CN110030422A - 流量调节装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种流量调节装置及调节方法，其中装置包括流量执行机构控制器，用于接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据，并基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，以控制所述流量执行机构的动作；至少一个所述流量执行机构，用于执行所述控制信号，调整阀门的开度以调节流量。该流量调节装置利用流量执行机构控制器实现对流量执行机构的闭环控制，即，利用数字化的流量执行机构控制器，通过对阀门开度的闭环控制，在简化流量调节装置结构的基础上，提高了阀门开度的控制精度。

Description

流量调节装置及调节方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及流量调节装置及调节方法。

背景技术

流量调节机构是流量控制系统的执行机构，主要是利用电机带动阀门的转动，以实现流量的调节；而现有的流量调节机构一般采用油阀和油泵相互配合才能达到控制供油量的目的。

以火箭流量调节机构为例，火箭流量调节机构是为发动机控制中流量控制系统的执行机构，主要功能是根据火箭发射过程中的实际需求，操纵输出轴跟随控制指令偏转，进而带动流量调节阀门的转动，从而达到控制流量的大小，以调节发动机推力的目的。

传统的固体发动机大多采用步进电机控制阀门开度，已达到流量调节的目的。其流量调节机构仍都需要采用油阀和油泵相互配合才能达到控制供油量的目的，由于装置的结构较复杂，需要调节的部件较多，还需要多个部件之间的相互配合，从而导致会导致应用该流量调节机构的流量调节的精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种流量调节装置及调节方法，以解决流量调节精度低的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种流量调节装置，包括：

流量执行机构控制器，用于接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据，并基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，以控制所述流量执行机构的动作；

至少一个所述流量执行机构，用于执行所述控制信号，调整阀门的开度以调节流量。

本发明实施例提供的流量调节装置，利用流量执行机构控制器实现对流量执行机构的闭环控制，即，通过对阀门开度的闭环控制，在简化流量调节装置结构的基础上，提高了阀门开度的控制精度。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述流量执行机构控制器包括：

处理器，用于形成驱动信号，并将所述驱动信号发送给驱动器；

所述驱动器，具有可控开关器件；所述驱动器用于基于所述控制信号调节所述可控开关器件的导通或关断，以输出所述控制信号。

本发明实施例提供的流量调节装置，利用数字化的流量执行机构控制器，使得该流量调节装置结构简单，成本较低，稳定性好。

结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述驱动器包括：

隔离电路，用于对所述驱动信号进行隔离；

全桥电路，与所述隔离电路电连接，用于对所述隔离电路的输出信号进行放大；

驱动电路，用于驱动所述全桥电路中所述可控开关器件的导通或关断，以输出所述控制信号。

本发明实施例提供的流量调节装置，在将信号输入至全桥电路之前，对处理器的输出信号进行隔离和放大，保证了信号的传输质量，提高了控制精度。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述流量执行机构包括：

电机，与所述流量执行机构控制器的输出端连接；

输出转轴，与所述电机连接，用于调整所述阀门的开度；

反馈测量件，与所述输出转轴连接，用于采集所述输出转轴的输出信号，并反馈给所述流量执行机构控制器。

结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述流量执行机构还包括：

减速齿轮箱，连接于所述电机与所述输出转轴之间。

结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，还包括：

电源处理单元，用于对输入电源转换为所述流量执行机构控制器以及所述流量执行机构的工作电源。

结合第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述电源处理单元包括：

多个并联的稳压器，所述稳压器的输出端分别与所述流量执行机构控制器以及所述流量执行机构连接。

本发明实施例提供的流量调节装置，利用多个并联的稳压器将输入电源转换为流量执行机构控制器以及流量执行机构工作所需的电源，保证了流量调节装置的正常工作。

根据第二方面，本发明实施例还提供了一种流量调节方法，包括：

接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据；

基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，以控制所述流量执行机构的动作。

本发明实施例提供的流量调节方法，通过对阀门开度的闭环控制，在简化流量调节装置结构的基础上，提高了阀门开度的控制精度。

结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，包括：

解析所述流量调节指令，以得到所述流量执行机构的预设位置信息；

利用所述预设位置信息以及所述反馈数据，计算所述流量执行机构的控制量，以输出脉宽调制信号。

结合第二方面第一实施方式，在第二方面第二实施方式中，所述计算所述流量执行机构的控制量，包括：

采用滑模变结构算法计算所述控制量。

本发明实施例提供的流量调节方法，采用基于滑模变结构的闭环控制，提高了流量执行机构的响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的流量调节装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的流量调节装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的流量调节装置的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的流量调节方法的流程图；

图5是根据本发明实施例的流量调节方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的流量调节装置及调节方法可以应用于所有需要进行流量调节的系统或装置中，对其应用领域并不做任何限制。在下文的描述中，以针对火箭固体发动机流量调节为例，进行详细描述。该流量调节装置用于实现火箭固体发动机阀门开度的控制、流量调节，最终实现推力的调节。

