CN113811962A - 用于针对低功率系统的致动器的控制和诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种控制用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，其中该致动器包括可移动元件和电磁线圈，该电磁线圈用于生成磁场以用于沿着该电磁线圈的轴线使该可移动元件位移。

Description

用于针对低功率系统的致动器的控制和诊断方法

技术领域

本发明涉及用于低功率系统的致动器，如用于灌溉系统的带有柱塞的电磁阀。

背景技术

电子控制灌溉系统通常包括大量电磁阀，该电磁阀中的每个电磁阀利用电流生成磁场，并且从而操纵可移动元件，该可移动元件进而打开或关闭阀。以此方式，电力转化为机械能。

在柱塞式电磁阀中，通过电磁线圈的电流生成磁场，其导致柱塞移动。柱塞的移动打开或关闭阀。如果阀打开，当磁场开启时，阀被称为“常闭”，而如果阀关闭，当磁场开启时，阀被称为“常开”。

对于灌溉系统，所使用的阀通常是常闭阀，因为大多数时候，没有水流。仍然，对于灌溉来说，磁场必须开启延长的时间段，这需要电流持续流过电磁线圈。即使对于低功率系统，随着时间的推移，这也可能相当于大量的能源消耗。因此，使用较少量的电流是有利的。然而，所使用的电流太少，并且生成的磁场不足以将柱塞固持在适当位置，导致阀关闭。

当施加电压时，作为时间的函数测量的通过电磁线圈的电流曲线的下降有时可以检测到柱塞的移动。在施加电压后，通过电磁线圈的电流将增加，直至达到稳态电流，并且当柱塞朝电磁线圈移动或移动至电磁线圈中时，通过电磁线圈的电流经常瞬时下降。

然而，电流的下降有时太小而无法检测，使得对柱塞移动的检测不可靠。

如果能够更确定地检测到柱塞的移动，则能够更确定地实现电磁阀的操作和对其误差的检测。

这将允许在延长的时间段内保持阀打开所需的电流的改进优化。

因此，优化如电磁阀等致动器的能量消耗的改进方法将是有利的，并且进一步用于确定如电磁阀等致动器中的可移动元件的状态的改进方法将是有利的。

发明目的

本发明的目的是提供一种用于确定针对如电磁阀等低功率系统的致动器中可移动元件状态的改进方法。

本发明的进一步的目的是提供一种用于优化针对如电磁阀等低功率系统的致动器能量消耗的改进方法。

可以被看作本发明的目的以提供现有技术的替代方案，解决现有技术的上述问题。

发明内容

因此，通过提供一种控制用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，本发明的第一方面旨在获得上述目的和若干其它目的。所述致动器包括可移动元件和电磁线圈，所述电磁线圈用于生成磁场，所述磁场可以沿着电磁线圈的轴线使所述可移动元件位移。

可移动元件包括软磁材料，

即容易被磁场磁化，但是当磁场被去除时不会保持磁化的材料。当电压施加至所述电磁线圈时，电流将流过所述电磁线圈并生成磁场。如果磁场足够强，则可移动元件将被拉向电磁线圈。因此，所述致动器具有主动状态和被动状态，其中，所述可移动元件在处于所述主动状态时比所述致动器处于所述被动状态时更接近所述电磁线圈。

控制用于低功率系统的致动器的所述方法包括以下步骤：

-对所述电磁磁线圈施加DC涌入电压V_i，使得电流流过所述电磁线圈，由此流过所述电磁线圈的所述电流增加，直到其已经达到涌入稳态电流，I_s，

-优化操作保持电压V_oper，其中优化所述操作保持电压V_oper包括以下步骤：

a)施加保持电压V_h，所述保持电压低于所述DC涌入电压V_i，

b)对所述电磁线圈施加所述DC涌入电压V_i，

c)判定所述可移动元件是否由于在在步骤b)中施加所述DC涌入电压V_i期间由所述电磁线圈产生的所述磁场而从所述被动状态移动至所述主动状态，

其中，判定所述可移动元件是否从所述被动状态移动至所述主动状态包括以下步骤：

检索上升时间T_i，其中所述上升时间是所述电流从基本上零电流开始通过所述电磁线圈达到涌入电流I_i所花费的时间，其中所述涌入电流基本上等于所述稳态电流I_s，或所述涌入电流低于所述稳态电流，

