CN110109348B - 一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法，涉及机械电子技术领域，该基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法，包括判断控制信号uc与比例阀右位死区深度Depr的大小关系；当uc大于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dr‑est的规律递减；当0>uc≥Depr时，比例阀不换向仍保持右位工作，uact按式
Figure DDA0002056750700000011
计算；当uc小于Depr时，uact按式uact＝uc+Dl‑est+Ur计算；其中，Ur＝MAX(∫(uc‑Depr)dt,Depr)‑Depr；比例阀反向换向与上述原理相同，只是基于比例阀左位死区深度Depl以及比例阀左位死区估测值进行补偿，由于本发明在死区估测值的基础上分别向死区内部延伸，直至超越死区的变化区间以确保完全进入到比例阀的死区中，从而克服了动态性能差，易引起波动，对于精确闭环控制系统难以满足要求的问题。

Description

一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法
技术领域
本发明涉及机械电子技术领域，更具体的涉及一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法。
背景技术
随着液压技术的发展，液压传动在国内外工程机械、机床等方面应用越来越广泛。任何一种机械的液压传动系统都应满足重量轻、体积小、结构简单、使用方便、效率高和质量好的要求，其中尤应强调质量好和效率高，并在保证质量好、效率高的基础上应尽可能地采用先进技术。
在实际应用过程中发现，液压比例控制系统中比例阀存在变死区特性，比例阀死区的存在则影响闭环控制系统的控制精度和动态品质。目前常见的死区补偿方式是直接式的补偿，即将死区值直接叠加到控制信号上以避开死区的影响。其中叠加的死区值多为恒定值，通过估测或试验测量得到。定值式叠加的死区补偿忽略了死区的时变特性。为追求精确的控制性能，许多研究人员多通过各种智能控制理论并结合系统的误差状态来实时辨识死区的真实值或是死区修正量。但这类变死区补偿往往需要大量的数据作为辨识基础，过程繁杂，具有较大的滞后性，目前多处于研究阶段。当前直接式的定值死区补偿应用较为广泛。
但由于闭环控制系统存在的其它非线性因素以及外部干扰的作用，控制信号uc会出现频繁地穿越零控制点的状况，当采用直接的死区补偿时，比例阀会跟随控制信号的波动出现频繁的换向操作。当比例阀进行高频换向时会引起液压缸两腔的压力波动、冲击，恶化执行机构的动态性能，对于精确闭环控制系统难以满足要求。
发明内容
本发明实施例提供一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法，用以解决现有技术中，动态性能差，易引起波动，对于精确闭环控制系统难以满足要求的问题。
本发明实施例提供一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法，包括：比例阀由右位向左位切换时的补偿方法以及比例阀由左位向右位切换时的补偿方法：
所述比例阀由右位向左位切换时的补偿方法包括：
获取控制信号uc，及比例阀右位死区深度Depr；
判断控制信号uc与比例阀右位死区深度Depr的大小关系；
当所述控制信号uc大于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dr-est的规律递减；
当所述控制信号0>uc≥Depr时，比例阀不换向仍保持右位工作，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式
Figure BDA0002056750680000021
计算；其中，Dr-est表示比例阀右位死区估测值；
当所述控制信号uc小于Depr时，比例阀由右位切换至左位工作，工作起点为Dl-est，且比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式uact＝uc+Dl-est+Ur计算；其中，Ur＝MAX(∫(uc-Depr)dt,Depr)-Depr；Ur为比例阀由右位切换到左位的快速补偿输出；
输出比例阀的自动补偿控制指令信号uact；
所述比例阀由左位向右位切换时的补偿方法包括：
获取控制信号uc，及比例阀左位死区深度Depl；
判断控制信号uc与比例阀左位死区深度Depl的大小关系；
当所述控制信号uc小于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dl-est的规律递增；
当所述控制信号0<uc≤Depl时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式
Figure BDA0002056750680000031
计算；其中，Dl-est表示比例阀左位死区估测值；
当所述控制信号uc大于Depl时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式uact＝uc+Dr-est+Ul计算；其中，Ul＝MIN(∫(uc-Depl)dt,Depl)-Depl；其中，Ul比例阀由左位切换到右位的快速补偿输出；
