CN112780625A - 带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法 - Google Patents

带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法 Download PDF

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Abstract

带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1：获取比例阀实验数据；步骤2：设计流量控制阀的位置环PID；步骤3：设计流量控制阀的压力补偿环PID；步骤4：设计多回路流量及压力控制阀PID；步骤5：训练ELM极限学习机控制模型；步骤6：设计多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法。本发明提取了通过流量控制阀的位置环PID流量控制阀的压力补偿环PID实现对流量控制阀的闭环输出，提高了流量控制阀的控制精度，同时将回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制有效地消除了PID控制中出现的误差，实现流量阀的高精度流量和压力控制。

Description

带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法
技术领域
本发明涉及流体控制领域，特别设计带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法。
背景技术
目前流体控制领域对流量控制的流量阀主要是电液伺服阀和电液比例控制阀。电液伺服阀具有制造难度高，控制要求高，成本高并且对流体清洁度比较敏感等缺点；而电液比例控制阀只能在压力不变的情况下对流量进行比例控制，在进行流量控制过程中输入口和输出口的压力变化又将直接影响流量的变化，不能进行流量的精准控制。如果能够发明一种不随压力变化的流量控制阀必将在各种工业领域得到广泛应用。
一般比例阀可以线性的将电信号转化为管道的流量，而当阀芯处于零位时，比例阀将产生较大的死区，对于以零位为工作点的闭环系统，阀芯的死区将会严重影响系统的控制质量。所以想要获得良好的流量控制阀控制效果，就必须尽量减少流量控制阀死区对系统的影响，减少系统压力的影响，即不能用单一的来控制阀芯位移。
发明内容
为了解决上述存在问题。本发明提供带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，解决比例阀的流量控制问题，并且配套设计带有压力补偿的流量控制阀。为达此目的：
本发明带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，具体步骤如下：
步骤1：获取比例阀实验数据，通过比例阀测试试验台测试不同压力下，流量阀芯线圈电流及所对应的阀芯位移，流量阀芯所对应的阀芯压力，压力补偿阀芯线圈电流及所对应的压力值；
步骤2：设计流量控制阀的位置环PID，基于步骤1获得流量阀芯线圈电流及所对应的阀芯位移关系后，将指令信号作为输入设定值，流量阀芯位移作为测量值，进行PID运算，得到线圈电流输出值；
步骤3：设计流量控制阀的压力补偿环PID，基于步骤1获得流量阀芯及所对应的压力关系后，将流量阀芯位移作为输入设定值，压力作为测量值，进行PID运算，得到压力补偿阀芯线圈电流输出值；
步骤4：多回路流量及压力控制阀PID，将位置环PID作为前级PID控制，压力补偿环PID作为后级PID控制，组成多回路流量及压力控制阀PID；
步骤5：训练ELM极限学习机：将流量阀芯位移与指令偏差、压力补偿阀芯位移与压力偏差作为输入，流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出值作为输出训练ELM控制模型；
步骤6：设计多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法，将多回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制，补偿控制目标与实际之间的测量误差。
作为本发明方法进一步改进，所述步骤2中设计流量控制阀的位置环PID如下：
将流量控制阀的指令信号U(t)作为输入，将阀芯位移标定后的数据x(t)作为测量值，计算指令信号和标定后位移的偏差err1(t)：
err1(t)＝U(t)-x(t) (1)
通过流量控制阀的位置环PID运算，得到位置环阀芯线圈的电流输出I(t)：
Figure BDA0002913595830000021
