CN114237310A - 一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统及方法，包括基于位移传感器的位移内环控制回路，以及基于流量传感器的流量外环控制回路；内外控制环路均可通过模式选择器控制工作在开环和闭环状态，形成四种工作模式。本发明在流量反馈环路的基础上引入位移反馈环路，对压电阀的开启位移进行控制，进而提高压电比例阀在实际流量调节的收敛速度；同时利用多种工作模式，解决比例压电流量调节系统的可靠性和容错能力，解决单个传感器故障时流量调节系统工作可靠性问题。

Description

一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统及方法

技术领域

本发明涉及流量控制领域，具体地，涉及一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统及方法。

背景技术

超高精度低噪声卫星为了抵消如太阳光压等μN甚至亚μN级别的空间干扰力，实现无拖曳控制，要求推进系统具有高推力稳定性、低推力噪声和高控制精度的特点。冷气变推力技术成为超高精度低噪声卫星推进系统最受欢迎的技术之一，其核心是高精度、快响应流量控制。传统的冷气变推力系统主要包含比例推力器、流量传感器两个部分，冷气变推力系统根据流量传感器反馈来调节带比例阀喉部面积，控制气体流量，从而实现推力的连续调节。

然而冷气变推力系统为了实现流量的精确控制，传统的方法通常采用基于流量传感器的单回路控制方式，由于压电阀本身的迟滞和蠕变特性，传统方法调节速度慢，单反馈回路的可靠性也不高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对压电比例阀的迟滞和蠕变特性，提出一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统及方法，在流量反馈环路的基础上引入位移反馈环路，对压电阀的开启位移进行控制，进而提高压电比例阀在实际流量调节的收敛速度；同时利用多种工作模式，解决比例压电流量调节系统的可靠性和容错能力，解决单个传感器故障时流量调节系统工作可靠性问题。

本发明的技术方案是：一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，包括：

基于流量传感器的流量外环控制回路、基于位移传感器的位移内环控制回路和压电比例阀P；

基于流量传感器的流量外环控制回路通过内部的模式选择器选择流量开环或闭环，通过内部控制器实现流量闭环控制，最后通过内部模型完成流量控制量到位移设定量的转换；

基于位移传感器的位移内环控制回路通过内部的模式选择器选择位移开环或闭环，通过内部控制器实现位移闭环控制，最后通过内部模型完成位移控制量到压电比例阀P驱动量的转换，从而控制流量输出。

基于流量传感器的流量外环控制回路，包括模式选择器K1、模式选择器K2，控制器A1、模型M1、模型M2、负反馈减法器F1，以及流量传感器S1；所述模型M1和M2为流量-位移模型；所述模式选择器K1、K2均包括公共端1和切换端2、3；其中，模式选择器K1和K2用于选择流量开环或闭环，控制器A1实现流量闭环控制，模型M1和M2则用于实现流量控制量到位移设定量的转换，流量传感器S1用于反馈压电比例阀P的输出流量；

外部的流量设定端连接至模式选择器K1的1号端，模式选择器K1的2号端与模型M1输入端相连，模式选择器K1的3号端连接至负反馈减法器F1的正输入端，负反馈减法器F1的负输入端与流量传感器S1输出端相连，负反馈减法器F1的输出端连接至控制器A1的输入端，控制器A1的输出连接至模式选择器K2的3号端，模式选择器K2的2号端与模型M1输入端相连，模式选择器K2的1号端连接至模型M2的输入端；模型M2的输出端作为基于流量传感器的流量外环控制回路的输出连接至基于位移传感器的位移内环控制回路；

流量外环控制回路在闭环模式下时，模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，此时，流量设定值与流量传感器S1通过负反馈减法器F1作差后得到误差1，即控制器A1的输入，控制器A1的输出通过模型M2线性映射到位移设定值，输出到位移内环控制回路；

流量外环控制回路在开环模式下时，模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，此时，流量设定值通过模型M1和M2组成线性转换公式将流量设定值转换为位移设定值，输出到位移内环控制回路。

