CN113202840A - 一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的判断方法及补偿方法 - Google Patents

一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的判断方法及补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的判断方法及补偿方法。涉及液压阀控制技术领域。1）在PID控制器内预设初始值Kp0、Ki0和Kd0，以及主阀芯位置给定信号x(t)；2）PID控制器通过位置传感器获取主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)；3）根据主阀芯加速度信号a(t)，利用加速度变化规律预测主阀芯是否处于空穴游隙阶段；先对主阀芯位置信号进行二次微分得出阀芯实时加速度值，用以判断主滑阀阀芯是否处于空穴游隙阶段。再对位置偏差信号进行微分得到偏差变化率，通过位置偏差变化率和位置偏差信号制定空穴游隙阶段和非空穴游隙阶段的PID参数模糊规则库。最终为解决游隙对运行精度的影响提供了相应的基础性解决手段。

Description

一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的判断方法及 补偿方法
技术领域
本发明涉及液压阀控制技术领域，具体涉及一种高频响大流量先导式液压阀主阀芯空穴振荡的判断方法及补偿方法。
背景技术
以三位四通阀为先导阀，滑阀为主阀的高频响大流量液压阀，在控制过程中，由于先导阀加工的客观误差（如公差），会导致的阀出回油口不对称，进而造成先导阀在开始工作和停止工作时，出现诸如：一个工作油口打开，另一个工作油口未打开的情况。如图4所示，先导阀工作油口一A1向主阀11的左控制油腔113进油，右控制油腔114需向先导阀的工作油口二A2回油，但在前述情况下，工作油口二A2未及时打开，会造成主滑阀11阀芯112的左控制油腔113接通，右控制油腔114闭死（或反之）的极端情况。引起主滑阀11的阀芯112在惯性作用下做自由运动，控制油腔产生空穴游隙115，游隙的存在使得阀芯运动的阻尼特性具有较大的变化，在对主滑阀11的阀芯112在做精确位置控制时因游隙使阻尼减小导致振荡的现象。最终，导致高频响大流量液压阀控制性能变差，甚至引起控制功能失效。阻尼对于控制系统的稳定性具有重要影响，以2阶系统为例，如图5为阻尼比ζ从0到1.3的变化，系统的稳定性是完全不同的，系统阻尼的大幅度变化需要采用不同的控制策略去调节获得稳定的输出。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供了一种能使主滑阀的阀芯快速越过空穴游隙阶段，从而消除空穴游隙引起的极限环振荡现象的高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的判断方法及补偿方法。
本发明判断方法的技术方案是：高频响大流量液压阀包括先导阀和主滑阀，在所述主滑阀的阀芯上设有位置传感器；
所述先导阀为三位四通换向阀，所述先导阀的进油口连接液压油源、所述先导阀的回油口连接油箱；
所述主滑阀的进油口连接液压油源、所述主滑阀的回油口连接油箱；
所述先导阀的工作油口一和工作油口二分别连接主滑阀的左控制油腔和右控制油腔；
还包括PID控制器，所述PID控制器连接所述主阀芯位置传感器和所述先导阀；
按照如下步骤进行空穴游隙振荡补偿：
1）、在所述PID控制器内预设初始值Kp0、Ki0和Kd0，以及主阀芯位置给定信号x (t)；
2）、所述PID控制器通过位置传感器获取主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)；
2.1）对所述主滑阀阀芯的实时位置数据进行两次微分，得到主阀芯加速度信号a (t)；
2.2）对步骤2）采样获取的所述主滑阀阀芯的实时位置数据数据y(t)与所述主阀芯位置给定信号x(t)进行比较，得到位置偏差信号e(t)，e(t)＝x(t)-y(t)；
2.2.1）对所述位置偏差信号e(t)进行微分，得到位置偏差变化率de(t)/dt，
2.2.2）根据位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt设置游隙阶段和非游隙阶段PID三个调整参数：Kp’、Ki’和Kd’的模糊规则库；
3）、根据步骤2.1）获取的主阀芯加速度信号a(t)，利用加速度变化规律预测主阀芯是否处于空穴游隙阶段；
当a(t)的值小于n时，判定所述主阀芯处于非游隙阶段，如为非游隙阶段去步骤4.2）；
当a(t)的值≥n时，判定所述主阀芯处于游隙阶段，如为游隙阶段，去步骤4.1）；
判断完毕。
本发明补偿方法的技术方案是：
