CN111222206B - 数字阀组的构型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于最佳匹配系数的数字阀组的构型设计方法，依据流量区域划分方法提出了开关阀组编码形式等步长原则，在此基础上提出了数字阀组构型设计方法及评价指标，包括多种编码形式下的流量偏差、平均冲击程度、冗余度及状态切换流量冲击程度，这些评价指标的意义在于对于评判所设计数字阀组的优劣时给出了定量的指标，在此基础上提出了一种基于最佳匹配系数的数字阀组构型设计方法，解决了数字阀组中数字阀的数量及各数字阀的额定流量如何确定的难题，保证了数字液压系统中数字阀流量的精确控制。

Description

数字阀组的构型设计方法

技术领域

本发明涉及液压开关控制领域，具体属于一种基于最佳匹配系数的数字阀组的构型设计方法。

背景技术

理论上，数字阀组采用不同编码形式，通过控制液阻间的启闭状态实现流量的输出控制。然而数字阀组构型方式较为复杂，不同构型方法会对阀组的流量输出特性产生不同效果的影响，如何确定数字阀组的数字阀的数量及各数字阀的额定流量是一个难题。

发明内容

本发明依据流量区域划分方法提出了开关阀组编码形式等步长原则，在此基础上建立了多项评价指标，并提出了数字阀组构型的设计方法，解决了数字阀组中数字阀的数量及各数字阀的额定流量如何确定的难题。

本发明采用以下技术方案：

一种数字阀组的构型设计方法，其包括以下步骤：

步骤1：在j种编码形式中，选取第m种编码形式；

步骤2：初始设定m＝1；

步骤3：初始设定数字阀组中数字阀的数量n＝2；

步骤4：计算数字阀组的平均冲击程度ρ和冗余度f；

步骤5：采用流量轴等步长划分法，进行数字阀组流量区域划分；

步骤6：计算数字阀组位数N和最小流量Q_min；

步骤7：判断数字阀组位数N和初始设定n的大小，如果N大于n，则进行步骤8，反之令n＝n+1继续进行步骤3；

步骤8：计算状态切换流量冲击程度σ和计算流量误差度ε；其中所述状态切换流量冲击程度σ确定方法如下：

所述状态切换流量冲击程度影响程度σ包含最高冲击幅值σ₁和总体冲击流量σ₂，其中最高冲击幅值σ₁计算表达式如下：

式中：q_i(t)为第i个阀t时刻的输出流量，t^j _off为第j个阀关闭延迟时间；

总体冲击流量σ₂计算表达式为：

所述数字阀组流量冲击程度影响程度σ通过以下表达式获得：

σ＝α₂σ₁+β₂σ₂ (15)

α₂+β₂＝1 (16)

式中：α₂为峰值流量冲击对流量冲击的影响系数，β₂为总体冲击流量对流量冲击的影响系数，二者均为0到1之间的无量纲常数；

所述流量误差度ε计算表达式如下：

式中：t为工作周期，q_out为输出流量，q_ref为参考流量；

为便于衡量评比，将所述数字阀组流量误差度ε进行归一化处理，归一化表达式为：

归一后的流量误差度ε¹介于0和1之间，并且随着流量误差值的增加而增大，此值越小则说明流量控制精度越高；

步骤9：计算最佳匹配系数η_m；

所述最佳匹配系数η_m计算表达式为：

η_m＝α₃·σ+β₃·ε¹ (19)

α₃+β₃＝1 (20)

式中：α₃为数字阀组流量冲击程度的影响系数，β₃为流量误差度的影响系数，二者均为0到1之间的无量纲常数；

步骤10：判断m和j的大小，如果m≤j，则m＝m+1，进行步骤3；如果m≥j，进行步骤11；

步骤11：从所有编码形式对应的最佳匹配系数η中选出最佳的匹配系数η_k。

优选地，步骤4所述的数字阀组平均冲击程度ρ计算表达式为：

式中：e为不良数，表示开始状态接换到结束状态过程中产生的影响，具体计算为取开始状态和结束状态的OR运算，计算相应的流量，然后减去开始状态流量、结束状态流量中的较大值；Q_min为数字阀组流量等级最小值，Q_max为数字阀组流量等级最大值，Q′_max为数字阀组流量等级最大值与最小值的比值，Q_i为开关阀组第i个流量等级数值；

