CN108873953B - 一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统 - Google Patents

一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统，首先获取高精度压力控制所需目标值、实际压力值，进而得到压力控制偏差，然后计算高精度压力控制对应的PID控制器微分项、积分项，在此基础上进一步计算出PID控制器输出的电磁比例阀电流控制值、驱动电流值，并输出至电磁比例阀，最后控制电磁比例阀根据驱动电流值IAi调节输出流率，实现电磁比例阀下游压力的高精度控制。

Description

一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统
技术领域
本发明涉及航天器推进技术领域，主要应用于电推进系统推进剂的高精度流率供给领域，特别是一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统。
背景技术
电推进技术相比传统的化学推进技术，具有高比冲长寿命的优势，其工作过程对推进剂流率的供给精度要求非常高，一般达到mg/s量级。目前电推进系统的推进剂供给主要是通过bangbang压力控制和热节流器的组合方式实现流率的稳定控制，bangbang压力控制方法实现了稳定的压力控制，热式节流器在入口压力稳定的条件下输出了稳定的mg/s流率。该方法只能满足单一工作模式电推进系统的需求。
而全电推进卫星等一些新型航天器要求电推进系统具备轨控模式和位保模式等多种模式工作的能力，因此必须配置多模式电推进系统。为了实现电推进系统的多模式工作，要求推进剂供给系统具备流率快速调节的功能。而bangbang压力控制方法无法实现压力的快速调节，因此无法满足全电推进卫星等一些新型航天器的推进剂供给需求。
为了实现航天器多模式电推进系统对推进剂供给流率高精度、快速调节的要求，同时电磁比例阀因为自身工作特性的原因，存在显著的非线性特点，需要针对该特点，提出了一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统，解决了电推进系统的推进剂流率无法快速灵活调节的问题，实现了多模式电推进系统的推进剂流率高精度、快速调节，具有简便、精度高、鲁棒性高的优点。
本发明的技术解决方案是：一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法，包括如下步骤：
(1)获取第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制所需目标值P0、第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制前的实际压力值PAi，进而得到第i次高精度压力控制偏差Pi＝P0-PAi，其中，i为整数；
(2)计算第i次高精度压力控制对应的PID控制器微分项
Figure BDA0001779888730000021
其中，t0为PID数字控制器的控制周期；
(3)计算得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji；
(4)计算第i次高精度压力控制对应的电磁比例阀电流控制值IDi；
(5)将电磁比例阀电流控制值IDi转换为驱动电流值IAi，并输出至电磁比例阀；
(6)控制电磁比例阀根据驱动电流值IAi调节输出流率，实现电磁比例阀下游压力的高精度控制。
所述的步骤(1)前还包括步骤：打开比例电磁阀上游的自锁阀。
所述的步骤(4)中计算第i次高精度压力控制对应的电磁比例阀电流控制值IDi的方法为：
IDi＝KpPi+Ji+Kd(0.9×Wi+0.1×Wi-1)+I0，其中，Kp为PID控制器的比例系数，Kd为PID控制器的微分系数，I0为电磁比例阀的启动电流特征值。
所述的步骤(3)中计算得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji的方法为：
若|Pi|<0.005，则第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji＝0，否则Ji＝Ji-1+KiPit0，其中，Ki为PID控制器的积分系数。
一种基于电磁比例阀的高精度压力控制系统，包括电磁比例阀、压力传感器、PID数字控制器，其中：
电磁比例阀，控制电磁比例阀根据驱动电流值IAi调节输出流率，实现电磁比例阀下游压力的高精度控制；
压力传感器，测量第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制前的实际压力值PAi并送至PID数字控制器；
PID数字控制器，获取第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制所需目标值P0，进而得到第i次高精度压力控制偏差Pi＝P0-PAi，计算第i次高精度压力控制对应的PID控制器微分项
Figure BDA0001779888730000031
得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji、第i次高精度压力控制对应的电磁比例阀电流控制值IDi，将电磁比例阀电流控制值IDi转换为驱动电流值IAi，并输出至电磁比例阀。
还包括自锁阀，隔离或启动向电磁比例阀输送输入压力控制偏差。
所述的计算第i次高精度压力控制对应的电磁比例阀电流控制值IDi的方法为：
IDi＝KpPi+Ji+Kd(0.9×Wi+0.1×Wi-1)+I0，其中，Kp为PID控制器的比例系数，Kd为PID控制器的微分系数，I0为电磁比例阀的启动电流特征值。
所述的计算得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji的方法为：
若|Pi|<0.005，则第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji＝0，否则Ji＝Ji-1+KiPit0，其中，Ki为PID控制器的积分系数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于电磁比例阀的压力控制方法相比现有技术，解决了电推进系统输出压力不可调节的问题，具有压力调节快速、灵活优点；
(2)本发明采用复合PID控制方法，解决了电磁比例阀的非线性问题，实现了压力的高减压比、高精度、稳定控制，鲁棒性高，可实现输入压力0.5～15MPa，输出压力0.12～0.5MPa，输出压力精度优于1％；
