CN111352450B - 一种数字比例阀流量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字比例阀控制技术领域，公开了一种数字比例阀流量控制系统包括数字比例阀、采集单元、阀控单元、传输单元和流量标定单元；采集单元获取数字比例阀工况参数并传输至阀控单元；阀控单元获取采集单元发送的数字比例阀工况参数，并通过传输单元发送至流量标定单元；流量标定单元根据数字比例阀工况参数获得标定流量，生成标定流量表；阀控单元再通过标定流量表中的标定流量与需求流量确定偏差流量，并根据偏差流量调整数字比例阀中主阀口的开度；标定流量表包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差、主阀口的开度和标定流量。本发明的数字比例阀流量控制系统直接以流量为参考调整数字比例阀的主阀芯位置，实现真正的流量控制。

Description

一种数字比例阀流量控制系统及方法

技术领域

本发明属于数字比例阀控制技术领域，具体涉及一种基于云端查表和在线标定技术的数字比例阀流量控制系统及方法。

背景技术

现有的流量控制阀都是借助阀芯位置的反馈，通过调节阀口过流面积大小，从而获得近似一定的流量，但并未实现真正的流量控制。其中，在上述控制过程中直接将阀口的形状近似为理想的薄壁孔口型，但是在实际情况中阀口的形状是远远不能达到这种理想的薄壁孔口型。同时，在上述控制过程中直接将介质温度和负载的变化设定为常量，而忽略了由温度和负载的实时变化所引起的流量不稳定现象。

比例阀作为液压控制系统中一种重要的控制元件，被广泛应用于负载位置、速度、力等的控制。在进行控制时，为了达到近似流量稳定的效果，往往在结构上增加流量补偿装置，即在节流阀上串联定差减压阀形成阀前补偿或者并联溢流阀形成阀后补偿，利用液压反馈的方式获得阀的前后压差，使阀的输出流量达到近似稳定。但是，这种设计方法不仅增大了比例阀的体积、增加了比例阀的制造成本以及比例阀的控制难度，而且该补偿结构也仅仅是考虑了负载变化对流量产生的影响，并没有解决由于油液温度变化所导致油液粘度和流量系数的变化，以及由于阀口形式不理想所引起的负载速度控制误差。

因此，无论是现有的常规流量控制阀还是比例阀，都是通过对阀芯位置的控制来调整阀口开度，并未实现对流量的直接控制，即便是在比例阀中通过设置流量补偿装置降低负载变化对流量产生的影响，但是并没有解决介质温度以及阀口并非为完全理想形状而对流量产生的影响，无法真正达到对流量精准控制的效果。

发明内容

为了实现常规流量控制阀和比例阀进行真正的流量控制，本发明提出了一种基于云端查表和在线标定技术数字比例阀的流量控制系统及方法。其中数字比例阀的流量控制系统包括数字比例阀、采集单元、阀控单元、传输单元和流量标定单元；

所述采集单元，用于获取数字比例阀工况参数并传输至所述阀控单元，其中数字比例阀工况参数包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差以及主阀口的开度；

所述阀控单元，用于获取所述采集单元发送的数字比例阀工况参数，并将数字比例阀工况参数通过所述传输单元发送至所述流量标定单元，用于通过所述传输单元获取所述流量标定单元生成的标定流量表，根据所述标定流量表中的标定流量与需求流量确定偏差流量，并根据偏差流量调整数字比例阀中主阀口的开度；

所述流量标定单元，用于获取所述阀控单元发送的数字比例阀工况参数，并根据数字比例阀工况参数进行流量检测和标定，生成标定流量表；所述标定流量表包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差、主阀口的开度和标定流量。

优选的，所述流量标定单元采用无载油缸式动态流量计进行流量检测和标定。

优选的，所述传输单元包括第一信号发送接收器、第二信号发送接收器和云服务器；其中，所述第一信号发送接收器与所述阀控单元连接，第二信号发送接收器与所述流量标定单元连接，所述第一信号发送接收器和所述第二信号发送接收器分别与所述云服务器连接，并通过所述云服务器进行数字比例阀工况参数和标定流量表的存储交换。