检索保持电流I_h，其中当所述保持电压V_h施加至所述电磁线圈时，所述保持电流I_h是通过所述电磁线圈的稳态电流，

检索保持电流时间T_h，其中所述保持电流时间T_h是通过所述电磁线圈的所述电流从基本上零电流至所述保持电流I_h所花费的时间，当电压施加至所述电磁线圈时，

测量测试上升时间T_测试，其中所述测试上升时间T_测试是通过所述电磁线圈的所述电流从保持电流I_h至基本上所述涌入电流I_i所花费的时间，

并且如果所述保持电流时间T_h和所述测试上升时间T_测试之和基本上等于所述上升时间T_i，即如果T_h+T_测试≈T_i，在测量不确定度内，

确定所述可移动元件从所述被动状态移动至所述主动状态或从所述主动状态移动至所述被动状态，

d)重复步骤a)-c)以确定所述可移动元件被确定为没有移动的所述保持电压V_h的一个或多个值，以及可选地，确定在随后施加所述DC涌入电压V_i时所述可移动元件被确定为已经移动的所述保持电压V_h的一个或多个值，

e)选择所述操作保持电压V_oper，使其值基本上等于或高于所述保持电压V_h的最低值，对于所述最低值，确定所述可移动元件在随后施加所述DC涌入电压V_i时没有移动，

f)对所述电磁线圈施加所述操作保持电压V_oper，以将所述可移动元件维持在所述主动状态。

对于控制致动器的方法，施加至电磁线圈的DC涌入电压V_i必须足够大，以便生成磁场足够大到移动可移动元件。实现这一点的合理电压将是已知的，例如通过对类似致动器的测试或通过产品规格。

当施加DC涌入电压V_i时，通过电磁线圈的电流将增加，直至其达到稳态电流I_s，即，只要影响其的参数(如所施加的电压和温度)不变，该电流就不会随着时间的推移发生显著变化。

在实施例中，控制用于低功率系统的致动器的方法中的步骤e)进一步包括选择所述操作保持电压V_oper比所述保持电压V_h的所述最低值高近似50％，对于所述最低值，

确定所述可移动元件在随后施加所述DC涌入电压V_i时没有移动。

保持电流时间T_h可以在任何适当的时间测量。如果在所述方法的另一步骤处测量，所述值可以存储在数据存储介质上，然后稍后可以从所述数据存储介质读取T_h的值。因此，在实施例中，保持电流时间T_h的检索包括读取存储在数据存储介质上的值，而在另一个实施例中，保持电流时间T_h的检索包括测量保持电流时间T_h。

通常，当检索例如时间或电流的值时，可以从数据存储介质中测量或读取所述值。

在实施例中，所述方法进一步包括确定所述电磁线圈的电阻R_线圈的步骤。

在另一个实施例中，假设所述电磁线圈的所述电阻是欧姆的，即线性的。对于电磁线圈，所施加的电压和所得到的稳态电流用于计算其欧姆电阻。

在实施例中，所述致动器是电磁阀，并且所述可移动元件是柱塞或活塞。

在进一步的实施例中，所述电磁阀是灌溉系统的一部分。

通过提供一种诊断用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，本发明的第二方面旨在获得本发明的所述目的和若干其它目的。所述致动器包括可移动元件和电磁线圈，所述电磁线圈用于生成磁场以用于沿着所述电磁线圈的轴线使所述可移动元件位移。可移动元件包括软磁材料，

即容易被磁场磁化，但是当磁场被去除时不会保持磁化的材料。当电压施加至所述电磁线圈时，电流将流过所述电磁线圈并生成磁场。如果磁场足够强，则可移动元件将被拉向电磁线圈。因此，所述致动器具有主动状态和被动状态，其中，所述可移动元件在所述致动器处于所述主动状态时比所述致动器处于所述被动状态时更接近所述电磁线圈。保持电压V_h(恒定的DC电压)被施加至电磁线圈。诊断用于低功率系统的致动器的所述方法包括以下步骤：

测量通过所述电磁线圈的保持电流I_h，所述保持电流I_h是当施加所述保持电压V_h时流过所述电磁线圈的稳态电流，

检索表征所述电磁线圈和所述可移动元件的值：

DC涌入电压V_i和对应的上升时间T_i，

--涌入电流I_i(V_i，T_i，R)取决于所述DC涌入电压V_i、所述上升时间T_i和所述电磁线圈的电阻R，其中所述涌入电流I_i是在所述DC涌入电压V_i已经施加至所述电磁线圈一段时间Ti之后流过所述电磁线圈的电流，

所述一段时间T_i是从基本上零电压施加至所述电磁线圈的时间开始，

保持电流时间T_h，其中所述保持电流时间T_h是通过所述电磁线圈的所述电流从基本上零电流至所述保持电流I_h所花费的时间，

将所述检索到的DC涌入电压V_i施加至所述电磁线圈，同时测量作为时间函数的通过所述电磁线圈的所述电流，

确定测试上升时间T_测试，所述测试上升时间是所述电流通过所述电磁线圈以基本上达到所述涌入电流I_i的检索到的值所花费的时间，

计算总上升时间T_上升，总，作为所述保持电流时间T_h和所述测量的测试上升时间T_测试的总和，使得T_上升，总＝T_h+T_测试，

在测量不确定度内，判定所述总上升时间T_上升，总是否大于或基本等于所述上升时间T_i，并且如果是，则报告所述可移动元件由于对所述电磁线圈施加所述检索到的DC涌入电压V_i而移动。

对于诊断致动器的方法，施加至电磁线圈的DC涌入电压V_i必须足够大，以便生成磁场足够大到移动可移动元件。实现这一点的合理电压将是已知的，例如通过对致动器或类似致动器的测试或通过产品规格。