(3)本发明基于数字PID控制器，可通过调整软件的参数，灵活改变PID控制器的各项参数，以适用于不同电推进系统的压力控制要求，具有使用简便、灵活的优点。
附图说明
图1为基于电磁比例阀的压力控制方案原理图；
图2为基于电磁比例阀的压力控制方法流程图。
具体实施方式
本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法及系统，解决了电推进系统的推进剂流率无法快速灵活调节的问题，实现了多模式电推进系统的推进剂流率高精度、快速调节，具有简便、精度高、鲁棒性高的优点，下面结合附图对本发明方法进行更进一步的解释和说明。
如图1所示，本发明一种基于电磁比例阀的高精度压力控制系统，包括自锁阀、电磁比例阀、压力传感器、PID数字控制器，其中：
自锁阀用来隔离或启动输入压力向电磁比例阀输送；电磁比例阀用来实现输出压力的调节；压力传感器用来检测输出压力，并反馈给PID数字控制器；PID数字控制器通过复合PID控制算法来实现压力高精度控制。
如图2所示，本发明一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法，包括如下步骤：
(1)打开比例电磁阀上游的自锁阀；
(2)假设航天器多模式电推进系统压力控制目标值数字量为P0，通过压力传感器获得第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制前的实际压力值PAi，由此可计算出当前压力值与目标值的偏差Pi＝P0-PAi，i为整数；
(3)计算第i次高精度压力控制对应的PID控制器的微分项
Figure BDA0001779888730000041
其中，t0为PID数字控制器的控制周期，W0＝0；
(4)若|Pi|<0.005，则令第i次高精度压力控制对应的PID控制器的积分项Ji＝0，否则计算PID控制器的积分项Ji＝Ji-1+KiPit0，其中，Ki为PID控制器的积分系数；J0＝0；
(5)计算第i次高精度压力控制需要的电磁比例阀电流控制值IDi＝KpPi+Ji+Kd(0.9×Wi+0.1×Wi-1)+I0，其中，Kp为PID控制器的比例系数，Kd为PID控制器的微分系数，I0为由电磁比例阀的工作特性决定的启动电流特征值；
(6)将电磁比例阀电流控制值IDi转换为驱动电流值IAi，并输出至电磁比例阀；
(7)电磁比例阀在驱动电流值IAi的驱动下调节阀门开合度，改变电磁比例阀的输出流率，从而实现比例阀下游压力的高精度控制，进而完成航天器多模式电推进系统的高精度压力控制。
(8)在整个压力控制过程中，每一个控制周期都重复上述步骤(2)～(7)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)获取第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制所需目标值P0、第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制前的实际压力值PAi，进而得到第i次高精度压力控制偏差Pi＝P0-PAi，其中，i为整数；
(2)计算第i次高精度压力控制对应的PID控制器微分项
Figure FDA0002997759630000011
其中，t0为PID数字控制器的控制周期；
(3)计算得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji；
若|Pi|<0.005，则第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji＝0，否则Ji＝Ji-1+KiPit0，其中，Ki为PID控制器的积分系数；
(4)计算第i次高精度压力控制对应的电磁比例阀电流控制值IDi；
IDi＝KpPi+Ji+Kd(0.9×Wi+0.1×Wi-1)+I0，其中，Kp为PID控制器的比例系数，Kd为PID控制器的微分系数，I0为电磁比例阀的启动电流特征值；
(5)将电磁比例阀电流控制值IDi转换为驱动电流值IAi，并输出至电磁比例阀；
(6)控制电磁比例阀根据驱动电流值IAi调节输出流率，实现电磁比例阀下游压力的高精度控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁比例阀的高精度压力控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)前还包括步骤：打开比例电磁阀上游的自锁阀。
3.一种基于电磁比例阀的高精度压力控制系统，其特征在于包括电磁比例阀、压力传感器、PID数字控制器，其中：
电磁比例阀，控制电磁比例阀根据驱动电流值IAi调节输出流率，实现电磁比例阀下游压力的高精度控制；
压力传感器，测量第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制前的实际压力值PAi并送至PID数字控制器；
PID数字控制器，获取第i次航天器多模式电推进系统高精度压力控制所需目标值P0，进而得到第i次高精度压力控制偏差Pi＝P0-PAi，计算第i次高精度压力控制对应的PID控制器微分项
Figure FDA0002997759630000021
得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji、第i次高精度压力控制对应的电磁比例阀电流控制值IDi，将电磁比例阀电流控制值IDi转换为驱动电流值IAi，并输出至电磁比例阀；
IDi＝KpPi+Ji+Kd(0.9×Wi+0.1×Wi-1)+I0，其中，Kp为PID控制器的比例系数，Kd为PID控制器的微分系数，I0为电磁比例阀的启动电流特征值；
所述的计算得到第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji的方法为：若|Pi|<0.005，则第i次高精度压力控制对应的PID控制器积分项Ji＝0，否则Ji＝Ji-1+KiPit0，其中，Ki为PID控制器的积分系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁比例阀的高精度压力控制系统，其特征在于：还包括自锁阀，隔离或启动向电磁比例阀输送输入压力控制偏差。
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