输出比例阀的自动补偿控制指令信号uact。
本发明实施例中，在死区估测值的基础上分别向死区内部延伸，直至超越死区的变化区间以确保完全进入到比例阀的死区中，可避免比例阀的频繁换向，减少信号波动的比例阀换向过程的影响，优化系统动态控制性能，提高系统控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的控制信号与阀芯位移的对应关系图；
图2为本发明实施例提供的双向死区补偿原理图；
图3为本发明实施例提供的比例阀由右位向左位切换时的补偿方法流程图；
图4为本发明实施例提供的比例阀由左位向右位切换时的补偿方法流程图；
图5为本发明实施例提供的直接式死区补偿与基于深度的双向死区补偿方法对比图；
图6为本发明实施例提供的提出的双向死区补偿方式与未使用本方案的控制过程对比结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明是基于现有液压比例控制系统中比例阀的变死区特性而提出的，由于变死区特性的存在比例阀换向过程中易产生频繁的压力冲击导致执行机构的震荡，所以针对比例阀变死区的特性进行合理补偿有助于液压比例控制系统性能的提高。所提出的死区补偿方法有助于解决比例阀换向中存在的问题，创造性的提出了基于深度的补偿方案。
其中，比例阀的死区特性如图1所示，其中Dl、Dr分别表示比例阀两个工作位的死区值，可以看到在Dl与Dr之间的区域，比例阀的阀芯的有效位移x为零，表示在这一区段内没有流量通过。比例阀的死区特性受到油液的温度、供油压力、负载变化以及阀芯磨损等诸多因素的影响而呈现一定范围内的时变强非线性特性。
本发明针对比例阀在一个固定的区间内的变死区特性提出基于深度的双向死区补偿策略。其具体原理是指在死区估测值的基础上分别向死区内部延伸，直至超越死区的变化区间以确保完全进入到比例阀的死区中，延伸区段定为“深度”，分别以Depr、Depl表示，如图2所示。图中的横轴表示控制器产生的控制信号uc，纵轴表示经过死区补偿后实际输出给比例阀的自动补偿控制指令信号uact，以图中横坐标轴的上半部分表示比例阀的右位工作区，下半部分为左位工作区。补偿策略中的“双向”在图中分别以实线和虚线表示，对应不同的换向操作。
结合图2，虚线表示的比例阀由右位向左位切换时的补偿区的补偿过程，图3示例性的示出了本发明实施例提供的比例阀由右位向左位切换时的补偿方法，包括：
步骤S1、获取控制信号uc以及比例阀右位死区深度Depr。
其中，Depr的值基于测量数据获得，测量数据的过程为：从零开始，逐渐加大比例阀的控制信号，并实时检测比例阀输出的流量，当输出流量大于0时记录当前加载到比例阀上的控制信号，以此方式经过多次测量，将获取值进行大小排列，其中最大值与最小值只差即为死区深度Depr，是为了保证比例阀处于中位完全关闭的状态。
步骤S2、判断控制信号uc与比例阀右位死区深度Depr的大小关系。
步骤S3、当该控制信号uc大于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dr-est的规律递减。
其中，步骤S3表示虚线中的第Ⅰ段，比例阀处于右位工作，此时控制信号uc为正，比例阀的自动补偿指令信号uact跟随控制信号uc做平行的等值变化，与直接式的死区补偿方法相同。
步骤S4、当该控制信号0>uc≥Depr时，比例阀不换向仍保持右位工作，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式
Figure BDA0002056750680000051
计算。其中，Dr-est表示比例阀右位死区估测值。
其中，步骤S4表示图2虚线在第Ⅱ段中，当控制信号uc小于0但是没有达到右位的深度下限Depr时，此时比例阀不换向仍保持右位工作，只是实际的比例阀的自动补偿指令信号uact跟随控制信号的减小且呈现连续、缓变的减小趋势以优化控制输出。这与直接的死区补偿方式下的比例阀跳转到左位工作的模式不同，保持阀的右位工作并逐渐减小其控制作用可以确保比例阀进行换向之前能够实现当前工作位的完全关闭，以尽可能减少系统压力的波动。在这个阶段中，比例阀的自动补偿指令信号uact跟随控制信号uc的变化趋势以二次函数的形式给出，实现第Ⅰ段到第Ⅱ段的平滑过渡。当uc继续减小到Depr时可认为当前工作位已关闭，此时完成比例阀右位到左位的换向操作。
另外，本发明采用
Figure BDA0002056750680000061
输出uact的过程可以确保比例阀进行换向之前能够实现当前工作位的完全关闭，以尽可能减少系统压力的波动。
步骤S5、当该控制信号uc小于Depr时，比例阀由右位切换至左位工作，工作起点为Dl-est，且比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式uact＝uc+Dl-est+Ur计算。其中，Ur＝MAX(∫(uc-Depr)dt,Depr)-Depr。Ur为比例阀由右位切换到左位的快速补偿输出。
其中，步骤S5表示图2虚线在第Ⅲ段中，在第Ⅲ段中，控制信号uc已经小于右位的深度下限，此时阀也切换到左位工作，工作的起始点为Dl-est。随着控制信号uc的继续减小，指令信号uact需要快速去除第Ⅱ段的补偿过程中施加的深度影响，以提高系统响应的快速性，同时避免由死区深度引入的系统误差。在本阶段中设置了一个基于积分的补偿作用，以快速去除深度的影响，当指令信号uact与直接死区补偿模式下的控制输出一致后，再按照直接的补偿方法使得指令信号uact跟随控制信号uc做平行等值变化。