优选的，所述数字比例阀采用先导式数字比例阀，包括先导控制级和主阀；所述先导控制级由两个常闭型高速开关电磁阀和两个常开型高速开关电磁阀组成，两个常闭型高速开关电磁阀的进油口均与压力油连通，两个常闭型高速开关电磁阀的出油口分别与主阀中主阀芯的左右两个控制油腔连通，两个常开型高速开关电磁阀的进油口分别与主阀中主阀芯的左右两个控制油腔连通，两个常开型高速开关电磁阀的出油口均与回油箱连通。

进一步优选的，所述阀控单元包括控制器和功率放大器；所述控制器根据偏差流量确定偏差位移，并根据PID控制算法由功率放大器发出控制信号，以驱动所述先导控制级对主阀口的开度进行调整。

优选的，所述采集单元利用LVDT位置传感器获取主阀芯的位置，进而确定主阀口的开度，并且所述阀控单元可以根据调整后主阀芯的位置与偏差位移之间的关系，再次调整数字比例阀中主阀口的开度。

一种数字比例阀流量控制方法，采用上述所述的数字比例阀流量控制系统进行流量控制，具体包括以下步骤：

步骤S1，获取数字比例阀工况参数，包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差以及主阀口的开度；

步骤S2，根据步骤S1中获取的数字比例阀工况参数进行流量检测和标定，获得标定流量，并生成对应的标定流量表，所述标定流量表中包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差、主阀口的开度以及标定流量；

步骤S3，根据标定流量和需求流量确定偏差流量，由偏差流量确定对应的偏差位移进行数字比例阀中主阀口的开度调整。

优选的，所述步骤S2中生成的标定流量表通过云服务器进行存储和获取。

优选的，所述步骤S2中采用无载油缸式动态流量计进行流量检测和标定，并获得相应的标定流量。

优选的，在所述步骤S3中，根据偏差位移调整数字比例阀中主阀口开度的具体过程为：

步骤S31，根据偏差位移调整数字比例阀中主阀芯的位置，获取调整后数字比例阀的主阀芯位置变化；

步骤S32，根据调整后数字比例阀的主阀芯位置变化与偏差位移的关系，再次进行数字比例阀中主阀芯的位置调整；

步骤S33，重复步骤S31和步骤S32，直至调整后数字比例阀的主阀芯位置变化与偏差位移保持一致。

相较于现有常规流量控制阀和比例阀进行的流量控制，采用本发明的流量控制系统进行流量控制时，具有以下有益技术效果：

1、在本发明中，根据需求流量对主阀芯位置调整后的数字比例阀进行相关工况参数获取，并进行相关工况参数传输至实验室环境中的流量标定单元中获得该相关工况参数对应的标定流量，进而根据标定流量与需求流量之间的流量偏差直接控制和完成主阀芯的位置调整。这样，通过以数字比例阀实时工况参数对应的标定流量为参考进行主阀芯位置的调整控制，就可以将实际会影响流量的介质温度、阀口形状等因素一并纳入考虑，实现真正的流量控制，避免了在现有技术中仅根据需求流量所对应理论阀芯位置与实际阀芯位置之间的关系进行调整过程中，由于忽略介质温度和阀口形状等因素对实际流量所产生的影响而导致最终调整后的实际流量与需求流量之间实质上仍然存在偏差的问题。

2、在本发明中，通过利用无线传输和云服务器技术，不仅可以实现多个不同现场数字比例阀与实验室流量标定单元之间的实时在线标定处理，提高对多个不同现场数字比例阀进行流量控制的效率，而且利用云服务器对标定流量表的存储，可以形成云数据库进行大量流量标定数据的存储共享，从而根据相关参数可以直接对云服务器中存储的标定流量表进行查询快速获取对应的标定流量数据，进一步提高对现场数字比例阀的流量控制效率。