基于位移传感器的位移内环控制回路，包括模式选择器K3、模式选择器K4、控制器A2、模型M3、模型M4、负反馈减法器F2，以及位移传感器S2；其中，模式选择器K3和K4用于选择位移开环或闭环，控制器A2实现位移闭环控制，模型M3和M4则用于实现位移控制量到压电比例阀P驱动量的转换，位移传感器S2用于反馈压电比例阀P的输出流量；所述模型M3和M4为位移-电压模型；所述模式选择器K3、K4均包括公共端1和切换端2、3；

位移内环控制回路在闭环模式下时，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连，此时，位移设定值与位移传感器S2通过负反馈减法器F2作差后得到误差2，控制器A2的输出通过模型M4线性映射到驱动电压，用于驱动压电比例阀P工作，调节压电比例阀P开度，从而控制流量输出；

模型M2的输出端连接至模式选择器K3的1号端，模式选择器K3的2号端与模型M3输出端相连，模式选择器K3的3号端连接至负反馈减法器F2的正输入端，负反馈减法器F2的负输入端与流量传感器S2输出端相连，负反馈减法器F2的输出端连接至控制器A2的输入端，控制器A2的输出端连接至模式选择器K4的3号端，模式选择器K4的2号端与模型M3输出端相连，模式选择器K4的1号端连接至模型M4输入端，模型M4输出连接至压电比例阀P的输入端，压电比例阀P的位移输出端连接至位移传感器S2的输入端，压电比例阀P的流量输出端连接至流量传感器S1的输入端；

位移内环控制回路在开环模式下时，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连，此时，位移设定值通过模型M3和M4组成的线性转换公式将位移设定值转换为驱动电压，用于驱动压电比例阀P工作，调节压电比例阀P开度，从而控制流量输出。

对于控制器A1或A2：输入输出关系表达式如下：

u(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d(1-a)[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]+(1+a)u(k-1)-au(k-2)

其中，控制器输入为负反馈减法器F1或F2的输出，即误差；

e(k)为当前误差，e(k-1)为上一次历史误差，e(k-2)为上上次历史误差；u(k)为控制器当前输出值，u(k-1)为控制器上一次输出值，u(k-2)为控制器上上次输出值。Kp、Ki、Kd为控制器参数，根据实际情况进行调整；a为滤波系数，取值范围：0≤a≤1；所述模型M1-M4均为线性模型Y＝kX+b，其中X为模型输入，Y为模型输出，k和b为模型参数，数值需根据不同工作模式设置。

基于位移传感器的位移内、外控制环路均通过模式选择器控制工作在开环和闭环状态，形成四种工作模式。

模式一，外环和内环控制回路均处于闭环反馈状态，即模式选择器K1的1号端与3号端相连，模式选择器K2的1号端与3号端相连，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连。

模式二，外环控制回路处于闭环反馈状态，内环控制回路处于开环状态，即模式选择器K1的1号端与3号端相连，模式选择器K2的1号端与3号端相连，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连。

模式三，外环控制回路处于开环状态，内环控制回路处于闭环反馈状态，即模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连。

模式四，外环和内环控制回路均处于开环状态，即模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连。

一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节方法，步骤如下：

1)通过模式选择器K1和K2选择流量外环控制回路的工作模式，流量开环或者闭环模式；

2)通过模式选择器K3和K4选择选择位移内环控制回路的工作模式，位移开环或者闭环模式；

3)通过步骤1和步骤2选择的具体模式，配置模型M1、M2、M3和M4的模型系数；

4)设置控制器A1和A2的初始参数；

5)以上步骤即完成了整个控制系统的配置工作，控制系统可进行工作。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明提出一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，通过采用位移闭环解决压电迟滞特性带来的模型非线性问题，解决了压电比例阀固有迟滞和蠕变特性导致的流量调节速度慢的问题。

2)本发明基于所提出位移流量双闭环的多模式流量调节方法，通过采用内外环的多模式工作解决了比例压电流量调节系统的可靠性和容错能力，可很大程度提高流量调节系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明流量控制系统框图；

图2为本发明流量控制系统实施方式框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，模式选择器K1、负反馈减法器F1、控制器A1、模型M1、流量传感器S1、模式选择器K2、模型M2、模式选择器K3、负反馈减法器F2、模型M3、控制器A2、位移传感器S2、模式选择器K4、模型M4、压电比例阀P；对模型X进行解释

对于控制器A1或A2：其输入输出关系表达式如下：

u(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d(1-a)[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]+(1+a)u(k-1)-au(k-2)