在实施例中，所述致动器是电磁阀，并且所述可移动元件是柱塞或活塞。

在进一步的实施例中，所述电磁阀是灌溉系统的一部分。

在实施例中，在步骤b)中检索表征所述电磁线圈和所述可移动元件的值包括读取存储在数据存储介质上的一个或多个值。

在另一个实施例中，在步骤b)中检索表征所述电磁线圈和所述可移动元件的值包括测量一个或多个值。

在进一步的实施例中，所述方法进一步包括步骤：

向系统或用户报告所述可移动元件是否移动。

本发明还涉及一种控制用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，所述致动器包括可移动元件和电磁线圈，所述电磁线圈用于生成磁场以用于沿着所述电磁线圈的轴线使所述可移动元件位移，所述可移动元件包括磁性材料，所述致动器具有主动状态和被动状态，所述可移动元件在所述致动器处于所述主动状态时比所述致动器处于所述被动状态时更接近所述电磁线圈，其中所述主动状态是通过对所述电磁线圈施加DC电压而获得的；

所述方法包括步骤：

1)对所述电磁线圈施加第一DC电压，使得电流流过所述电磁线圈，所述电流足以将所述致动器从所述被动状态带到所述主动状态，

2)施加低于所述第一DC电压的DC电压，并判定所述可移动元件是否移动，将所述致动器从所述主动状态带到所述被动状态，

3)重复步骤2)，并确定低于所述第一DC电压的多个第二DC电压，其中所述可移动元件不移动，使得所述致动器维持在所述主动状态，

4)选择并施加所述第二电压中的至少一个以将所述致动器保持在所述主动状态，

所述方法提供了用于优化如电磁阀等致动器的能量消耗的进一步的方法，并且进一步提供了用于确定如电磁阀等致动器中的可移动元件的状态的改进方法。

通过使用如以上所描述的控制包括可移动元件和电磁线圈的致动器的方法以用于控制包括螺线管和活塞的灌溉阀，本发明的第三方面旨在获得本发明的所述目的和若干其它目的。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述根据本发明的方法。附图示出了实施本发明的一种方式，并且不应当被解释为限制于落入所附权利要求集合范围内的其它可能的实施例。

图1示出了灌溉控制单元的示意图。

图2示出了在施加涌入电压、柱塞移动以及随后不再施加电压的时间段期间，通过电磁阀中电磁线圈的电流的实验测量结果。

图3示出了测量结果的示意图(如图2中所示出的测量结果)。

图4示出了通过电磁阀中电磁线圈的电流的实验测量结果，其中最初施加保持电压，并且施加涌入电压，柱塞移动，随后不再施加电压。

图5示出了测量结果的示意图(如图4中所示出的测量结果)。

图6a和图6b两者均示出了上升时间T_i的实验测量结果。

在一个测量结果中，柱塞不能移动。

图7示出了根据本发明的控制用于低功率系统的致动器的方法的流程图。

图8示出了当保持电压V_h被优化时，通过电磁线圈的电流相对于时间的示意图。

图9示出了根据本发明的诊断用于低功率系统的致动器的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了灌溉控制单元的示意图，该灌溉控制单元包括连接至连接器盒4的可控灌溉阀2。连接器盒4内部的螺线管(即电磁线圈)控制柱塞，该柱塞判定阀是打开还是关闭。通过使电流流过电磁线圈，沿着线圈的轴线生成磁场。柱塞包括软磁材料，并且足够大的磁场将沿着线圈的轴线方向朝向线圈拉动柱塞，导致阀的状态改变。在常闭阀中，移动柱塞将打开阀，使得流体流过管道6中的阀。当磁场被去除时，柱塞将返回至“正常”状态，即在常闭阀中，磁场的去除将导致阀关闭。

在包括大量常闭电磁阀的灌溉系统中，电流流过给定阀的电磁线圈以打开所述阀。

打开给定阀所需的电流量，即生成足够大的磁场以移动柱塞所需的量，是已知的或可以通过实验确定。

针对灌溉的持续时间，需要持续施加电压。为了节约能源和金钱，使用尽可能低的电流将常闭阀维持在其打开位置是有益的。一旦已经通过对电磁线圈施加涌入电压V_i打开阀，电压可以降低至保持电压V_h。如果保持电压V_h足够大，其将在期望灌溉的一段时间内维持阀处于打开状态。

通过电磁线圈的电流可以作为时间的函数来测量。此类测量结果的实例在图2中示出，而这种测量结果的概括图在图3中示出。如图2和图3所见，当施加涌入电压V_i时，电流急剧上升。电磁线圈生成的磁场将拉动包括软磁材料的柱塞。当所生成的磁场足够大时，柱塞上的拉力足够强以将柱塞朝向线圈移动。当柱塞移动时，线圈中将会诱导出反电动势，这导致线圈上的电压降低。通常这将导致通过线圈的电流可辨别的下降，直到柱塞结束移动。然而，反电动势对电流的影响有时不可检测为电流的下降，如图2至图5所示出的下降，因此在这些情况下不可能使用此类下降来检测柱塞的移动；相反，电流仅将会上升得更慢。