附图说明

图1为本实施例数字比例阀流量控制系统的结构示意图；

图2为本实施例数字比例阀流量控制系统的连接示意图；

图3为本实施例中标定流量表的示意图；

图4为本实施例数字比例阀流量控制方法的流程示意图；

图5为本实施例中调整数字比例阀中主阀口开度的流程示意图；

图6本实施例数字比例阀流量控制方法的控制过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

结合图1至图3所示，本实施例数字比例阀流量控制系统包括数字比例阀1、采集单元2、阀控单元3、传输单元4和流量标定单元5。其中，数字比例阀1位于现场系统中，用于对现场系统进行直接实时的流量控制。

采集单元2，用于获取数字比例阀1的相关参数并传输至阀控单元3处。其中，所获取的数字比例阀工况参数包括流过主阀口的介质温度T、主阀口两侧的压力差△P以及主阀口的开度Xv。其中，主阀口的开度可以通过对主阀芯位置的检测获得。

阀控单元3，用于获取采集单元2发送的数字比例阀工况参数，并将数字比例阀工况参数通过传输单元4发送至流量标定单元5处，同时通过传输单元4获取流量标定单元5生成的标定流量表，并且根据标定流量表中的标定流量与需求流量确定偏差流量，进而根据偏差流量对数字比例阀的主阀口开度进行调整。

优选的，在本实施例中，当阀控单元获得标定流量与需求流量之间的偏差流量之后，首先将偏差流量转换为主阀芯的偏差位移，之后根据偏差位移对数字比例阀中主阀芯的位置进行直接调整，从而完成对主阀口的开度调整。其中，需求流量指的是现场系统需要由该数字比例阀控制调节的流量，而且该需求流量通过预先存储或实时输入至阀控单元中。

流量标定单元5，用于获取阀控单元3发送的数字比例阀工况参数，并根据数字比例阀工况参数进行流量检测和标定，生成标定流量表。其中，标定流量表包括流过主阀口的介质温度T、主阀口两侧的压力差△P、主阀口的开度Xv以及对应的标定流量Q。

在本实施例中，流量标定单元位于实验室环境中，并且采用无载油缸式动态流量计进行流量检测和标定。这样，可以精准还原现场所获取的工况参数，准确控制流量标定过程中的参数变化，保证最终所获得标定流量的精准度。同时，在流量标定单元中同样设有对应的控制器和测试台，用于处理数据和执行流量标定操作，其中测试台中使用与现场结构相同的数字比例阀，进一步提高和保证所获得标定流量的精准度。

此时，根据现场数字比例阀根据需求流量进行动作后所形成的相关工况参数，利用流量标定单元获取相应工况参数下的标定流量，也就是当前工况下现场数字比例阀的实际流量，再根据该标定流量与现场系统需求流量之间存在的偏差流量，对数字比例阀的主阀口开度进行调整。

这样，就可以直接以流量作为调节的参考对象进行现场系统中数字比例阀的流量控制，并且在确定偏差流量的过程中，将实际会影响流量的介质温度、阀口形状等因素一并纳入考虑，从而避免了在现有技术中获取阀芯实际位置数据后，仅根据需求流量所对应理论阀芯位置与实际阀芯位置之间的关系进行调整而完全忽略介质温度和阀口形状等因素对实际流量所产生的影响，并由此导致闭环控制过程中并未真正进行流量控制的问题。

结合图2所示，在本实施例中，传输单元4包括第一信号发送接收器41、第二信号发送接收器42和云服务器43。其中，第一信号发送接收器41位于现场并且通过CAN总线与阀控单元3连接，第二信号发送接收器42位于实验室并且通过CAN总线与流量标定单元5连接，同时，第一信号发送接收器41和第二信号发送接收器42利用无线传输技术，例如5G技术，分别与云服务器43形成连接，进而通过云服务器43进行数字比例阀工况参数和标定流量表的存储、交换和获取。