其中，控制器输入为负反馈减法器F1或F2的输出，即误差。

e(k)为当前误差，e(k-1)为上一次历史误差，e(k-2)为上上次历史误差。u(k)为控制器当前输出值，u(k-1)为控制器上一次输出值，u(k-2)为控制器上上次输出值。Kp、Ki、Kd为控制器参数，根据实际情况进行调整。a为滤波系数，取值范围：0≤a≤1。

模型M1、M2、M3或M4：为线性模型Y＝kX+b，其中X为模型输入，Y为模型输出，k和b为模型参数，其参数值需根据不同工作模式设置。

外部的流量设定端连接至模式选择器K1的1号端，模式选择器K1的2号端与模型M1输入端相连，模式选择器K1的3号端连接至负反馈减法器F1的正输入端，负反馈减法器F1的负输入端与流量传感器S1输出端相连，负反馈减法器F1的输出端(误差1)连接至控制器A1的输入端，控制器A1的输出连接至模式选择器K2的3号端，模式选择器K2的2号端与模型M1输入端相连，模式选择器K2的1号端连接至模型M2的输入端，模型M2的输出端(位移设定)连接至模式选择器K3的1号端，模式选择器K3的2号端与模型M3输出端相连，模式选择器K3的3号端连接至负反馈减法器F2的正输入端，负反馈减法器F2的负输入端与流量传感器S2输出端相连，负反馈减法器F2的输出端(误差2)连接至控制器A2的输入端，控制器A2的输出端连接至模式选择器K4的3号端，模式选择器K4的2号端与模型M3输出端相连，模式选择器K4的1号端连接至模型M4输入端，模型M4输出连接至压电比例阀P的输入端，压电比例阀P的位移输出端连接至位移传感器S2的输入端，压电比例阀P的流量输出端连接至流量传感器S1的输入端。

本发明一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，包括基于流量传感器的流量外环控制回路，以及基于位移传感器的位移内环控制回路；内外控制环路均可通过模式选择器控制工作在开环和闭环状态，形成四种工作模式。

具体如下：

模式一，流量调节系统工作在位移-流量双闭环模式，利用内环位移反馈控制克服压电比例阀迟滞、蠕变特性，通过外环流量反馈控制进行流量精确调节，使整个流量调节系统获得高精度、快响应的整体性能；

模式二，当位移传感器故障或失效时，将位移环路切换至开环状态，流量环路工作在闭环模式，该模式下牺牲部分响应速度，仍保证系统流量控制精度；

模式三，当流量传感器故障或失效时，将流量环路切换至开环状态，位移环路工作在闭环模式，此时依据位移-流量模型进行流量开环控制，保证系统流量调节的基本功能；

模式四，当系统位移传感器和流量传感器均故障或失效时，流量环路和位移环路均设置为开环状态，此时依据驱动电压-流量模型进行流量开环控制，维持系统流量调节的基本功能。

一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节方法，步骤如下：

1)通过模式选择器K1和K2选择流量外环控制回路的工作模式，流量开环或者闭环模式；

2)通过模式选择器K3和K4选择选择位移内环控制回路的工作模式，位移开环或者闭环模式；

3)通过步骤1和步骤2选择的具体模式，配置模型M1、M2、M3和M4的模型系数；

4)设置控制器A1和A2的初始参数；

5)以上步骤即完成了整个控制系统的配置工作，控制系统可进行工作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图2所示，一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其组成包括：模式选择器K1、负反馈减法器F1、PID控制器A1、流量-位移模型M1、流量传感器S1、模式选择器K2、流量-位移模型M2、模式选择器K3、负反馈减法器F2、位移-电压模型M3、PID控制器A2、位移传感器S2、模式选择器K4、位移-电压模型M4、压电比例阀P。具体连接关系如下：