通过线圈的电流将继续上升，直至达到其稳态电流。稳态电流是一种电流：只要影响其的参数(如所施加的电压和温度)不变，该电流就不会随着时间的推移发生实质性变化。在图2所示出的测量结果中，所施加的电压在一段时间后被去除，这导致通过线圈的电流下降。

无论柱塞的移动是导致可辨别的下降还是电流仅上升得更慢，如果柱塞被线圈生成的磁场移动，电流达到其稳态值所花费的时间更长。

在图3中，指示了两个电流值及其对应的时间。上升时间T_i是电流从基本上为零的电流开始，通过电磁线圈达到涌入电流I_i所花费的时间。涌入电流可以基本上等于稳态电流，或涌入电流可以低于稳态电流，但是优选的是，涌入电流应该被选择成使得可以假设(或从测试中得知)柱塞在上升时间T_i期间已经结束移动。

对于给定的所施加电压，测量结果(如图2中所示出的测量结果)可以用于记录从基本上零电流至稳态电流的时间和电流(I，T)的对应值。此测量结果可以用于如本文所呈现的方法中，通过确定柱塞的状态来判定阀在给定时间是打开还是关闭。

图4示出了作为时间的函数的通过电磁线圈的电流类似于图2中的测量结果的测量结果。然而，在图4中，在测量开始时，保持电压V_h被施加至电磁线圈，使得保持电流I_h流过线圈。保持电压V_h是在涌入电压V_i已经施加至线圈之后施加的，其中作为涌入电压V_i的结果生成的磁场已经将柱塞朝向线圈移动。如果保持电流I_h生成的磁场足够大，其将维持柱塞的位置，即常闭阀将维持在打开位置。然而，如果磁场不够大，柱塞将远离电磁线圈移动，从而关闭阀。

为了确定柱塞的状态，涌入电压V_i(该涌入电压大于保持电压)被施加至线圈，这将导致通过线圈的电流增加，如图4和图5所示出的。已知所施加的涌入电压足以导致柱塞移动，并且先前已经记录了对于所施加的涌入电压从基本零电流至稳态电流的时间和电流(I，T)的多个对应值的测量结果。

当施加涌入电压V_i时，如图5所示出的，测量从施加涌入电压V_i直至通过电磁线圈的电流基本等于涌入电流I的测试上升时间T_测试。从对所施加的涌入电压的时间和电流(I，T)的多个对应值的测量中，保持电流时间T_h是已知的，参见图3，其中保持电流时间T_h是当涌入电压V_i施加至线圈时，通过电磁线圈的电流从基本零电流至保持电流I_h所花费的时间。总上升时间T_上升，总可以计算为T_测试和T_h值的总和，即T_上升，总＝T_测试+T_h。

如果作为施加涌入电压V_i的结果而生成的磁场使柱塞朝向线圈移动，这意指保持电压V_h不足够大到生成足够将柱塞固持在其更接近线圈的位置的磁场。当施加涌入电压V_i时，柱塞是否移动可以通过将总上升时间T_上升，总与如图3所示出的测量的上升时间T_i进行比较来得知。如果在测量不确定度内，T_上升，总基本上等于上升时间T_i，则当施加涌入电压V_i时，柱塞移动。然而，如果总上升时间T_上升，总显著小于上升时间T_i，则柱塞没有移动，因为这意味着通过线圈的电流没有被柱塞移动诱导的反电动势“抑制”。当不消耗能量来移动柱塞时，如在柱塞已经处于其更接近电磁线圈的位置的状态期间施加涌入电压的情况下，通过线圈的电流更快地达到涌入电流I_i的值。

因此，测量通过电磁线圈的电流达到涌入电流I_i所花费的时间，可以用于判定保持电压V_h是否足够大到将阀维持在打开位置。可以通过在涌入电压V_i之后施加不同的保持电压V_h并判定它们是否足以固持柱塞来确定保持电压，该保持电压足够大以保持阀打开并且足够小以节省能量。

在图6a和图6b中，示出了上升时间T_i的实验测量结果，展示了当柱塞移动时(图6a)与当柱塞不移动时(图6b)上升时间T_i的差异。

在实验中，施加了相同的涌入电压，但是在图6b所示出的测量结果期间，柱塞不能移动。如以上所解释的，如果柱塞在施加涌入电压期间移动，则上升时间T_i增加，并且当比较图6a和图6b所示出的实验数据时，这是清楚可见的。

可以使用不同的优化方法来选择待测试的保持电压V_h，从而通过利用本文所描述的方法来优化保持电压。该方法的流程图是如图7所示出的。

在图8中示出了通过电磁阀中的电磁线圈的电流的一系列测量结果的示意图，同时测试了不同的保持电压值。最初，通过线圈的电流基本为零，直至施加涌入电压V_i。当由通过线圈的电流生成的磁场足够大时，柱塞将移动至其更接近线圈的位置。当通过线圈的电流增加时，可以记录电流和时间(I，T)的值，但是这些值也可以从先前的测量结果中得知。当从基本为零的电流开始时，通过线圈的电流达到涌入值I_i所花费的时间是上升时间T_i。