所述的数字阀组冗余度f计算表达式为：

式中：b为数字阀组的离散流量个数。

优选地，步骤6所述的数字阀组位数N计算表达式，所述的数字阀组最小流量Q_min计算表达式，两个计算表达式如下：

所述数字阀组数字阀位数N的计算表达式为：

λ＝α₁·ρ+β₁·f (6)

α₁+β₁＝1； (7)

所述数字阀组最小流量Q_min的计算表达式为：

Q_min＝λ·Q_max (8)

式中：λ为数字阀组编码形式影响系数，l为中间变量，Q_max为系统要求得到数字阀组所需提供的最大流量，a为延迟时间，[t]为数字阀组许用时间间隔，并且均是介于0到1之间的无量纲数，α₁、β₁为不同的系统要求给定相应的一组的权重系数。

优选地，步骤1所述的编码形式包括等差数列编码、二进制编码形式、斐波那契编码形式和脉冲数编码形式。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1).本发明提出了开关阀组编码形式等步长原则，在此基础上提出了包括多种编码形式下的流量偏差、平均冲击程度、冗余度及状态切换流量冲击程度在内的多项评价指标，为评判数字阀组优劣建立了定量的指标；

2).本发明提供一种数字阀组的构型设计方法，解决了数字阀组中数字阀的数量及各数字阀的额定流量如何确定的难题，本发明保证了数字液压系统中数字阀流量的精确控制。

附图说明

图1为本发明数字阀组的构型设计方法的流程图；

图2为本发明的数字阀组中各数字阀连接关系图；以及

图3为本发明数字阀组的构型设计方法中流量区域划分方法图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

本发明的数字阀组流程图如图1所示，数字阀组中各数字阀连接关系如图2所示。

一种数字阀组的构型设计方法，包括以下步骤：

步骤1：在包含二进制编码形式、斐波那契编码形式、脉冲数编码形式等多种编码形式的j种编码形式中，选取第m种编码形式；

步骤2：初始设定m＝1；

步骤3：初始设定数字阀组中数字阀的数量n＝2；

步骤4：计算数字阀组的平均冲击程度ρ和冗余度f；

平均冲击程度ρ计算表达式、冗余度f计算表达式分别如下：

数字阀组平均冲击程度ρ计算表达式为：

式中：e为不良数，表示开始状态接换到结束状态过程中产生的影响，具体计算为取开始状态和结束状态的OR运算，计算相应的流量，然后减去开始或结束状态流量中较大值；Q_min数字阀组流量等级最小值，Q_max数字阀组流量等级最大值，Q′_max数字阀组流量等级最大值与最小值的比值，Q_i为开关阀组第i个流量等级数值(L/min)。

不良数的计算举例如下：以3位二进制编码为例，其中1表示开关阀完全开启，0表示开关阀完全关闭，则初始状态为[1 1 0](3L/min)切换到结束状态[0 0 1](4L/min)时，阀1和阀2关闭、阀3开启存在冲击。则

平均冲击ρ计算举例如下：以3位二进制编码为例，并设定数字阀组流量等级最小值为21，则通过式(2)计算得到7种等级的流量依次切换时的不良数，如表1所示。

表1 二进制编码规则(1-2-4)下的不良数

则此时，平均冲击程度ρ为：

数字阀组冗余度f计算表达式为：

式中：n为数字阀组中数字阀的数量，b为数字阀组的离散流量个数。

冗余度f计算举例如下：以3位二进制编码为例，则数字阀组的离散流量个数b为b＝1+2+4＝7。

步骤5：进行数字阀组流量区域划分，本发明中数字阀组流量区域划分是采用流量轴等步长划分方法，如图3所示，将系统要求的最大输出流量Q的曲线中的y轴，以某一固定步长ΔQ进行划分，即数字阀组编码形式应必须满足等步长原则，如采用流量增益满足(1,1,2,3,5,8等)的斐波那契数列编码，即从第3位开始，数列中第i位数值为第i-1位和第i-2位数值之和，步长相等且为1。