式中，k是比例系数，Ti是积分时间，Td是微分时间，通过调试k，Ti，Td得到流量控制阀的位置环PID。
作为本发明方法进一步改进，所述步骤3中设计流量控制阀的压力补偿环PID如下：
将流量阀芯位移信号x(t)作为输入，将压力值标定后的数据p(t)作为测量值，计算指令信号和标定后位移的偏差err2(t)：
err2(t)＝x(t)-p(t) (3)
通过压力补偿环PID运算，得到压力补偿阀芯线圈的电流输出I1(t)：
Figure BDA0002913595830000031
式中，k1是比例系数，T1是积分时间，T1是微分时间，通过调试k1，T1，T1得到压力补偿环PID。
作为本发明方法进一步改进，所述步骤5中训练ELM控制模型如下：
步骤5.1分别将将流量阀芯位移与指令信号、压力补偿阀芯位移与压力信号进行等量程的标定，标定数据后求得流量阀芯位移与指令信号的偏差x1、压力补偿阀芯位移与压力信号偏差x2，并通过实验得到对应的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出y；
步骤5.2再初始化极限学习机输入权重Wi,i＝1,2,...,L和偏置bi,i＝1,2,...,L，L是隐含层的节点数；
步骤5.3将偏差数据xi,i＝1,2为网络输入，建立各个参数与输入向量、输出向量的关系：
Figure BDA0002913595830000032
其中，βj是输出权重，f(·)是激活函数，y为网络阀芯位移量输出；
步骤5.4通过损失函数求解极限学习机各个参数，损失函数表达式为：
Figure BDA0002913595830000033
式中，I1j是第j个样本所对的实测值，m是检测的样本数量，可令网络输出值y直接等于流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流，最终获得极限学习机的输入权重、偏置和输出权重，得到训练完成的ELM控制模型。
作为本发明方法进一步改进，所述步骤6中设计多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法如下：
将多回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制，分别将ELM控制模型的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出叠加到多回路流量及压力控制阀PID的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出中，获得多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制。
本发明提供一种带有压力补偿的流量控制阀，包括流量控制阀主体、流量阀芯、复位弹簧、压力补偿阀芯、压力设定弹簧、位移补偿弹簧片、弹簧帽和螺纹调整杆，所述流量控制阀主体底部一侧有输出口，所述流量控制阀主体底部另一侧有输入口和卸油口，所述流量控制阀主体上有流量阀部分和压力补偿阀部分，所述卸油口通过通道与流量阀部分和压力补偿阀部分相连，所述流量阀部分和压力补偿阀部分之间通过压力补偿通道相连，所述流量阀部分的流量阀芯通过复位弹簧安装在流量控制阀主体的流量阀部分内，流量阀芯下端朝下运动后将输出口通道挡住，所述压力补偿阀部分的压力补偿阀芯通过压力设定弹簧安装在流量控制阀主体的压力补偿阀部分内，所述压力补偿阀芯与上部螺纹调整杆之间有弹簧帽且弹簧帽的位移补偿弹簧片安装在压力补偿阀芯上端，压力补偿阀芯下端朝下运动后将卸油口通道挡住。
作为本发明结构进一步改进，所述上部螺纹调整杆通过机械连杆直接驱动或使用比例电磁铁驱动或伺服电机推杆驱动。
本发明一种带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，有益效果在于：
1.本发明方法提取了通过流量控制阀的位置环PID流量控制阀的压力补偿环PID实现对流量控制阀的闭环输出，提高了流量控制阀的控制精度；
2.本发明方法将回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制有效地消除了PID控制中出现的误差，实现流量阀的高精度流量和压力控制；
3.本发明方法为流量控制阀的控制提供了一种重要技术手段。
4.本发明结构流量的控制只跟阀芯的位移有关，不随负载压力的变化而变化；
5.本发明结构压力补偿阀芯具有位移补偿功能，能够减小阀芯移动产生的压力波动，提高流量的控制精度；
6.本发明结构控制简单灵活，流量阀芯可使用多种方式驱动；
7.本发明结构对环境要求低，制造和使用成本低。
附图说明
图1是多回路流量及压力控制阀PID控制图；