本发明实施例提供了一种流量调节装置，如图1所示，该装置包括流量执行机构控制器10以及至少一个流量执行机构。

流量执行机构控制器10用于接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据，其中，流量调节指令为外界发送至流量执行机构控制器10中的，可以理解为流量调节的预设值，或理想值。例如，在火箭固体发动机的流量调节过程中，箭上计算机根据火箭运行过程中的实时状态向流量执行机构控制器10发送流量调节指令。具体实施场景可以是，若此时需要火箭的推力减小，固体发送机所需要的流量就减小，对应地阀门开度就需要减小，箭上计算机向流量执行机构控制器10发送流量调节指令(可以是某一具体数值，也可以是数值范围等等)；若此时需要火箭的推力增大，固体发送机所需要的流量就增大，对应地阀门开度就需要增大，箭上计算机向流量执行机构控制器10发送流量调节指令。

流量执行机构控制器10在接收流量调节指令的同时还接收流量执行机构的反馈数据，该反馈数据用于表示流量执行机构的实时状态。其中，反馈数据可以是阀门的开度、输出轴转动的角度等等，对其具体类型并不做任何限制，只需保证该反馈数据能够表征出流量执行机构的实时状态即可。

流量执行机构控制器10基于流量调节指令以及反馈数据形成控制信号，即利用流量调节指令(流量调节的预设值)以及反馈数据(流量调节的实际值)进行闭环调节形成控制信号，以控制流量执行机构的动作。流量执行机构控制器10在形成控制信号之后，将控制信号发送给流量执行机构，以控制流量执行机构的动作。

请参见图1，在图1中流量执行机构控制器10的输出端连接有n个流量执行机构，其中，流量执行机构控制器10的输出端所连接的流量执行机构的数量可以根据实际情况进行具体设置，可以是1个，2个或3个等等。例如，流量执行机构控制器10的输出端连接有2个流量执行机构，对应于每个流量执行机构20，流量执行机构控制器10输出相应的控制信号，即流量执行机构控制器10输出的控制信号与流量执行机构20一一对应。同样地，每个流量执行机构向流量执行机构控制器10反馈的反馈数据与流量执行机构20一一对应。

每个流量执行机构20执行相应的控制信号，调整与之对应的阀门的开度，以调节流量。流量执行机构20在动作过程中，实时向流量执行机构控制10反馈数据，流量执行机构控制器10基于反馈数据以及流量调节指令形成控制信号，实时发送至流量执行机构20，以保证流量执行机构20动作的实时性。

其中，流量执行机构控制器10可以是处理器，也可以是处理器与其他器件的结合；例如，流量执行机构控制器10可以是处理器与变频器的结合，也可以是处理器与驱动器的结合。即，对应于流量执行机构20中执行机构的驱动方式，可以是变频器驱动，也可以是采用开关器件驱动等等。

本实施例提供的流量调节装置，利用流量执行机构控制器10实现对流量执行机构20的闭环控制，即，通过对阀门开度的闭环控制，在简化流量调节装置结构的基础上，提高了阀门开度的控制精度。

作为本实施例的一种可选实施方式，该流量调节装置应用于火箭固体发动机的流量调节过程中，如图2所示，该流量调节装置的输入端连接有弹上计算机以及电源模块。其中，弹上计算机可以理解为流量执行机构控制器10的上位机，用于向流量执行机构控制器10发送流量调节指令。电源模块将输入的一次直流母线电压隔离并转换为流量执行机构控制器10所需的电压值，为流量执行机构控制器10的正常工作供电。电源模块包括EMI滤波电路和一路DC/DC隔离电源模块。例如，EMI滤波电路对28VDC箭上一次电源进行滤波，送入隔离电源模块转换为6VDC。在该流量调节装置中，流量执行机构控制器10同时控制两个流量执行机构，流量执行机构控制器10输出两路控制信号(控制信号1以及控制信号2)分别对相应的流量执行机构20进行控制，每个流量执行机构20分别向流量执行机构控制器10反馈数据(反馈数据1以及反馈数据2)。

本发明实施例还提供了一种流量调节装置，如图3所示，该流量调节装置包括流量执行机构控制器10以及流量执行机构。在图3中仅示出了一个流量执行机构，但本发明的保护范围并不限于此。

如图3所示，流量执行机构控制器10包括处理器11以及驱动器12。其中，处理器11用于形成驱动信号，并将驱动信号发送给驱动器12。驱动器12具有可控开关器件，用于基于控制信号调节可控开关器件的导通或关断，以输出控制信号。可选地，处理器11为单片DSP芯片，接收流量调节指令，内部以轮询的方式进行软件算法的运算核处理。