步骤6：计算数字阀组位数N和最小流量Q_min；

数字阀组位数N计算表达式、数字阀组最小流量Q_min计算表达式如下：

数字阀组数字阀位数N计算表达式为：

λ＝α₁·ρ+β₁·f (6)

α₁+β₁＝1 (7)

Q_min＝λ·Q_max (8)

式中：λ为数字阀组编码形式影响系数，l为中间变量，Q_max为系统要求得到数字阀组所需提供的最大流量，a为延迟时间，[t]为数字阀组许用时间间隔，并且均是介于0到1之间的无量纲数，α₁、β₁为不同的系统要求给定相应的一组的权重系数；

步骤7：判断数字阀组位数N和初始设定n的大小，如果N大于n，则进行步骤8，反之令n＝n+1继续进行步骤3；

步骤8：计算状态切换流量冲击程度σ和计算流量误差度ε；

其中，状态切换流量冲击程度σ包含最高幅值冲击程度σ₁和总体流量冲击程度σ₂两部分，状态切换流量冲击程度σ和流量误差度ε计算表达式如下：

将其归一化后可得：

最高幅值冲击程度σ₁计算表达式为：

式中：t^ij为第i个阀开启与第j个阀同时关闭的切换时间，

为第i个阀开启延迟时间，

为第j个阀关闭延迟时间，n数字阀组位数。

总体流量冲击程度σ₂计算表达式为：

将其归一化后可得：

数字阀组流量冲击程度影响程度σ通过以下表达式获得：

σ＝α₂σ₁+β₂σ₂ (15)

α₂+β₂＝1 (16)

式中：α₂为峰值流量冲击对流量冲击的影响系数，β₂为总体冲击流量对流量冲击的影响系数，二者均为0到1之间的无量纲常数。

流量误差度ε计算表达式为：

式中：T为工作周期，q_out为输出流量，q_ref为参考流量。

为了衡量评比方便，将数字阀组流量误差度ε进行归一化处理，通过以下表达式获得：

归一后的流量误差度ε¹介于0和1之间，并且随着流量误差值的增加而增大。因此，此值越小说明流量控制精度越高。

步骤9：计算最佳匹配系数η_m；

η_m＝α₃·σ+β₃·ε¹+γ₃ρ-ξ₃f (19)

α₃+β₃+γ₃-ξ₃＝1 (20)

式中：α₃为数字阀组流量冲击程度的影响系数，β₃为流量误差度的影响系数，γ₃为阀组编码形式对冲击的平均影响程度的影响系数，ξ₃为系统冗余度系数的影响程度，四者均为0到1之间的无量纲常数；

步骤10：判断m和j的大小，如果m≤j，则m＝m+1，进行步骤3；如果m≥j，进行步骤11；

步骤11：从所有编码形式对应的最佳匹配系数η选出最佳的匹配系数η_k。

本发明依据流量区域划分方法提出了开关阀组编码形式等步长原则，在此基础上提出了包括多种编码形式下的流量偏差、平均冲击程度、冗余度及状态切换流量冲击程度在内的多项评价指标，为评判数字阀组优劣建立了定量的指标；解决了数字阀组中数字阀的数量及各数字阀的额定流量如何确定的难题，保证了数字液压系统中数字阀流量的精确控制。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种数字阀组的构型设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1：在j种编码形式中，选取第m种编码形式；