图2是多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制图；
图3是本申请结构示意图；
附图标记：
1、流量阀芯；2、复位弹簧；3、压力补偿阀芯；4、压力设定弹簧；5、位移补偿弹簧片6、弹簧帽；7、螺纹调整杆。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，利用PID的高性能控制，对应带有压力补偿的流量控制阀设计了多回路流量及压力控制阀PID控制方法，并结合ELM算法，将多回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制，设计了多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法，具体步骤如下所示：
步骤1：获取比例阀实验数据，通过比例阀测试试验台测试不同压力下，流量阀芯线圈电流及所对应的阀芯位移，流量阀芯所对应的阀芯压力，压力补偿阀芯线圈电流及所对应的压力值；
步骤2：设计流量控制阀的位置环PID，基于步骤1获得流量阀芯线圈电流及所对应的阀芯位移关系后，将指令信号作为输入设定值，流量阀芯位移作为测量值，进行PID运算，得到线圈电流输出值；
步骤2中设计流量控制阀的位置环PID具体描述如下：
将流量控制阀的指令信号U(t)作为输入，将阀芯位移标定后的数据x(t)作为测量值，计算指令信号和标定后位移的偏差err1(t)：
err1(t)＝U(t)-x(t) (1)
通过流量控制阀的位置环PID运算，得到位置环阀芯线圈的电流输出I(t)：
Figure BDA0002913595830000061
式中，k是比例系数，Ti是积分时间，Td是微分时间，通过调试k，Ti，Td得到流量控制阀的位置环PID。
步骤3：设计流量控制阀的压力补偿环PID，基于步骤1获得流量阀芯及所对应的压力关系后，将流量阀芯位移作为输入设定值，压力作为测量值，进行PID运算，得到压力补偿阀芯线圈电流输出值；
步骤3中设计流量控制阀的压力补偿环PID具体描述如下：
将流量阀芯位移信号x(t)作为输入，将压力值标定后的数据p(t)作为测量值，计算指令信号和标定后位移的偏差err2(t)：
err2(t)＝x(t)-p(t) (3)
通过压力补偿环PID运算，得到压力补偿阀芯线圈的电流输出I1(t)：
Figure BDA0002913595830000062
式中，k1是比例系数，T1是积分时间，T1是微分时间，通过调试k1，T1，T1得到压力补偿环PID。
步骤4：多回路流量及压力控制阀PID，将位置环PID作为前级PID控制，压力补偿环PID作为后级PID控制，组成多回路流量及压力控制阀PID，多回路流量及压力控制阀PID控制图如图1所示；
步骤5：训练ELM极限学习机：将流量阀芯位移与指令偏差、压力补偿阀芯位移与压力偏差作为输入，流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出值作为输出训练ELM控制模型；
步骤5.1分别将将流量阀芯位移与指令信号、压力补偿阀芯位移与压力信号进行等量程的标定，标定数据后求得流量阀芯位移与指令信号的偏差x1、压力补偿阀芯位移与压力信号偏差x2，并通过实验得到对应的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出y；
步骤5.2再初始化极限学习机输入权重Wi,i＝1,2,...,L和偏置bi,i＝1,2,...,L，L是隐含层的节点数；
步骤5.3将偏差数据xi,i＝1,2为网络输入，建立各个参数与输入向量、输出向量的关系：
Figure BDA0002913595830000071
其中，βj是输出权重，f(·)是激活函数，y为网络阀芯位移量输出；
步骤5.4通过损失函数求解极限学习机各个参数，损失函数表达式为：
Figure BDA0002913595830000072
式中，I1j是第j个样本所对的实测值，m是检测的样本数量，可令网络输出值y直接等于流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流，最终获得极限学习机的输入权重、偏置和输出权重，得到训练完成的ELM控制模型。
步骤6：设计多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法，将多回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制，分别将ELM控制模型的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出叠加到多回路流量及压力控制阀PID的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出中，获得多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制，补偿控制目标与实际之间的测量误差，多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制图如图2所示。