驱动器12中所包括的可控开关器件的数量可以根据实际情况进行具体设置，只需保证其输出的控制信号能够使得流量执行机构20中执行机构的动作。

进一步地，驱动器12包括隔离电路、全桥电路以及驱动电路。其中，隔离电路用于对处理器11输出的驱动信号进行隔离；全桥电路与隔离电路电连接，用于对隔离电路的输出信号进行放大；驱动电路用于驱动全桥电路中的可控开关器件的导通或关断，以输出控制信号。所述的全桥电路包括4个可控开关器件，4个可控开关器件分别位于两个相邻的桥臂上，例如，第一个桥臂包括串联的第一可控开关器件以及第二可控开关器件，第二个桥臂包括串联的第三可控开关器件以及第四可控开关器件。

作为本实施例的一种可选实施方式，该驱动器对处理器11输出的PWM信号进行隔离和放大，最后控制全桥电路实现对流量执行机构20的驱动。其中，全桥电路包括4个功率MOSFET，隔离电路接收PWM驱动信号进行隔离，并将隔离输出的PWM驱动信号通过驱动电路进行放大，转换成功率MOSFET的栅极驱动信号。由功率MOSFET所形成的全桥电路将PWM驱动信号放大驱动流量执行机构(以两个执行机构为例，即分别驱动两个流量执行机构)。进一步可选地，隔离电路为光耦隔离芯片HCPL0630，驱动器由IR公司的超小型驱动芯片IRS2336和贴片功率开关管IRFH5007和一些辅助电路组成。根据处理器输出的控制PWM信号，驱动器通过控制全桥(又可称之为H桥)各个MOSFET的开通和关断，实现流量执行机构的控制。

作为本实施例的另一种可选实施方式，流量执行机构20包括电机、输出转轴以及反馈测量件。其中，电机与流量执行机构控制器10的输出端连接；进一步地，当驱动器包括全桥电路时，电机的与全桥电路的输出端连接(即，接入全桥电路相邻两个桥臂的第一可控开关器件与第三可控开关器件之间)。输出转轴与电机连接，用于调整阀门的开度；反馈测量件与输出转轴连接，用于采集输出转轴的输出信号，并反馈给流量执行机构控制器10。

进一步可选地，该流量执行机构20还包括有减速齿轮箱，其连接于电机与输出转轴之间。

作为本实施例的一种可选实施方式，流量执行机构20在工作过程中，第一流量执行机构和第二流量执行机构接收驱动器的PWM驱动信号，调节并反馈流量执行机构的输出轴的偏角，进而控制流量调节阀门的开度。第一流量执行机构和第二流量执行机构分别包括伺服电机、反馈测量件、减速齿轮箱和输出转轴。驱动器输出的PWM驱动信号驱动伺服电机旋转，减速齿轮箱对伺服电机的旋转角速度进行减速和转矩放大，最终驱动输出转轴输出转矩。反馈测量件采集输出转轴的偏角信号，回传给流量执行机构控制器10进行阀门开度的采集和反馈。

请再次参见图3，该流量调节装置还包括有电源处理单元，用于将输出电源转为流量执行机构控制器10以及流量执行机构20的工作电源。具体地，该电源处理单元包括多个并联的稳压器，各个稳压器的输出端分别与流量执行机构控制器10以及流量执行机构20连接。如图3所示，该电源处理单元包括3个并联的稳压器，各个稳压器的输出端分别连接处理器11、驱动器12以及流量执行机构20中的反馈测量件。各个稳压器的输出电压不同，例如，三路LDO分别将电源模块输出的6VDC电源转换成5VDC、3.3VDC和2.5VDC，分别采用LM7805、LM1117-3.3和LM1117-2.5。

进一步地，电源转换模块中还包括有滤波、储能电路。LDO和滤波、储能电路分别与其余各模块链接，将电源模块输出的6V电源信号进行滤波，并经过LDO转换为各模块所需的电压值，为其余各模块的正常工作供电。电源转换模块包括三路LDO和一各π型滤波器。

请继续参见图3，该流量调节装置还包括有422收发器，用于实现上位机和处理器11之间的通讯，进行电平转换和信号隔离功能，接收和发送流量执行机构阀门的开度状态、在线更新运行参数等。422收发器包括隔离的RS422通讯芯片，用于接收上位机传来的RS422通信信号，通信信号包括阀门开度指令信号和滑模变结构参数更新数据，所述的阀门开度指令信号为上位机对阀门开度的命令信息，滑模变结构参数更新数据为处理器中阀门开度滑模变结构运算的参数修改数据。422收发器同时接收处理器传来的阀门开度实际信号，发给上位机。