此时，利用云服务器进行现场和实验室之间数据的传输和存储，可以实现以实验室为中心，同时对多个位于不同区域的现场提供流量标定的处理效果，而且还可以对生成的所有标定流量表进行云存储共享，以便于位于不同区域的现场根据各自情况直接在云服务器中查找和获取对应的标定流量表，从而避免针对同种数字比例阀的相同参数反复进行流量标定处理，从而提高数据获取的速度，提高整个流量控制系统的效率。

在本实施例中，数字比例阀1采用先导式数字比例阀，包括先导控制级11和主阀12。其中，先导控制级11采用高速开关阀桥形式，由两个常闭型高速开关电磁阀和两个常开型高速开关电磁阀组成，两个常闭型高速开关电磁阀的进油口均与先导压力油连通，两个常闭型高速开关电磁阀的出油口分别与主阀中主阀芯的左右两个控制油腔连通，两个常开型高速开关电磁阀的进油口分别与主阀中主阀芯的左右两个控制油腔连通，两个常开型高速开关电磁阀的出油口均与回油箱连通。

同时，阀控单元3包括控制器31和功率放大器32。其中，控制器31可以采用PLC控制方式，并且根据偏差位移和PID控制算法控制功率放大器32发出四个PWM控制信号，分别对四个高速开关电磁阀进行动作控制，从而形成对主阀芯位置的调整改变。

此外，在本实施例中，采集单元中用于获取流经主阀口介质温度的温度传感器、用于获取阀口两侧压力差的压力传感器以及用于获取主阀芯位置的位置传感器均采用嵌入式传感器，并且镶嵌固定在主阀的阀体上。这样，不仅可以提高所获取参数的精准度，而且还可以实现整个数字比例阀的高集成度，以便于现场进行数字比例阀的安装和使用。同样，在其他实施例中，根据具体情况以及所选数字比例阀的结构形式，也可以调整传感器的安装位置，例如将压力传感器布设在与主阀进出口连接的管路上，通过对管路中介质压力检测获取阀口两侧压力差。

在本实施例中，采集单元利用LVDT位置传感器对主阀芯的位置进行实时检测并且将检测结果传输至控制器中。这样，在通过先导控制级对主阀的阀芯位置进行调整的过程中，控制器根据LVDT位置传感器检测获得的主阀芯位置变化，可以实时调整由功率放大器发出的四个PWM控制信号，从而对主阀的主阀芯位置调整形成局部位置闭环反馈控制，提高对主阀的阀口开度调整精度和效率。

另外，在数字比例阀上还布设了多个压力传感器，分别用于检测主阀中主阀芯左右两个控制腔的油液压力、先导压力油压力以及主阀的回油压力，从而更加全面、精准的控制数字比例阀执行动作。同时，还设有负载敏感口LS以及一个梭阀，梭阀的一端入口连接数字比例阀的出口，另一端入口可以扩展连接其他阀片，从而对变量泵排量进行调节控制。

结合图4和图6所示，本实施例的数字比例阀流量控制系统进行流量控制的具体过程包括：

步骤S1，获取数字比例阀工况参数，包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差以及主阀口的开度。通过固定在数字比例阀上的压力传感器、温度传感器和LVDT位置传感器对数字比例阀的当前工况参数进行采集获取，并且传输至阀控单元。

步骤S2，根据步骤S1中获取的数字比例阀工况参数进行流量检测和标定，获得当前参数下的标定流量，并生成对应的标定流量表，其中标定流量表中包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差、主阀口的开度以及标定流量。

优选的，在该步骤中，首先，在阀控单元获取当前数字比例阀的工况参数后，通过传输单元将相关工况参数发送至云服务器中；接着，由位于实验室端的传输单元从云服务器中进行该相关工况参数的获取，并发送至流量标定单元采用无载油缸式动态流量计进行该相关参数下的流量标定处理，获得包括流过主阀口的介质温度T、主阀口两侧的压力差△P、主阀口的开度Xv以及对应的标定流量Q的标定流量表；然后，将该标定流量表回传至云服务器进行存储。