4.1）、在非游隙阶段，根据步骤2.2.2）获取的非游隙阶段模糊规则库，进行非游隙阶段调定系数精确化计算，所述非游隙阶段调定系数为：KpF=Kp0+KpF’、KiF=Ki0+KiF’和KdF=Kd0+KdF’；再得出控制量u F ；
4.2）、在游隙阶段，根据步骤2.2.2）获取的游隙阶段模糊规则库，进行游隙阶段调定系数精确化计算，所述游隙阶段调定系数为：KpY=Kp0+KpY’、KiY=Ki0+KiY’和KdY=Kd0+KdY’；再得出控制量u Y ；
5）、根据上步骤精确化计算出的控制量u Y 或u F ，通过驱动先导阀的阀芯动作，控制主滑阀阀芯运动；
6）、结束。
所述高频响大流量液压阀频率为50~300HZ，流量为200~600L/min。
所述位置传感器为LVDT位置传感器；
所述给定位置信号为阶跃信号。
在步骤5）后，根据定周期采样获取的所述主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)进行验证。
根据所述主阀芯加速度信号a(t)反馈判断主阀芯是否处于空穴游隙阶段，当所述主阀芯处于游隙阶段时执行如下工作：
以位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt为输入，PID三个调整参数KpY’、KiY’、KdY’为输出；将位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt进行等级量化，分别确定e(t)、de(t)/dt、KpY’、KiY’、KdY’的隶属度函数，设置用于描述输入输出量大小的模糊集合；设置e(t)、de(t)/dt、KpY’、KiY’、KdY’的基本论域及量化因子，最后得出KpY’、KiY’、KdY’的清晰化值。
根据所述主阀芯加速度信号a(t)反馈判断主阀芯是否处于空穴游隙阶段，当所述主阀芯处于非游隙阶段时执行如下工作：
以位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt为输入，PID三个调整参数KpF’、KiF’、KdF’为输出；将位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt进行等级量化，分别确定e(t)、de(t)/dt、KpF’、KiF’、KdF’的隶属度函数，设置用于描述输入输出量大小的模糊集合；设置e(t)、de(t)/dt、KpF’、KiF’、KdF’的基本论域及量化因子，最后得出KpF’、KiF’、KdF’的清晰化值。
本发明首先是采用分段PID-双微分模糊控制算法，先对主阀芯位置信号进行二次微分得出阀芯实时加速度值，用以判断主滑阀阀芯是否处于空穴游隙阶段。对于液压器件的游隙状态创新性地提出一个判断方案。
其次，再对位置偏差信号进行微分得到偏差变化率，通过位置偏差变化率和位置偏差信号制定空穴游隙阶段和非空穴游隙阶段的PID参数模糊规则库。从而对游隙和非游隙两个阶段利用不同的控制规律分别对主阀芯进行控制，使主阀芯快速越过空穴游隙阶段，从而消除空穴游隙引起的振荡现象。最终为解决游隙对运行精度的影响提供了相应的基础性解决手段。
附图说明
图1为本发明的原理图，
图2为本发明的工作流程图，
图3是本发明阀芯动作曲线示意图，
图4是本发明背景技术工作状况示意图，
图5是本发明背景技术工作状况原理图；
图中标记：1是高频响大流量液压阀，11是主滑阀，111是位置传感器，112是阀芯，113是左控制油腔，114是右控制油腔，115是空穴游隙；
12是先导阀，121是工作油口一，122是工作油口二；
图中：x(t)为主阀芯位置给定信号，
y(t)为主阀芯实际位置，
e(t)= x(t)- y(t)为主阀芯位置偏差，
u为先导阀控制量，
A和B为主阀负载油口，LS为主阀负载敏感口，T为回油口，Ps为主阀供油口，Pp为先导阀供油口；
图1中点划线为数据信号流向，图2中双点划线框为判断流程。
具体实施方式
本发明的高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡补偿方法如图1-3所示；高频响大流量液压阀1包括先导阀12和主滑阀11，在主滑阀11的主阀芯112上设有位置传感器；
先导阀12为三位四通（或三位七通）换向阀，先导阀12的进油口连接液压油源、先导阀的回油口连接油箱；
主滑阀11为三位七通液压滑阀，主滑阀11的进油口连接液压油源、主滑阀11的回油口连接油箱；
先导阀12的工作油口一121和工作油口二122分别连接主滑阀11的左控制油腔113和右控制油腔114；
还包括PID控制器， PID控制器连接主阀芯位置传感器和先导阀12；位置传感器为LVDT位置传感器；
按照如下步骤进行空穴游隙振荡的判断：
1）、在PID控制器内预设初始值Kp0、Ki0和Kd0，以及主阀芯位置给定信号x(t)；
2）、PID控制器通过位置传感器获取主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)；