可以通过首先通过一次或多次测量或参考已知值来确定电磁线圈的电阻，如通过基于电磁线圈周围的已测量温度从图表中读取电阻的已存储值，来确定待使用的合适的涌入电压。

在电流已经达到其稳态值I_s之后，施加比涌入电压V_i低的第一保持电压V_h1，如图8所示出的，导致通过线圈的电流降低至新的稳态值I_h1。第一个以及任何随后的保持电压V_h可以优选地被选择为基本上等于或小于涌入电压V_i的1/20。

通过在电磁阀激活开始时测量电流和时间(I，T)的值以及上升时间T_i，在电磁阀打开的相对短的时间段内，电磁线圈中的温度变化将最小。这部分地由于电磁线圈中沉积的功率非常少，该电磁线圈通常包括铜作为导电材料。这意指在激活时完成的测量结果可以可靠地用于与激活期间的测量结果进行比较。

为了确定第一保持电压V_h1是否足以维持柱塞的位置，再次向线圈施加涌入电压，并测量测试上升时间T_测试，1。在施加涌入电压V_i之后，当第一保持电压V_h1被施加至线圈时，电流达到涌入值I_i所花费的时间T_测试，1小于当通过线圈的电流基本为零时施加涌入电压V_i所花费的时间。然而，我们从电流和时间(I，T)的对应值的测量结果中得知，当从基本上为零的电流开始时，通过线圈的电流需要花费多长时间才能达到值I_h1，此保持电流时间在图8中表示为T_h1。

总上升时间T_上升，总现在可以计算为保持电流时间T_h1和已测量的测试上升时间T_测试，1之和，使得T_上升，总＝T_h1+T_测试，1。如果总上升时间T_上升，总基本上等于上升时间T_i，则当在施加第一保持电压V_h1时施加涌入电压V_i时，柱塞移动，并且可以得出第一保持电压V_h1不足以将柱塞维持在其更靠近电磁线圈的位置的结论。在此情况下，第二保持电压V_h2被选择以高于第一保持电压V_h1。

在如图8所示出的示意图中，得出结论，第一保持电压V_h1足以将柱塞固持在更接近线圈的位置，并且施加第二较低的保持电压V_h2。通过测量测试上升时间T_测试，2，并从测量结果中得知保持电流时间T_h2，使用与以上所描述的相同的方法来判定第二保持电压V_h2是否足以将柱塞固持在更接近线圈的位置，使得可以计算总上升时间T_上升，总，并与上升时间T_i进行比较。此程序可以重复多次一个或多个保持电压值V_h，该一个或多个保持电压值确定柱塞没有移动，以及可选地，确定柱塞已经移动的一个或多个保持电压值V_h。

在此之后，操作保持电压V_oper可以被选择为基本上等于或高于保持电压V_h的最低值的电压值，对于该最低值，确定柱塞在随后施加涌入电压V_i时没有移动。然后，此操作保持电压V_oper可以在涌入电压V_i之后施加至电磁线圈，以将柱塞维持在其更接近线圈的位置。实际上，人们不一定会选择最低的保持电压来将柱塞维持在其位置，而是选择较高的值。例如，操作保持电压V_oper可以被选择为比保持电压的最低值高50％，该最低值被发现用于将柱塞维持在其更接近线圈的位置。即便如此，也可以实现能源消耗的显著减少。还可能与测试涌入电压V_i的较低值(例如，低20％)是否会导致涌入(即柱塞移动)相关，以确保实际使用的涌入电压在测试时的条件下绰绰有余。

确定至少一个保持电压，对于该保持电压，在随后施加DC涌入电压时确定柱塞没有移动。可选地，还可以确定柱塞被确定为已经移动的保持电压的一个或多个值。这将取决于系统、所测试的保持电压和系统的前述知识。

本文所公开的优化过程可能只花费一秒或更少的时间。关于该过程可以被多快执行的限制在于，在施加不同电压之间，必须允许系统有时间“赶上”。这意指，例如，在施加保持电压与随后的涌入电压之间，结合了等待时间，这对于技术人员来说应该是常识。

实际上，人们可以选择使用稳态值I_s或比稳态值I_i更低的电流作为涌入电流I_i，据此确定对应的上升时间值T_i。例如，涌入电流I_i可能是稳态电流I_s的80％。如果使用计算机算法来判定通过电磁线圈的电流何时已经达到涌入电流值I_i，则必须小心，由于当通过线圈的电流接近涌入电压时，柱塞可能会移动，并且这将导致电流曲线呈时间函数下降。在所述情况下，算法可以确定涌入电流值比实际上由于下降而达到的时间早得多。为了降低此情况发生的机会，当查看如图2和图4所示出的那些数据等数据时，算法“从右向左”搜索从到达涌入电流的时间是有利的。