步骤2：初始设定m＝1；

步骤3：初始设定数字阀组中数字阀的数量n＝2；

步骤4：计算数字阀组的平均冲击程度ρ和冗余度f；

步骤5：采用流量轴等步长划分法，进行数字阀组流量区域划分；

步骤6：计算数字阀组位数N和最小流量Q_min；

步骤7：判断数字阀组位数N和初始设定n的大小，如果N大于n，则进行步骤8，反之令n＝n+1继续进行步骤4；

步骤8：计算状态切换流量冲击程度σ和计算流量误差度ε；其中所述状态切换流量冲击程度σ确定方法如下：

所述状态切换流量冲击程度影响程度σ包含最高冲击幅值σ₁和总体冲击流量σ₂，其中最高冲击幅值σ₁计算表达式如下：

式中：q_i(t)为第i个阀t时刻的输出流量，t^j _off为第j个阀关闭延迟时间；t^ij为第i个阀开启与第j个阀同时关闭的切换时间；

总体冲击流量σ₂计算表达式为：

所述数字阀组流量冲击程度影响程度σ通过以下表达式获得：

σ＝α₂σ₁+β₂σ₂ (15)

α₂+β₂＝1 (16)

式中：α₂为峰值流量冲击对流量冲击的影响系数，β₂为总体冲击流量对流量冲击的影响系数，二者均为0到1之间的无量纲常数；

所述流量误差度ε计算表达式如下：

式中：T为工作周期，q_out为输出流量，q_ref为参考流量；

为便于衡量评比，将所述数字阀组流量误差度ε进行归一化处理，归一化表达式为：

归一后的流量误差度ε¹介于0和1之间，并且随着流量误差值的增加而增大，此值越小则说明流量控制精度越高；

步骤9：计算最佳匹配系数η_m；

所述最佳匹配系数η_m计算表达式为：

η_m＝α₃·σ+β₃·ε¹ (19)

α₃+β₃＝1 (20)

式中：α₃为数字阀组流量冲击程度的影响系数，β₃为流量误差度的影响系数，二者均为0到1之间的无量纲常数；

步骤10：判断m和j的大小，如果m≤j，则m＝m+1，进行步骤3；如果m≥j，进行步骤11；

步骤11：从所有编码形式对应的最佳匹配系数η_m中选出最佳的匹配系数。

2.根据权利要求1所述的数字阀组的构型设计方法，其特征在于：步骤4所述的数字阀组平均冲击程度ρ计算表达式为：

式中：e为不良数，表示开始状态接换到结束状态过程中产生的影响，具体计算为取开始状态和结束状态的OR运算，计算相应的流量，然后减去开始状态流量、结束状态流量中的较大值；Q_min为数字阀组流量等级最小值，Q_max为数字阀组流量等级最大值，Q′_max为数字阀组流量等级最大值与最小值的比值，Q_i为开关阀组第i个流量等级数值；

所述的数字阀组冗余度f计算表达式为：

式中：b为数字阀组的离散流量个数。

3.根据权利要求1所述的数字阀组的构型设计方法，其特征在于：步骤6所述的数字阀组位数N计算表达式，所述的数字阀组最小流量Q_min计算表达式，两个计算表达式如下：

所述数字阀组位数N的计算表达式为：

λ＝α₁·ρ+β₁·f (6)

α₁+β₁＝1； (7)

所述数字阀组最小流量Q_min的计算表达式为：

Q_min＝λ·Q_max (8)

式中：λ为数字阀组编码形式影响系数，l为中间变量，Q_max为系统要求得到数字阀组所需提供的最大流量，a为延迟时间，[t]为数字阀组许用时间间隔，并且均是介于0到1之间的无量纲数，α₁、β₁为不同的系统要求给定相应的一组的权重系数。

4.根据权利要求1所述的数字阀组的构型设计方法，其特征在于：步骤1所述的编码形式包括等差数列编码、二进制编码形式、斐波那契编码形式和脉冲数编码形式。

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