2.1）对所述主滑阀阀芯的实时位置数据进行两次微分，得到主阀芯加速度信号a (t)；利用加速度变化规律预测先导阀工作状态并调整，从而对主滑阀进行预测控制；
2.2）对步骤2）采样获取的主滑阀阀芯的实时位置数据数据y(t)与主阀芯位置给定信号x(t)进行比较，得到位置偏差信号e(t)，e(t)＝x(t)- y(t)；
2.2.1）对位置偏差信号e(t)进行微分，得到位置偏差变化率de(t)/dt，
2.2.2）根据位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt设置游隙阶段和非游隙阶段PID三个调整参数：Kp’、Ki’和Kd’的模糊规则库；
3）、根据步骤2.1）获取的主阀芯加速度信号a(t)，利用加速度变化规律预测主阀芯是否处于空穴游隙阶段；
当a(t)的值为n时，判定主阀芯处于非游隙阶段，如为非游隙阶段去步骤4.2）；
当a(t)的值≥n时，判定主阀芯处于游隙阶段，如为游隙阶段，去步骤4.1）；
本案中设0≤n＜0.6；当然其上限值本领域技术人员可以根据实际情况进行调整。
至此，判断过程完毕。如图2中双点划线框内流程。
本发明获得游隙或非游隙状态的判断结果后，进一步地：
4.1）、在非游隙阶段，根据步骤2.2.2）获取的非游隙阶段模糊规则库，进行非游隙阶段调定系数精确化计算，所述非游隙阶段调定系数为：KpF=Kp0+KpF’、KiF=Ki0+KiF’和KdF=Kd0+KdF’；再得出控制量u F ；
4.2）、在游隙阶段，根据步骤2.2.2）获取的游隙阶段模糊规则库，进行游隙阶段调定系数精确化计算，所述游隙阶段调定系数为：KpY=Kp0+KpY’、KiY=Ki0+KiY’和KdY=Kd0+KdY’；再得出控制量u Y ；
5）、根据上步骤精确化计算出的控制量u Y 或u F ，通过驱动先导阀的阀芯动作，控制主滑阀阀芯运动，补偿空穴游隙；
6）、结束。
高频响大流量液压阀频率为50~300HZ，流量为200~300L/min。
给定位置信号为阶跃信号。
在步骤5）后，根据定周期采样获取的所述主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)进行验证。进行反馈性的验证。
具体的“补偿”规则如下：
游隙阶段：根据主阀芯加速度信号a(t)反馈判断主阀芯是否处于空穴游隙阶段，当主阀芯处于游隙阶段时执行如下工作：
以位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt为输入，PID三个调整参数KpY’、KiY’、KdY’为输出；将位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt进行等级量化，分别确定e(t)、de(t)/dt、KpY’、KiY’、KdY’的隶属度函数，设置用于描述输入输出量大小的模糊集合；设置e(t)、de(t)/dt、KpY’、KiY’、KdY’的基本论域及量化因子，最后得出KpY’、KiY’、KdY’的清晰化值。
非游隙阶段：根据主阀芯加速度信号a(t)反馈判断主阀芯是否处于空穴游隙阶段，当主阀芯处于非游隙阶段时执行如下工作：
以位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt为输入，PID三个调整参数KpF’、KiF’、KdF’为输出；将位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt进行等级量化，分别确定e(t)、de(t)/dt、KpF’、KiF’、KdF’的隶属度函数，设置用于描述输入输出量大小的模糊集合；设置e(t)、de(t)/dt、KpF’、KiF’、KdF’的基本论域及量化因子，最后得出KpF’、KiF’、KdF’的清晰化值。
以图3为例：图3中速度位移曲线，纵坐标为绝对值。
当误差变化率较大时（如图3中左侧的点位，斜率较大），为保持稳定，适当减小Kp值；减小积分时间，选择较大的Ki值；适当增大Kd值。
当误差变化率较小时（如图3中右侧的点位，斜率较小），为保证响应速度，适当增大Kp值，为保证稳定性，取适中的Ki值和Kd值。
利用本发明控制策略获取的游隙和非游隙两个阶段的清晰化值实现对PID控制器的调整，进而分别对主阀芯进行控制，对主阀芯在空穴游隙阶段进行算法补偿，从而消除空穴游隙引起的振荡现象，使系统运行趋于稳定，本领域技术人员根据本发明的以上内容能够进行转换实现的，在本案中不再赘述。

Claims (8)

1.一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的判断方法，高频响大流量液压阀包括先导阀和主滑阀，在所述主滑阀的阀芯上设有位置传感器；
所述先导阀为三位四通换向阀，所述先导阀的进油口连接液压油源、所述先导阀的回油口连接油箱；
所述主滑阀的进油口连接液压油源、所述主滑阀的回油口连接油箱；
所述先导阀的工作油口一和工作油口二分别连接主滑阀的左控制油腔和右控制油腔；