该方法已经在灌溉系统中使用的电磁阀上进行了测试，并且通过使用操作保持电压来维持打开阀所实现的能量节省已经惊人地大,该操作保持电压是使用本文所公开的方法确定的。所激活的解码器越多，所需要的能量就越多，并且系统的能量就越有限。因此，根据本文所公开的方法完成的优化允许激活更多的解码器，因为每个解码器使用更少的能量。

如果柱塞不能移动，即电磁阀有缺陷，或如果所使用的涌入电压V_i过低，则该方法将不起作用。在所述情况下，结果将是总上升时间总是基本上等于涌入时间。因此，似乎无论施加多低的保持电压，都足以将柱塞固持在其更接近电磁线圈的位置，而实际上，当测量上升时间T_i时，柱塞没有移动。因此，该方法也可以用于判定电磁阀是否有缺陷。

总上升时间T_上升，总的计算以及与已知上升时间T_i的比较也可用于诊断致动器。在此情况下，我们感兴趣的是判定致动器是否处于其主动状态，也就是说，当保持电压被施加至线圈时，其如柱塞等可移动元件是否处于其更接近电磁线圈的位置。我们通过本文所描述的方法来确定这一点，并根据它得出结论，当施加涌入电压V_i时，柱塞是否移动。图9示出了诊断致动器的方法的流程图。如果已知所施加的涌入电压V_i足够大到移动柱塞(除非柱塞是有缺陷的)，则确定柱塞没有移动，意指致动器处于其主动状态。

如果施加至电磁线圈的保持电压不足，并且致动器因此处于其被动状态，则该方法将示出，当施加涌入电压V_i时，柱塞移动；同样，除非柱塞是有缺陷的，这可以通过施加已知过低的保持电压来测试，以将柱塞维持在其更接近电磁线圈的位置-如果测试上升时间表明柱塞固持在其更接近电磁线圈的位置，即使已知情况并非如此，则柱塞是有缺陷的。

在图9中，示出了诊断如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法的流程图。致动器包括可移动元件和电磁线圈。在灌溉系统中，致动器可以是电磁阀，其中，可移动元件是柱塞(也称为活塞)。在灌溉系统中，电磁阀通常是如以上所描述的常闭阀。当将保持电压V_h施加至电磁线圈时，使用诊断电磁阀的方法，并且期望知道阀的状态，如知道阀是否是打开的或阀是否是有缺陷的。

为了诊断阀，其中，电磁线圈具有施加至其的保持电压V_h，测量通过电磁线圈的保持电流I_h。从测量或从先前完成的测量中检索表征电磁线圈和柱塞的多个值。这些值是：涌入电压V_i、对应的上升时间T_i、涌入电流I_i(V_i，T_i，R)和保持电流时间T_h。

涌入电流I_i(V_i，T_i，R)取决于涌入电压V_i、上升时间T_i和电磁线圈的电阻R。因此，当执行诊断方法时，电磁线圈的电阻将需要与测量涌入电流I_i时线圈的电阻相当。涌入电流I_i是在涌入电压V_i已经施加至电磁线圈一段时间T_i之后流过电磁线圈的电流，该一段时间是从基本上零电压施加至该电磁线圈的时间开始，参见图3。

保持电流时间T_h是通过测量通过作为时间函数的电磁线圈的电流获得的，其中保持电流时间T_h是通过电磁线圈的电流从基本上零电流至保持电流I_h所花费的时间，其中保持电流I_h是当保持电压V_h施加至电磁线圈时通过电磁线圈的稳态电流，参见图3。

涌入电压V_i被施加至电磁线圈，并且通过线圈的电流作为时间的函数被测量。通过此测量，可以确定通过电磁线圈的电流达到涌入电流，I_i的检索到的值所花费的时间；此为测试上升时间，T_测试。根据保持电流时间T_h和测试上升时间T_测试，总上升时间T_上升，总可以计算为两者之和，即，T_上升，总＝T_h+T_测试。

如果测试上升时间T_上升，总基本上等于上升时间T_i，则可以得出结论如果是常闭阀，即使施加了保持电压V_h，即所施加的保持电压V_h也不足以将柱塞固持在其更接近电磁线圈的位置，则柱塞移动并且阀因此关闭。

在电磁阀用于灌溉系统的情况下，电磁阀在相对较短的时间段内被激活。

在此期间，施加保持电压V_h，以将柱塞维持在其更接近电磁线圈的位置，使得阀打开并且水流过阀。使用如以上所描述的方法，可以在阀被激活的时间段期间施加涌入电压，并且所计算的测试上升时间T_上升，总必须短于最初记录的上升时间T_i。如果没有，则误差已经发生。由于保持电压V_h太低，柱塞远离其更接近线圈的位置移动，或柱塞在激活的开始阶段时卡住，并且因此从未移动。测试也可以在灌溉结束时进行，此时阀将被停用以判定在灌溉期期间是否发生了误差。