流量设定端连接至模式选择器K1的1号端，模式选择器K1的2号端与流量-位移模型M1输入相连，模式选择器K1的3号端连接至负反馈减法器F1的正(+)输入端，负反馈减法器F1的负(-)输入端与流量传感器S1输出相连，负反馈减法器F1的输出(误差1)连接至PID控制器A1的输入，PID控制器A1的输出连接至模式选择器K2的3号端，模式选择器K2的2号端与流量-位移模型M1输入相连，模式选择器K2的1号端连接至流量-位移模型M2的输入，流量-位移模型M2的输出(位移设定)连接至模式选择器K3的1号端，模式选择器K3的2号端与位移-电压模型M3输出相连，模式选择器K3的3号端连接至负反馈减法器F2的正(+)输入端，负反馈减法器F2的负(-)输入端与流量传感器S2输出相连，负反馈减法器F2的输出(误差2)连接至PID控制器A2的输入，PID控制器A2的输出连接至模式选择器K4的3号端，模式选择器K4的2号端与位移-电压模型M3输出相连，模式选择器K4的1号端连接至位移-电压模型M4输入，位移-电压模型M4输出连接至压电比例阀P的输入，压电比例阀P的位移输出连接至位移传感器S2的输入，压电比例阀P的流量输出连接至流量传感器S1的输入。

基于流量传感器的流量外环控制回路，主要包括模式选择器K1和K2，PID控制器A1，流量-位移模型M1和M2，负反馈减法器F1，以及流量传感器S1；其中，模式选择器K1和K2用于选择流量开环或闭环，PID控制器A1实现流量闭环控制，流量-位移模型M1和M2则用于实现流量控制量到位移设定量的转换，流量传感器S1用于反馈压电比例阀P的输出流量。

基于位移传感器的位移内环控制回路，主要包括模式选择器K3和K4，PID控制器A2，位移-电压模型M3和M4，负反馈减法器F2，以及位移传感器S2；其中，模式选择器K3和K4用于选择位移开环或闭环，控制器A2实现位移闭环控制，位移-电压模型M3和M4则用于实现位移控制量到压电比例阀P驱动量的转换，位移传感器S2用于反馈压电比例阀P的输出流量。

通过模式选择器K1～K4可以选择四种工作模式。具体如下：

模式一，外环和内环均处于闭环反馈状态，即模式选择器K1的1号端与3号端相连，模式选择器K2的1号端与3号端相连，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连。

模式二，外环处于闭环反馈状态，内环处于开环状态，即模式选择器K1的1号端与3号端相连，模式选择器K2的1号端与3号端相连，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连。

模式三，外环处于开环状态，内环处于闭环反馈状态，即模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连。

模式四，外环和内环均处于开环状态，即模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于包括：基于流量传感器的流量外环控制回路、基于位移传感器的位移内环控制回路和压电比例阀P；

基于流量传感器的流量外环控制回路通过内部的模式选择器选择流量开环或闭环，通过内部控制器实现流量闭环控制，最后通过内部模型完成流量控制量到位移设定量的转换；

基于位移传感器的位移内环控制回路通过内部的模式选择器选择位移开环或闭环，通过内部控制器实现位移闭环控制，最后通过内部模型完成位移控制量到压电比例阀P驱动量的转换，驱动压电比例阀P工作，从而控制流量输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：基于流量传感器的流量外环控制回路，包括模式选择器K1、模式选择器K2，控制器A1、模型M1、模型M2、负反馈减法器F1，以及流量传感器S1；所述模型M1和M2为流量-位移模型；所述模式选择器K1、K2均包括公共端1和切换端2、3；其中，模式选择器K1和K2用于选择流量开环或闭环，控制器A1实现流量闭环控制，模型M1和M2则用于实现流量控制量到位移设定量的转换，流量传感器S1用于反馈压电比例阀P的输出流量；

外部的流量设定端连接至模式选择器K1的1号端，模式选择器K1的2号端与模型M1输入端相连，模式选择器K1的3号端连接至负反馈减法器F1的正输入端，负反馈减法器F1的负输入端与流量传感器S1输出端相连，负反馈减法器F1的输出端连接至控制器A1的输入端，控制器A1的输出连接至模式选择器K2的3号端，模式选择器K2的2号端与模型M1输入端相连，模式选择器K2的1号端连接至模型M2的输入端；模型M2的输出端作为基于流量传感器的流量外环控制回路的输出连接至基于位移传感器的位移内环控制回路；

流量外环控制回路在闭环模式下时，模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，此时，流量设定值与流量传感器S1通过负反馈减法器F1作差后得到误差1，即控制器A1的输入，控制器A1的输出通过模型M2线性映射到位移设定值，输出到位移内环控制回路；