步骤S6、输出比例阀的自动补偿控制指令信号uact。
结合图2，实线表示的比例阀由左位向右位切换时的补偿区的补偿过程，图3示例性的示出了本发明实施例提供的比例阀由左位向右位切换时的补偿方法包括：
步骤A1、获取控制信号uc及获取比例阀左位死区深度Depl。
步骤A2、判断控制信号uc与比例阀左位死区深度Depl的大小关系。
步骤A3、当该控制信号uc小于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dl-est的规律递增。
步骤A4、当该控制信号0<uc≤Depl时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式
Figure BDA0002056750680000071
计算。其中，Dl-est表示比例阀左位死区估测值。
步骤A5、当该控制信号uc大于Depl时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式uact＝uc+Dr-est+Ul计算。其中，Ul＝MIN(∫(uc-Depl)dt,Depl)-Depl。其中，Ul比例阀由左位切换到右位的快速补偿输出。
步骤A6、输出比例阀的自动补偿控制指令信号uact。
参见图5，直接式死区补偿与基于深度的双向死区补偿方法对比，基于图5的对比，本发明实施例通过基于深度的双向死区补偿策略，可提高液压比例控制系统的性能，优化比例伺服控制系统在比例阀换向过程中的动态性能，提高控制精度、降低结构损伤的概率
实施案例
已在52米长五节臂混凝土泵车的智能臂架控制系统中针对比例阀的变死区特性应用此方案，实现了臂架的平稳运行，实现较高的伺服控制精度，如图6所示，应用所提出的双向死区补偿方式与未使用本方案的控制过程对比结果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种基于深度的液压比例阀双向死区补偿方法，其特征在于，包括：比例阀由右位向左位切换时的补偿方法以及比例阀由左位向右位切换时的补偿方法：
所述比例阀由右位向左位切换时的补偿方法包括：
S1.获取控制信号uc，及比例阀右位死区深度Depr；
S2.判断控制信号uc与比例阀右位死区深度Depr的大小关系；
S3.当所述控制信号uc大于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dr-est的规律递减；
其中，步骤S3表示虚线中的第Ⅰ段，比例阀处于右位工作，此时控制信号uc为正，比例阀的自动补偿指令信号uact跟随控制信号uc做平行的等值变化；
S4.当所述控制信号0>uc≥Depr时,比例阀不换向仍保持右位工作，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式
Figure FDA0004062408620000011
计算；其中，Dr-est表示比例阀右位死区估测值；
其中，步骤S4表示虚线在第Ⅱ段中，当控制信号uc小于0但是没有达到右位的深度下限Depr时，此时比例阀不换向仍保持右位工作，只是实际的比例阀的自动补偿指令信号uact跟随控制信号的减小且呈现连续、缓变的减小趋势以优化控制输出；
S5.当所述控制信号uc小于Depr时，比例阀由右位切换至左位工作，工作起点为Dl-est，且比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式uact＝uc+Dl-est+Ur计算；其中，Ur＝MAX(∫(uc-Depr)dt,Depr)-Depr；Ur为比例阀由右位切换到左位的快速补偿输出；
其中，步骤S5表示虚线在第Ⅲ段中，在第Ⅲ段中，控制信号uc已经小于右位的深度下限，此时阀也切换到左位工作中，工作的起始点为Dl-est；
输出比例阀的自动补偿控制指令信号uact；
所述比例阀由左位向右位切换时的补偿方法包括：
获取控制信号uc，及比例阀左位死区深度Depl；
判断控制信号uc与比例阀左位死区深度Depl的大小关系；
当所述控制信号uc小于等于0时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按照uact＝uc+Dl-est的规律递增；
当所述控制信号0<uc≤Depl时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式
Figure FDA0004062408620000021
计算；其中，Dl-est表示比例阀左位死区估测值；
当所述控制信号uc大于Depl时，比例阀的自动补偿控制指令信号uact按式uact＝uc+Dr-est+Ul计算；其中，Ul＝MIN(∫(uc-Depl)dt,Depl)-Depl；其中，Ul比例阀由左位切换到右位的快速补偿输出；
S6.输出比例阀的自动补偿控制指令信号uact；
Depr的值基于测量数据获得，测量数据的过程为：从零开始，逐渐加大比例阀的控制信号，并实时检测比例阀输出的流量，当输出流量大于0时记录当前加载到比例阀上的控制信号，以此方式经过多次测量，将获取值进行大小排列，其中最大值与最小值之差即为死区深度Depr。
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