将测试上升时间与上升时间进行比较的方法也可以用于测试致动器是否已经以可移动元件不能移动的方式变得有缺陷。对应于涌入电压V_i和涌入电流I_i(V_i，T_i，R)的上升时间T_i都必须通过测量得知，其中致动器处于工作状态。通过重复上升时间的测量(在电磁线圈的电阻可以被假设为基本相同的条件下)，即通过测量通过电磁线圈的电流达到涌入电流I_i所花费的时间，已测量的上升时间应该与先前测量的上升时间基本相同。如果已测量的上升时间低于先前测量的上升时间，则可移动元件在新的测量期间没有移动，并且可以得出致动器已经变得有缺陷的结论。

必须将测量结果与电磁线圈的电阻可以被假设为基本相同的条件下记录的数据进行比较，这是一个限制。例如，铜(Cu)的电阻在接近室温时每摄氏度变化近似0.4％，因此在选择先前测量的数据进行比较时必须小心。

已经描述了用于常闭电磁阀的方法，其中，可移动元件是柱塞，但是该方法对于包括电磁线圈的所有类型的换能器都是有用的，该电磁线圈可能导致某物移动。例如，该方法可以与继电器一起使用，该继电器由被电磁线圈生成的磁场倾斜的棘爪激活。

这些方法将使其自身在具有计算机化系统的自动灌溉系统中实施，该计算机化系统具有用于控制和/或诊断电磁阀的算法。操作电磁阀的解码器和灌溉控制单元的位置确定了涌入电压V_i的可能最大值。最重要的参数是控制单元的输出电压和电流限制，以及解码器与电磁阀之间的导线电阻。

所有这些参数都可以在算法中得到考虑，使得一旦系统运行，用于单个解码器电磁阀对的已知参数是可用的。

尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是本发明不应被解释为以任何方式限制于所呈现的实例。本发明的范围由所附权利要求集合来阐述。在权利要求的上下文中，术语“包括(comprising)”或“包括(comprises)”不排除其它可能的元件或步骤。此外，提及如“一”或“一个”等参考不应该被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所指示的元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的单个特征可能被有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征的组合是不可能的且有利的。

V_i DC涌入电压/涌入电压

T_i 上升时间

I_s 稳态电流

I_i 涌入电流

V_oper 操作保持电压

V_h 保持电压

I_h 保持电流

T_h 保持电流时间

T_测试 测试上升时间

T_上升，总 总上升时间

R_线圈 电磁线圈的电阻。

Claims (16)

1.一种控制用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，所述致动器包括：

可移动元件和电磁线圈，所述电磁线圈用于生成磁场以用于沿着所述电磁线圈的轴线使所述可移动元件位移，所述可移动元件包括磁性材料，所述致动器具有主动状态和被动状态，所述可移动元件在所述致动器处于所述主动状态时比所述致动器处于所述被动状态时更接近所述电磁线圈，

所述方法包括以下步骤：

对所述电磁磁线圈施加DC涌入电压V_i，使得电流流过所述电磁线圈，由此流过所述电磁线圈的所述电流增加，直到其已经达到涌入稳态电流I_s，

优化操作保持电压V_oper，其中优化所述操作保持电压V_oper包括以下步骤：

a)施加保持电压V_h，所述保持电压低于所述DC涌入电压V_i，

b)对所述电磁线圈施加所述DC涌入电压V_i，

c)判定所述可移动元件是否由于在在步骤b)中施加所述DC涌入电压V_i期间由所述电磁线圈产生的所述磁场而从所述被动状态移动至所述主动状态，其中，判定所述可移动元件是否从所述被动状态移动至所述主动状态包括以下步骤：

检索上升时间T_i，其中所述上升时间是所述电流通过所述电磁线圈达到涌入电流I_i所花费的时间，其中所述涌入电流基本上等于所述涌入稳态电流I_s，或所述涌入电流低于所述涌入稳态电流，

检索保持电流I_h，其中当所述保持电压V_h施加至所述电磁线圈时，所述保持电流I_h是通过所述电磁线圈的稳态电流，

检索保持电流时间T_h，其中所述保持电流时间T_h是当所述涌入电压V_i施加至所述电磁线圈时，通过所述电磁线圈的所述电流从零电流至所述保持电流I_h所花费的时间，测量测试上升时间T_测试，其中所述测试上升时间T_测试是通过所述电磁线圈的所述电流从所述保持电流I_h，并且基本上到达所述涌入电流I_i所花费的时间，并且如果所述保持电流时间T_h和所述测试上升时间T_测试之和基本上等于所述上升时间T_i，即如果T_h+T_测试≈T_i，则判定所述可移动元件从所述被动状态移动至所述主动状态或从所述主动状态移动至所述被动状态，

d)重复步骤a)-c)以确定所述可移动元件被确定为没有移动的所述保持电压V_h的一个或多个值，以及可选地，确定在随后施加所述DC涌入电压V_i时所述可移动元件被确定为已经移动的所述保持电压V_h的一个或多个值，

e)选择所述操作保持电压V_oper，使其值基本上等于或高于所述保持电压V_h的最低值，对于所述最低值，确定所述可移动元件在随后施加所述DC涌入电压V_i时没有移动，

f)对所述电磁线圈施加所述操作保持电压V_oper，以将所述可移动元件维持在所述主动状态。

2.根据权利要求1所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，其中步骤e)进一步包括选择所述操作保持电压V_oper，