其特征在于，还包括PID控制器，所述PID控制器连接所述主阀芯位置传感器和所述先导阀；
按照如下步骤进行空穴游隙振荡补偿：
1）、在所述PID控制器内预设初始值Kp0、Ki0和Kd0，以及主阀芯位置给定信号x(t)；
2）、所述PID控制器通过位置传感器获取主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)；
2.1）对所述主滑阀阀芯的实时位置数据进行两次微分，得到主阀芯加速度信号a(t)；
2.2）对步骤2）采样获取的所述主滑阀阀芯的实时位置数据数据y(t)与所述主阀芯位置给定信号x(t)进行比较，得到位置偏差信号e(t)，e(t)＝x(t)-y(t)；
2.2.1）对所述位置偏差信号e(t)进行微分，得到位置偏差变化率de(t)/dt，
2.2.2）根据位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt设置游隙阶段和非游隙阶段PID三个调整参数：Kp’、Ki’和Kd’的模糊规则库；
3）、根据步骤2.1）获取的主阀芯加速度信号a(t)，利用加速度变化规律预测主阀芯是否处于空穴游隙阶段；
当a(t)的值小于n时，判定所述主阀芯处于非游隙阶段，如为非游隙阶段去步骤4.2）；
当a(t)的值≥n时，判定所述主阀芯处于游隙阶段，如为游隙阶段，去步骤4.1）；
判断完毕。
2.一种权利要求1所述高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，
4.1）、在非游隙阶段，根据步骤2.2.2）获取的非游隙阶段模糊规则库，进行非游隙阶段调定系数精确化计算，所述非游隙阶段调定系数为：KpF=Kp0+KpF’、KiF=Ki0+KiF’和KdF=Kd0+KdF’；再得出控制量u F ；
4.2）、在游隙阶段，根据步骤2.2.2）获取的游隙阶段模糊规则库，进行游隙阶段调定系数精确化计算，所述游隙阶段调定系数为：KpY=Kp0+KpY’、KiY=Ki0+KiY’和KdY=Kd0+KdY’；再得出控制量u Y ；
5）、根据上步骤精确化计算出的控制量u Y 或u F ，通过驱动先导阀的阀芯动作，控制主滑阀阀芯运动；
6）、结束。
3.根据权利要求2所述的一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，所述高频响大流量液压阀频率为50~300HZ，流量为200~600L/min。
4.根据权利要求2所述的一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，所述位置传感器为LVDT位置传感器。
5.根据权利要求2所述的一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，所述给定位置信号为阶跃信号。
6.根据权利要求2所述的一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，在步骤5）后，根据定周期采样获取的所述主滑阀阀芯的实时位置数据y(t)进行验证。
7.根据权利要求2所述的一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，
根据所述主阀芯加速度信号a(t)反馈判断主阀芯是否处于空穴游隙阶段，当所述主阀芯处于游隙阶段时执行如下工作：
以位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt为输入，PID三个调整参数KpY’、KiY’、KdY’为输出；将位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt进行等级量化，分别确定e (t)、de(t)/dt、KpY’、KiY’、KdY’的隶属度函数，设置用于描述输入输出量大小的模糊集合；设置e(t)、de(t)/dt、KpY’、KiY’、KdY’的基本论域及量化因子，最后得出KpY’、KiY’、KdY’的清晰化值。
8.根据权利要求2所述的一种高频响大流量液压阀主阀芯空穴游隙振荡的补偿方法，其特征在于，
根据所述主阀芯加速度信号a(t)反馈判断主阀芯是否处于空穴游隙阶段，当所述主阀芯处于非游隙阶段时执行如下工作：
以位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt为输入，PID三个调整参数KpF’、KiF’、KdF’为输出；将位置偏差信号e(t)和位置偏差变化率de(t)/dt进行等级量化，分别确定e (t)、de(t)/dt、KpF’、KiF’、KdF’的隶属度函数，设置用于描述输入输出量大小的模糊集合；设置e(t)、de(t)/dt、KpF’、KiF’、KdF’的基本论域及量化因子，最后得出KpF’、KiF’、KdF’的清晰化值。
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