步骤S3，根据标定流量和需求流量确定偏差流量以及对应的偏差位移，并根据偏差位移调整数字比例阀中主阀口的开度。

在该步骤中，首先，阀控单元通过传输单元从云服务器中获取相关的标定流量表，并且根据标定流量表中的标定流量以及当前数字比例阀的需求流量确定偏差流量，进而通过智能控制算法获取该偏差流量对应的偏差位移，其中可以借助模糊控制算法或自适应控制算法进行偏差流量和偏差位移之间的转换，也可以采用其他方式根据偏差流量获取对应的偏差位移；接着，控制器根据偏差位移通过功率放大器输出四个PWM控制信号进行先导控制级中四个高速开关电磁阀的动作，进而调整主阀的主阀芯位置，达到调整主阀口开度的效果。

步骤S4，重复步骤S1至步骤S3，再次获取主阀芯位置调整后数字比例阀的当前工况参数以及对应的标定流量，对标定流量和需求流量进行比对获得当前偏差流量以及对应的偏差位移，并根据偏差位移再次调整数字比例阀中主阀口的开度，直至标定流量与需求流量相等为止。

以主阀芯的其中一个负载油口的流量为例进行控制过程介绍，其中，以主阀芯负载油口中油液流出时流量为正，油液流入时流量为负。当主阀在初始状态时，主阀芯保持关闭，通过负载油口的流量为零；当需求流量信号不为零并且为正流量时，主阀芯进行动作，获取主阀芯首次动作后的参数以及该参数工况下的标定流量，如果当前工况下的标定流量值小于需求流量值，则流量偏差为正值，控制高速开关阀桥动作使主阀芯左侧控制腔平均压力大于右侧控制腔平均压力，驱动主阀芯向右运动，主阀口开度增大，直至标定流量与需求流量相等；如果当前工况下的标定流量值等于需求流量值，则流量偏差为零，主阀芯左控制腔平均压力等于右控制腔平均压力，主阀口开度保持不变；如果当前工况下的标定流量值大于需求流量值，则流量偏差为负值，控制高速开关阀桥动作使主阀芯左控制腔平均压力小于右控制腔平均压力，驱动主阀芯向左运动，主阀口开度减小，直到标定流量与需求流量相等。

优选的，结合图5和图6所示，在步骤S3中，根据偏差位移调整数字比例阀中主阀口开度的过程采用主阀芯位置闭环反馈控制，具体过程为：

步骤S31，根据偏差位移调整数字比例阀中主阀芯的位置后，获取调整后数字比例阀的主阀芯位置变化。此时，利用LVDT位置传感器对主阀芯位置的变化进行实时检测，将主阀芯的位置检测数据发送至控制器，并与数字比例阀中主阀芯运动前的位置进行比对，获得主阀芯的位置变化。

步骤S32，根据调整后数字比例阀的主阀芯位置变化与偏差位移的关系，再次进行数字比例阀中主阀芯的位置调整。阀控单元中的控制器对主阀芯的位置变化与根据标定流量确定的偏差位移进行比对，调整由功率放大器输出的四个PWM控制信号，对主阀芯位置的调整进行修订。

步骤S33，重复步骤S31和步骤S32，直至数字比例阀的主阀芯位置变化与偏差位移保持一致，从而完成数字比例阀以标定流量为直接参考对象的流量调节控制。

Claims (10)

1.一种数字比例阀流量控制系统，其特征在于，包括数字比例阀、采集单元、阀控单元、传输单元和流量标定单元；

所述采集单元，用于获取数字比例阀工况参数并传输至所述阀控单元，其中数字比例阀工况参数包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差以及主阀口的开度；