本发明实施例还提供了一种流量调节方法，可以用于上述实施例所述的流量调节装置中，如图4所示，该方法包括：

S11，接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据。

流量调节机构控制器结构接收外界发送的流量调节指令，以及流量执行机构的反馈数据。其中，流量调节指令可以理解为流量调节的预设值，反馈数据可以理解为流量调节的实际值。

S12，基于流量调节指令以及反馈数据形成控制信号，以控制流量执行机构的动作。

流量调节机构控制器利用流量调节的预设值与实际值形成控制信号，具体可以利用PID调节算法、PI算法、或其他调节算法，各个调节算法的目的在于使得流量执行机构反馈数据对应的实际值与流量调节指令对应的预设值相同。

本实施例提供的流量调节方法，通过对阀门开度的闭环控制，在简化流量调节装置结构的基础上，提高了阀门开度的控制精度。

本发明实施例还提供了一种流量调节方法，如图5所示，该方法包括：

S21，接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据。

详细请参见图4所示实施例的S11，在此不再赘述。

S22，基于流量调节指令以及反馈数据形成控制信号，以控制流量执行机构的动作。

在本实施例中采用滑模变结构算法计算控制量，用以提高流量执行机构的响应速度。具体地，该步骤包括：

S221，解析流量调节指令，以得到流量执行机构的预设位置信息。

流量执行机构控制器在接收到上位机发送的流量调节指令后，对其进行解析以提取出流量执行机构的预设位置信息。由于数据在传输过程中，都是依据相应传输协议的要求将数据组成数据包，附加上包头以及包尾等等。

S222，利用预设位置信息以及反馈数据，计算流量执行机构的控制量，以输出脉宽调制信号。

流量执行机构控制器10采用滑模变结构算法，利用预设位置信息以及反馈数据，计算流量执行机构的控制量，以输出脉宽调制信号。

作为本实施例的一种具体实施方式，该流量调节方法包括以下步骤：

(1)进行上电系统初始化，对机构反操作命令、机构反馈数值和流量执行机构控制量进行清零。

(2)接收流量执行机构操作命令，如果收到命令则进入步骤(3)，否则跳转到步骤(5)。

(3)将两路流量执行机构反馈数据通过422收发器上传给上位机。

(4)解析流量执行机构操作命令，进行解码生成两路流量执行机构的位置命令。

(5)通过AD采集两路流量执行机构的反馈数据。

(6)通过滑模变结构算法分别计算两路流量执行机构的控制量。

(7)计算PWM模块输出。

(8)完成2个流量执行机构的控制，如果完成则跳转到步骤(2)，如果没完成，则返回步骤(5)。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种流量调节装置，其特征在于，包括：

流量执行机构控制器，用于接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据，并基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，以控制所述流量执行机构的动作；

至少一个所述流量执行机构，用于执行所述控制信号，调整阀门的开度以调节流量。

2.根据权利要求1所述的流量调节装置，其特征在于，所述流量执行机构控制器包括：

处理器，用于形成驱动信号，并将所述驱动信号发送给驱动器；

所述驱动器，具有可控开关器件；所述驱动器用于基于所述控制信号调节所述可控开关器件的导通或关断，以输出所述控制信号。

3.根据权利要求2所述的流量调节装置，其特征在于，所述驱动器包括：

隔离电路，用于对所述驱动信号进行隔离；

全桥电路，与所述隔离电路电连接，用于对所述隔离电路的输出信号进行放大；

驱动电路，用于驱动所述全桥电路中所述可控开关器件的导通或关断，以输出所述控制信号。

4.根据权利要求1所述的流量调节装置，其特征在于，所述流量执行机构包括：

电机，与所述流量执行机构控制器的输出端连接；

输出转轴，与所述电机连接，用于调整所述阀门的开度；

反馈测量件，与所述输出转轴连接，用于采集所述输出转轴的输出信号，并反馈给所述流量执行机构控制器。

5.根据权利要求4所述的流量调节装置，其特征在于，所述流量执行机构还包括：

减速齿轮箱，连接于所述电机与所述输出转轴之间。

6.根据权利要求1所述的流量调节装置，其特征在于，还包括：

电源处理单元，用于将输入电源转换为所述流量执行机构控制器以及所述流量执行机构的工作电源。

7.根据权利要求6所述的流量调节装置，其特征在于，所述电源处理单元包括：

多个并联的稳压器，所述稳压器的输出端分别与所述流量执行机构控制器以及所述流量执行机构连接。

8.一种流量调节方法，其特征在于，包括：

接收流量调节指令以及流量执行机构的反馈数据；

基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，以控制所述流量执行机构的动作。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述流量调节指令以及所述反馈数据形成控制信号，包括：

解析所述流量调节指令，以得到所述流量执行机构的预设位置信息；

利用所述预设位置信息以及所述反馈数据，计算所述流量执行机构的控制量，以输出脉宽调制信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算所述流量执行机构的控制量，包括：

采用滑模变结构算法计算所述控制量。