流量外环控制回路在开环模式下时，模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，此时，流量设定值通过模型M1和M2组成线性转换公式将流量设定值转换为位移设定值，输出到位移内环控制回路。

3.根据权利要求2所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：基于位移传感器的位移内环控制回路，包括模式选择器K3、模式选择器K4、控制器A2、模型M3、模型M4、负反馈减法器F2，以及位移传感器S2；其中，模式选择器K3和K4用于选择位移开环或闭环，控制器A2实现位移闭环控制，模型M3和M4则用于实现位移控制量到压电比例阀P驱动量的转换，位移传感器S2用于反馈压电比例阀P的输出流量；所述模型M3和M4为位移-电压模型；所述模式选择器K3、K4均包括公共端1和切换端2、3；

模型M2的输出端连接至模式选择器K3的1号端，模式选择器K3的2号端与模型M3输出端相连，模式选择器K3的3号端连接至负反馈减法器F2的正输入端，负反馈减法器F2的负输入端与流量传感器S2输出端相连，负反馈减法器F2的输出端连接至控制器A2的输入端，控制器A2的输出端连接至模式选择器K4的3号端，模式选择器K4的2号端与模型M3输出端相连，模式选择器K4的1号端连接至模型M4输入端，模型M4输出连接至压电比例阀P的输入端，压电比例阀P的位移输出端连接至位移传感器S2的输入端，压电比例阀P的流量输出端连接至流量传感器S1的输入端；

位移内环控制回路在闭环模式下时，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连，此时，位移设定值与位移传感器S2通过负反馈减法器F2作差后得到误差2，控制器A2的输出通过模型M4线性映射到驱动电压，用于驱动压电比例阀P工作，调节压电比例阀P开度，从而控制流量输出；

位移内环控制回路在开环模式下时，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连，此时，位移设定值通过模型M3和M4组成的线性转换公式将位移设定值转换为驱动电压，用于驱动压电比例阀P工作，调节压电比例阀P开度，从而控制流量输出。

4.根据权利要求3所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：对于控制器A1或A2：输入输出关系表达式如下：

u(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d(1-a)[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]+(1+a)u(k-1)-au(k-2)

其中，控制器输入为负反馈减法器F1或F2的输出，即误差；

e(k)为当前误差，e(k-1)为上一次历史误差，e(k-2)为上上次历史误差；u(k)为控制器当前输出值，u(k-1)为控制器上一次输出值，u(k-2)为控制器上上次输出值。Kp、Ki、Kd为控制器参数，根据实际情况进行调整；a为滤波系数，取值范围：0≤a≤1；所述模型M1-M4均为线性模型Y＝kX+b，其中X为模型输入，Y为模型输出，k和b为模型参数，数值需根据不同工作模式设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：基于位移传感器的位移内、外控制环路均通过模式选择器控制工作在开环和闭环状态，形成四种工作模式。

6.根据权利要求5所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：模式一，外环和内环控制回路均处于闭环反馈状态，即模式选择器K1的1号端与3号端相连，模式选择器K2的1号端与3号端相连，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连。

7.根据权利要求5所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：模式二，外环控制回路处于闭环反馈状态，内环控制回路处于开环状态，即模式选择器K1的1号端与3号端相连，模式选择器K2的1号端与3号端相连，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连。

8.根据权利要求5所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：模式三，外环控制回路处于开环状态，内环控制回路处于闭环反馈状态，即模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，模式选择器K3的1号端与3号端相连，模式选择器K4的1号端与3号端相连。

9.根据权利要求5所述的一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节系统，其特征在于：模式四，外环和内环控制回路均处于开环状态，即模式选择器K1的1号端与2号端相连，模式选择器K2的1号端与2号端相连，模式选择器K3的1号端与2号端相连，模式选择器K4的1号端与2号端相连。

10.一种基于位移流量双闭环的多模式流量调节方法，其特征在于步骤如下：

1)通过模式选择器K1和K2选择流量外环控制回路的工作模式，流量开环或者闭环模式；

2)通过模式选择器K3和K4选择选择位移内环控制回路的工作模式，位移开环或者闭环模式；

3)通过步骤1和步骤2选择的具体模式，配置模型M1、M2、M3和M4的模型系数；

4)设置控制器A1和A2的初始参数；

5)以上步骤即完成了整个控制系统的配置工作，控制系统可进行工作。

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