所述阀控单元，用于获取所述采集单元发送的数字比例阀工况参数，并将数字比例阀工况参数通过所述传输单元发送至所述流量标定单元，用于通过所述传输单元获取所述流量标定单元生成的标定流量表，根据所述标定流量表中的标定流量与需求流量确定偏差流量，并根据偏差流量调整数字比例阀中主阀口的开度；

所述流量标定单元，用于获取所述阀控单元发送的数字比例阀工况参数，并根据数字比例阀工况参数进行流量检测和标定，生成标定流量表；所述标定流量表包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差、主阀口的开度和标定流量。

2.根据权利要求1所述的数字比例阀流量控制系统，其特征在于，所述流量标定单元采用无载油缸式动态流量计进行流量检测和标定。

3.根据权利要求1所述的数字比例阀流量控制系统，其特征在于，所述传输单元包括第一信号发送接收器、第二信号发送接收器和云服务器；其中，所述第一信号发送接收器与所述阀控单元连接，第二信号发送接收器与所述流量标定单元连接，所述第一信号发送接收器和所述第二信号发送接收器分别与所述云服务器连接，并通过所述云服务器进行数字比例阀工况参数和标定流量表的存储交换。

4.根据权利要求1所述的数字比例阀流量控制系统，其特征在于，所述数字比例阀采用先导式数字比例阀，包括先导控制级和主阀；所述先导控制级由两个常闭型高速开关电磁阀和两个常开型高速开关电磁阀组成，两个常闭型高速开关电磁阀的进油口均与压力油连通，两个常闭型高速开关电磁阀的出油口分别与主阀中主阀芯的左右两个控制油腔连通，两个常开型高速开关电磁阀的进油口分别与主阀中主阀芯的左右两个控制油腔连通，两个常开型高速开关电磁阀的出油口均与回油箱连通。

5.根据权利要求4所述的数字比例阀流量控制系统，其特征在于，所述阀控单元包括控制器和功率放大器；所述控制器根据偏差流量确定偏差位移，并根据PID控制算法由功率放大器发出控制信号，以驱动所述先导控制级对主阀口的开度进行调整。

6.根据权利要求5所述的数字比例阀流量控制系统，其特征在于，所述采集单元利用LVDT位置传感器获取主阀芯的位置，进而确定主阀口的开度，并且所述阀控单元可以根据调整后主阀芯的位置与偏差位移之间的关系，再次调整数字比例阀中主阀口的开度。

7.一种数字比例阀流量控制方法，其特征在于，采用上述权利要求1-6中任意一项所述的数字比例阀流量控制系统进行流量控制，具体包括以下步骤：

步骤S1，获取数字比例阀工况参数，包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差以及主阀口的开度；

步骤S2，根据步骤S1中获取的数字比例阀工况参数进行流量检测和标定，获得标定流量，并生成对应的标定流量表，所述标定流量表中包括流过主阀口的介质温度、主阀口两侧的压力差、主阀口的开度以及标定流量；

步骤S3，根据标定流量和需求流量确定偏差流量，由偏差流量确定对应的偏差位移进行数字比例阀中主阀口的开度调整。

8.根据权利要求7所述数字比例阀的流量控制方法，其特征在于，所述步骤S2中生成的标定流量表通过云服务器进行存储和获取。

9.根据权利要求7所述数字比例阀的流量控制方法，其特征在于，所述步骤S2中采用无载油缸式动态流量计进行流量检测和标定，并获得相应的标定流量。

10.根据权利要求7所述数字比例阀的流量控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据偏差位移调整数字比例阀中主阀口开度的具体过程为：

步骤S31，根据偏差位移调整数字比例阀中主阀芯的位置，获取调整后数字比例阀的主阀芯位置变化；

步骤S32，根据调整后数字比例阀的主阀芯位置变化与偏差位移的关系，再次进行数字比例阀中主阀芯的位置调整；

步骤S33，重复步骤S31和步骤S32，直至调整后数字比例阀的主阀芯位置变化与偏差位移保持一致。

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