本发明提供如图1所示的带有压力补偿的流量控制阀，包括流量控制阀主体、流量阀芯(1)、复位弹簧(2)、压力补偿阀芯(3)、压力设定弹簧(4)、位移补偿弹簧片(5)、弹簧帽(6)和螺纹调整杆(7)，其特征在于：所述流量控制阀主体底部一侧有输出口，所述流量控制阀主体底部另一侧有输入口和卸油口，所述流量控制阀主体上有流量阀部分和压力补偿阀部分，所述卸油口通过通道与流量阀部分和压力补偿阀部分相连，所述流量阀部分和压力补偿阀部分之间通过压力补偿通道相连，所述流量阀部分的流量阀芯(1)通过复位弹簧(2)安装在流量控制阀主体的流量阀部分内，流量阀芯(1)下端朝下运动后将输出口通道挡住，所述压力补偿阀部分的压力补偿阀芯(3)通过压力设定弹簧(4)安装在流量控制阀主体的压力补偿阀部分内，所述压力补偿阀芯(3)与上部螺纹调整杆(7)之间有弹簧帽(6)且弹簧帽(6)的位移补偿弹簧片(5)安装在压力补偿阀芯(3)上端，压力补偿阀芯(3)下端朝下运动后将卸油口通道挡住，所述上部螺纹调整杆(7)通过机械连杆直接驱动或使用比例电磁铁驱动或伺服电机推杆驱动。
本发明工作原理为压力油经输入口进入阀块主通道，作用于压力补偿阀芯底端使阀芯向上移动进行泄压，同时通过流量阀芯，流量阀芯可由外力驱动克服弹簧力向上移动，从而打开一定开度的开口，压力油经过这个开口经输出口输出流量，同时输出口的压力经补偿通道作用于压力补偿阀芯顶端。当流量阀芯处于任意位置不动时，输出压力P1和设定弹簧力共同作用于压力补偿阀芯，阻止输入压力P0向上移动压力补偿阀芯，当这3个力达到平衡时压力补偿阀芯停止移动，设定弹簧力作用于阀芯的压力为Pk，P1+Pk＝P0，而在流量阀芯前后产生的压差ΔP＝P0-P1，由此可见经过流量阀的压差ΔP等于设定弹簧力作用于阀芯的压力Pk，所以通过提前调整预设设定弹簧力作用于阀芯的压力Pk，就可以保持油液经过流量阀的压差ΔP恒定不变，根据流量公式
Figure BDA0002913595830000081
(Q为流量，Cd为常数，A为阀芯开口面积，ρ为流体密度)，流量与阀芯的开口面积A成正比，也就是说这种带有压力补偿补偿的流量控制阀的流量只与发新的开口面积也就是阀芯的位移有关系，将阀芯开口形状制作成面积和轴向位移成正比的关系，即可得到流量只跟阀芯位移成正比的流量控制阀。为了使设定弹簧力在各种状态中保持稳定，设计发明中增加了位移补偿弹簧片，可以有效的减小压力补偿阀芯在工作过程中的位移变化引起的压力波动，从而增加了流量的稳定性和控制精度。从而达到只控制阀芯的位移即可准确控制流量的目的。这种流量控制阀的控制简单灵活，流量阀芯可使用多种方式驱动，例如机械连杆直接驱动，也可使用比例电磁铁，或伺服电机推杆等驱动控制，实现多种形式的流量控制，满足各行各业的控制要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，具体步骤如下，其特征在于：
步骤1：获取比例阀实验数据，通过比例阀测试试验台测试不同压力下，流量阀芯线圈电流及所对应的阀芯位移，流量阀芯所对应的阀芯压力，压力补偿阀芯线圈电流及所对应的压力值；
步骤2：设计流量控制阀的位置环PID，基于步骤1获得流量阀芯线圈电流及所对应的阀芯位移关系后，将指令信号作为输入设定值，流量阀芯位移作为测量值，进行PID运算，得到线圈电流输出值；
步骤3：设计流量控制阀的压力补偿环PID，基于步骤1获得流量阀芯及所对应的压力关系后，将流量阀芯位移作为输入设定值，压力作为测量值，进行PID运算，得到压力补偿阀芯线圈电流输出值；
步骤4：多回路流量及压力控制阀PID，将位置环PID作为前级PID控制，压力补偿环PID作为后级PID控制，组成多回路流量及压力控制阀PID；
步骤5：训练ELM极限学习机：将流量阀芯位移与指令偏差、压力补偿阀芯位移与压力偏差作为输入，流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出值作为输出训练ELM控制模型；
步骤6：设计多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法，将多回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制，补偿控制目标与实际之间的测量误差。