比所述保持电压V_h的所述最低值高近似50％，对于所述最低值，确定所述可移动元件在随后施加所述DC涌入电压V_i时没有移动。

3.根据前述权利要求中任一项所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，其中，所述方法进一步包括确定所述电磁线圈的电阻R_线圈的步骤。

4.根据权利要求3所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，其中，假设所述电磁线圈的所述电阻是欧姆的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，

其中，保持电流时间T_h的检索包括读取存储在数据存储介质上的值。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，其中，保持电流时间T_h的检索包括测量所述保持电流时间T_h。

7.根据前述权利要求中任一项所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，其中，所述致动器是电磁阀，并且所述可移动元件是柱塞或活塞。

8.根据权利要求7所述的控制用于低功率系统的致动器的方法，其中，所述电磁阀是灌溉系统的一部分。

9.一种诊断用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，所述致动器包括可移动元件和电磁线圈，所述电磁线圈用于生成磁场以用于沿着所述电磁线圈的轴线使所述可移动元件位移，所述可移动元件包括软磁材料，所述致动器具有主动状态和被动状态，所述可移动元件在所述致动器处于所述主动状态时比所述致动器处于所述被动状态时更接近所述电磁线圈，保持电压V_h被施加至所述电磁线圈，所述保持电压是恒定的DC电压，所述方法包括以下步骤：

测量通过所述电磁线圈的保持电流I_h，所述保持电流I_h是当施加所述保持电压V_h时流过所述电磁线圈的稳态电流，

检索表征所述电磁线圈和所述可移动元件的值：

DC涌入电压V_i和对应的上升时间T_i，

涌入电流I_i(V_i，T_i，R)取决于所述DC涌入电压V_i、所述上升时间T_i和所述电磁线圈的电阻R，其中所述涌入电流I_i是在所述DC涌入电压V_i已经施加至所述电磁线圈一段时间T_i之后流过所述电磁线圈的电流，所述一段时间T_i是从基本上零电压施加至所述电磁线圈的时间开始，

保持电流时间T_h，其中所述保持电流时间T_h是通过所述电磁线圈的所述电流从基本上零电流至所述保持电流I_h所花费的时间，将所述检索到的DC涌入电压V_i施加至所述电磁线圈，同时测量作为时间函数的通过所述电磁线圈的所述电流，

确定测试上升时间T_测试，所述测试上升时间是所述电流通过所述电磁线圈以基本上达到所述涌入电流I_i的检索到的值所花费的时间，

计算总上升时间T_上升，总，作为所述保持电流时间T_h和所述测量的测试上升时间T_测试的总和，使得T_上升，总＝T_h+T_测试，

在测量不确定度内，判定所述总上升时间T_上升，总是否基本上等于所述上升时间T_i，

并且如果是，则得出结论所述可移动元件由于对所述电磁线圈施加所述检索到的DC涌入电压V_i而移动。

10.根据权利要求9所述的诊断用于低功率系统的致动器的方法，其中，所述致动器是电磁阀，并且所述可移动元件是柱塞或活塞。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的诊断用于低功率系统的致动器的方法，

其中，所述电磁阀是灌溉系统的一部分。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的诊断用于低功率系统的致动器的方法，其中，

在步骤b)中检索表征所述电磁线圈和所述可移动元件的值包括读取存储在数据存储介质上的一个或多个值。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的诊断用于低功率系统的致动器的方法，其中，

在步骤b)中检索表征所述电磁线圈和所述可移动元件的值包括测量一个或多个值。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的诊断用于低功率系统的致动器的方法，其中，

所述方法进一步包括步骤：向系统或用户报告所述可移动元件是否移动。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的控制包括可移动元件和电磁线圈的致动器的方法的使用，

以用于控制包括螺线管和活塞的灌溉阀。

16.一种控制用于如灌溉系统等低功率系统的致动器的方法，所述致动器包括可移动元件和电磁线圈，所述电磁线圈用于生成磁场以用于沿着所述电磁线圈的轴线使所述可移动元件位移，所述可移动元件包括磁性材料，所述致动器具有主动状态和被动状态，

所述可移动元件在所述致动器处于所述主动状态时比所述致动器处于所述被动状态时更接近所述电磁线圈，其中所述主动状态是通过对所述电磁线圈施加DC电压而获得的；

所述方法包括以下步骤：

1)对所述电磁线圈施加第一DC电压，使得电流流过所述电磁线圈，所述电流足以将所述致动器从所述被动状态带到所述主动状态，

2)施加低于所述第一DC电压的DC电压，并判定所述可移动元件是否移动，将所述致动器从所述主动状态带到所述被动状态，

3)重复步骤2)，并确定低于所述第一DC电压的多个第二DC电压，其中所述可移动元件不移动，使得所述致动器维持在所述主动状态，

4)选择并施加所述第二电压中的至少一个以将所述致动器保持在所述主动状态。

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