的补偿，大大降低控制算法设计难度，取得了较好的应用效益。

附图说明

图1软件补偿器补偿方法示意图；

图2硬件补偿器补偿方法示意图；

图3系统建模方法流程图；

图4补偿校正计算方法流程图；

图5补偿器典型应用方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图1-5所示，一种提高比例溢流阀控制的液压力加载系统线性特性的补偿器补偿方法，具体过程为：

1)该补偿器可以以软件产品或者烧录软件算法的硬件产品进行使用或发布；

2)根据满量程加载力与其对应的开度，建立被控量压力F与溢流阀理论线性开度X‘的关系系数k1，即

3)软件产品的设计方法：补偿后，溢流阀示值开度(或称理论开度)X‘与压力F是准线性关系，系数为k1，可简单实现加载力的线性控制；根据k1和被控量压力F，确定溢流阀理论开度X‘；采用软件补偿器进行补偿校正计算，得到实际溢流阀开度X；实际开度X直接由处理器的数模转换模块输出到溢流阀控制放大板；

4)硬件产品的使用方法：补偿后，溢流阀示值开度(或称理论开度)X‘与压力F是准线性关系，系数为k1，可简单实现加载力的线性控制；根据k1和被控量压力F，确定溢流阀理论开度X‘；理论开度X‘直接由处理器的数模转换模块输出到硬件补偿信号模块输入端；硬件补偿信号模块输出端连接到比例阀控制放大板。

本发明还提供一种比例溢流阀控制的液压力加载系统的补偿器补偿校正函数设计方法，具体过程为：

1)获取溢流阀开度与液压加载力的数学模型关系：F＝p(X)；

2)对数学模型进行求逆或者直接对上述采集数据直接对加载力与开度进行数学建模，获得：X＝g(F)与X＝p^-1(F)；

3)对于压力F，可计算得到溢流阀理论开度X‘：X‘＝k1×F；

4)根据上式X＝g(F)，可计算得到理论溢流阀开度X‘与实际溢流阀开度X的关系：该式即为该液压力加载系统的补偿校正函数。

本发明还提供一种比例溢流阀控制的液压力加载系统补偿器使用方法，具体过程为：

1)按照上述方法提供的全载荷域加载方法进行加载试验获得实验数据；

2)对实验数据进行处理，获得压力与理论溢流阀开度的线性关系系数：k1：

3)对加载系统统进行建模，获得数学模型：F＝p(X)；

4)按照上述方法，获得补偿器校正函数：

5)按照系统设定的加载过程曲线：F＝q(t)，获得每个时刻t₀系统希望达到的压力值F₀，按照压力与理论载荷的线性关系系数k1，获得理论溢流阀开度值X'₀；

6)通过软件补偿校正器或者硬件补偿校正器信号处理板将数据处理后直接输出到比例溢流阀控制板，实现加载力控制。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (1)

1.提高液压力加载系统线性特性的补偿器，其特征在于：

所述补偿器为软件产品或者烧录软件算法的硬件产品；

所述软件产品或者硬件产品，包括提高液压力加载系统线性特性的补偿器补偿方法，具体过程为：

1)根据满量程加载力与其对应的开度，确定被控量压力F与溢流阀理论开度X‘的关系系数k1，即

2)软件产品的设计方法：补偿后，溢流阀理论开度X‘与压力F是准线性关系，系数为k1，可简单实现加载力的线性控制；根据k1和被控量压力F，确定溢流阀理论开度X‘；采用软件补偿器进行补偿校正计算，得到实际溢流阀开度X；实际溢流阀开度X直接由处理器的数模转换模块输出到溢流阀控制放大板；

3)硬件产品的使用方法：补偿后，溢流阀理论开度X‘与压力F是准线性关系，系数为k1，可简单实现加载力的线性控制；根据k1和被控量压力F，确定溢流阀理论开度X‘；理论开度X‘直接由处理器的数模转换模块输出到硬件补偿信号模块输入端；硬件补偿信号模块输出端连接到溢流阀控制放大板；

所述软件产品或者硬件产品，包括补偿器补偿校正函数设计方法，具体过程为：

1)获取实际溢流阀开度X与被控量压力F的数学模型关系：F＝p(X)；

2)对数学模型进行求逆，获得：X＝g(F)；

3)对于压力F，可计算得到溢流阀理论开度X‘：

4)根据上式X＝g(F)，可计算得到理论溢流阀理论开度X‘与实际溢流阀开度X的关系：X＝g(F)＝g(k1·X')，该式即为该液压力加载系统的补偿校正函数；

所述液压力加载系统至少包括：

1)电液比例溢流阀，要求：电液比例溢流阀满足系统最高压力要求，且单调性好；溢流阀带控制放大板，可采用标准控制信号进行开度控制；

2)控制程序运行处理器，要求：处理器具备模拟信号输出功能；

3)补偿器控制板，要求：补偿器控制板可以为上述的控制程序运行处理器，可运行软件产品；也可以为一个带有数据处理器的控制电路板，数据处理器具备烧录补偿校正函数的功能；

所述液压力加载系统还包括：

1)液压附件，包括液压油路驱动泵、高压油管、电液换向阀、油缸，高压油管满足系统最高压力要求，电液换向阀满足系统的功能需求，油缸实现将液压力输出；

2)电气系统配件，包括断路器、接触器、空气开关、按钮操作箱，电气系统配件组建的回路可满足液压油路驱动泵安全可靠启动与停止的要求，可满足液压力加载机加载的基本动作要求；

3)测量传感器，测量量程不低于液压力加载系统最高压力范围，测量传感器安装方式反映油缸液压输出力；

所述液压力加载系统的建模方法，具体过程为：

1)设计全压力域加载实验，要求：压力域需覆盖液压力加载机所覆盖的所有压力域；加载过程比例溢流阀控制采用中断增加法，每个中断时刻的比例溢流阀开度等于上次中断开度与溢流阀开度增量的加和值；每个中断时刻比例溢流阀开度增量根据最大负荷、最大负荷对应的比例溢流阀开度、加载过程时间线性计算；

2)开展全压力域加载实验，要求：按照上述实验方法记录实验过程中实际溢流阀开度X与被控量压力F的数据关系向量；

3)对上述数据关系向量进行不低于二次的高次拟合，得到实际溢流阀开度X与被控量压力F的关系式：F＝p(X)，即为液压力加载系统的数学模型。