2.根据权利要求1所述的带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，其特征在于：步骤2中设计流量控制阀的位置环PID的过程可以表示为：
将流量控制阀的指令信号U(t)作为输入，将阀芯位移标定后的数据x(t)作为测量值，计算指令信号和标定后位移的偏差err1(t)：
err1(t)＝U(t)-x(t) (1)
通过流量控制阀的位置环PID运算，得到位置环阀芯线圈的电流输出I(t)：
Figure FDA0002913595820000011
式中，k是比例系数，Ti是积分时间，Td是微分时间，通过调试k，Ti，Td得到流量控制阀的位置环PID。
3.根据权利要求1所述的带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，其特征在于：步骤3中设计流量控制阀的压力补偿环PID的过程可以表示为：
将流量阀芯位移信号x(t)作为输入，将压力值标定后的数据p(t)作为测量值，计算指令信号和标定后位移的偏差err2(t)：
err2(t)＝x(t)-p(t) (3)
通过压力补偿环PID运算，得到压力补偿阀芯线圈的电流输出I1(t)：
Figure FDA0002913595820000021
式中，k1是比例系数，T1是积分时间，T1是微分时间，通过调试k1，T1，T1得到压力补偿环PID。
4.根据权利要求1所述的带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，其特征在于：步骤5中训练ELM控制模型的过程可以表示为：
步骤5.1分别将将流量阀芯位移与指令信号、压力补偿阀芯位移与压力信号进行等量程的标定，标定数据后求得流量阀芯位移与指令信号的偏差x1、压力补偿阀芯位移与压力信号偏差x2，并通过实验得到对应的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出y；
步骤5.2再初始化极限学习机输入权重Wi,i＝1,2,...,L和偏置bi,i＝1,2,...,L，L是隐含层的节点数；
步骤5.3将偏差数据xi,i＝1,2为网络输入，建立各个参数与输入向量、输出向量的关系：
Figure FDA0002913595820000022
其中，βj是输出权重，f(·)是激活函数，y为网络阀芯位移量输出；
步骤5.4通过损失函数求解极限学习机各个参数，损失函数表达式为：
Figure FDA0002913595820000023
式中，I1j是第j个样本所对的实测值，m是检测的样本数量，可令网络输出值y直接等于流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流，最终获得极限学习机的输入权重、偏置和输出权重，得到训练完成的ELM控制模型。
5.根据权利要求1所述的带有压力补偿的流量控制阀及流量高精度控制方法，其特征在于：步骤6中设计多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制方法的过程可以表示为：
将多回路流量及压力控制阀PID作为主控制，ELM控制模型作为辅助控制，分别将ELM控制模型的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出叠加到多回路流量及压力控制阀PID的流量阀芯线圈和压力补偿阀芯线圈电流输出中，获得多回路PID及ELM控制的压力补偿流量控制。
6.带有压力补偿的流量控制阀，包括流量控制阀主体、流量阀芯(1)、复位弹簧(2)、压力补偿阀芯(3)、压力设定弹簧(4)、位移补偿弹簧片(5)、弹簧帽(6)和螺纹调整杆(7)，其特征在于：所述流量控制阀主体底部一侧有输出口，所述流量控制阀主体底部另一侧有输入口和卸油口，所述流量控制阀主体上有流量阀部分和压力补偿阀部分，所述卸油口通过通道与流量阀部分和压力补偿阀部分相连，所述流量阀部分和压力补偿阀部分之间通过压力补偿通道相连，所述流量阀部分的流量阀芯(1)通过复位弹簧(2)安装在流量控制阀主体的流量阀部分内，流量阀芯(1)下端朝下运动后将输出口通道挡住，所述压力补偿阀部分的压力补偿阀芯(3)通过压力设定弹簧(4)安装在流量控制阀主体的压力补偿阀部分内，所述压力补偿阀芯(3)与上部螺纹调整杆(7)之间有弹簧帽(6)且弹簧帽(6)的位移补偿弹簧片(5)安装在压力补偿阀芯(3)上端，压力补偿阀芯(3)下端朝下运动后将卸油口通道挡住。
7.根据权利要求1所述的带有压力补偿的流量控制阀，其特征在于：所述上部螺纹调整杆(7)通过机械连杆直接驱动或使用比例电磁铁驱动或伺服电机推杆驱动。
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