CN114509933A - 一种数字阀组均匀切换控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对PCM与PWM复合控制的数字阀组提供一种数字阀组均匀切换控制方法，其包括数字阀组、压力源、管路、控制器、多个压力传感器和流量传感器。本发明定义数字阀组的等效阀芯位移可实现数字阀组精确控制，采用随机函数的方法选择各个阀的控制方式，将数字阀组中的PWM控制方式作用于在数字阀组中的任意阀实现各个阀切换次数的均匀切换。本发明的方法不局限于数字阀的数量、控制方式及编码形式，且具有高可扩展性，能够延长数字阀组整体的寿命，极大地提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及数字液压元件开关控制领域，特别涉及一种数字阀组均匀切换控制方法。
背景技术
多个小流量增益的数字阀并联构建数字阀组可以通过开关组合近似实现连续控制，同时增加数字阀个数就可以提高流量，不但增加了系统的冗余度，极大提高了系统的可靠性，而且能够保持原有的频率特性。本发明所应用的数字液压阀组原理图如附图1所示。其通过把数字阀以并联的方式连接，控制流量输出。现有的PCM和PWM复合控制方法可以提高系统控制的精确度，但是PCM和PWM复合控制方法忽略了阀组中某一数字阀持续高频开关切换对数字阀寿命和可靠性的影响，直接导致系统精度、寿命、稳定性等指标降级，也大大增加了其研制、生产尤其是维护和保障的成本。另外，随着数字阀组数量的增多，其冗余的组合数量也随着突增，考虑切换次数与时长等可靠性因素，确定最佳组合也是一大难题。因此，提出一种利用随机函数实现数字阀组中各数字阀均匀切换的控制方法，对保障数字阀组及系统的可靠性及提高其整体寿命，丰富数字液压技术具有重要的理论和现实意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种数字阀组均匀切换控制方法，主要是降低数字阀故障或性能退化对阀组整体或系统运行性能的影响，保证数字液压系统的精确运行，具有重要的科研参考价值以及工程实际意义。
本发明提供了一种基于PCM与PWM控制的等编码数字阀组均匀切换控制方法，其主要包括采用随机函数的方法选择以PWM控制方式工作阀的位置，提高数字阀组在PCM与PWM复合控制方法下每个阀的使用寿命和系统的可靠性。
具体地，本发明提供一种数字阀组均匀切换控制方法，其包括以下步骤：
S1、进行切换前的准备工作，具体包括以下步骤：
S11、将数字阀组所有数字阀关闭，并将数字阀组的进油口与压力源相连接，出油口与执行器相连接；
S12、给定执行器位置信号，通过执行器伸出速度计算出执行器所需要的流量Q；
S13、通过压力传感器采集数字阀组前后两腔的压力信号，并计算出单个开关阀开启时对应的理论流量q；
S2、根据数字阀组中数字阀的数量对阀芯位移xv区间均等分，通过占空比在各区间内等分，实现近似连续的阀芯位移输出，等效阀芯位移xv的计算方法如下所示：
其中，q为单个开关阀开启时对应的理论流量，Q为执行器所需流量，τ为PWM控制信号的占空比；
S3、根据等效阀芯位移xv，反解数字阀组中数字阀开启数量n、占空比τ以及控制方式：
其中，数字阀开启数量n＝Q/q，占空比τ＝f(Q,p)，通过反解计算得到如下控制方式：
0＜xv＜0.2,PCM：n＝0；PWM:τ＝5·xv；
0.2≤xv＜0.4,PCM：n＝1；PWM:τ＝5·(xv-0.2)；
0.4≤xv＜0.6,PCM：n＝2；PWM:τ＝5·(xv-0.4)；
0.6≤xv＜0.8,PCM：n＝3；PWM:τ＝5·(xv-0.6)；
0.8≤xv＜1,PCM：n＝4；PWM:τ＝5·(xv-0.8)；
S4、基于步骤S12中上一次采样时间的开关信号，通过以切换次数少为原则的代价函数缩小组合空间，代价函数J＝|Ui+1-Ui|,Ui+1和Ui分别为后一时刻和前一时刻的开关信号，选取代价函数最小即切换次数最少的情况，生成n个数字阀开启的PCM控制信号库，PCM控制信号库共有m(m≥1)种组合，
其中，PCM控制信号库具体为：
S5、根据上一时刻PCM控制信号Ui，以切换次数最小为原则，并利用所述随机函数randperm的无重复随机排列，选择符合
的1种组合，确定PCM数字阀开启位置，即把步骤S4中生成的n个数字阀开启的PCM信号库中的信号进行随机列排序，随机选取一列作为PCM控制信号，完成不重复的重排采样，并反馈给代价函数J＝sum|Ui+1-Ui|，其中，i为上一PCM控制信号，i+1为当前时刻PCM控制信号；
S6、在已确定PCM组合中，为PWM控制数字阀补充1-Bit零元素；
S7、读取新确定组合中零元素的个数为k，二次利用所述随机函数randperm，按照
选取零元素的位置作为PWM占空比信号；
S8、得到合成后的随机信号作为控制信号输出到所述数字阀。
可优选的是，所述开关阀组采用的开关阀为二位二通结构的常闭式开关阀，每一个开关阀型号相同且阀口过流面积相同。
可优选的是，所述开关阀组开关阀排序为V1、V2、V3、V4以及V5，等效阀芯位移xv∈[0～1]。
可优选的是，在多个数字阀组组合的液压系统中应用上述切换方法，从而能够实现对液压系统的执行器的精确位置控制。
可优选的是，数字阀组中的各个数字阀采取的工作方式包括多种组合方式，其中a个数字阀以PCM方式工作，b-a个阀以PWM方式工作，b为数字阀的总个数，a为1-b区间的整数。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明以随机函数的方法均匀切换阀的控制方式，首先克服了PCM与PWM分别采用固定阀控制的方法时，解决了PWM控制阀开关频繁，寿命短，易故障的缺点，并且提高了控制精度。
(2)本发明不限于PCM或PCM和PWM控制方式，适用于各种控制方式，使得每个阀都可以均匀的打开和关闭，从而能够延长阀的使用寿命，减少故障出现，保证控制精度，进一步增加整个系统的使用寿命。
(3)本发明具有很强的扩展性，该方法不局限于数字阀的数量、控制方式及编码形式，且具有高可扩展性，能够延长数字阀组整体的寿命，极大地提高了系统的可靠性。
附图说明
图1a-图1b分别为本发明的数字阀组原理图；
图2为本发明的等效阀芯控制框图；
图3为本发明的均匀切换控制流程图；
图4为本发明的均匀切换控制方法示意效果图；
图5a-图5b分别为本发明的均匀切换控制方法阀组实验曲线图；
图6为本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明的数字阀组均匀切换方法所应用的数字流量阀组，如图1a所示，其包括进油口P、出油口A、压力传感器、流量传感器、控制器以及开关阀。
进油口P接油源，出油口A接执行器。
以下结合实施对本发明一种数字阀组均匀切换控制方法做进一步描述：
本发明的工作过程分为准备过程、测试过程和数据的读取与处理过程，如图6所示，其具体操作步骤如下：
S1、进行切换前的准备工作，具体包括以下步骤：
S11、将数字阀组所有数字阀关闭，并将数字阀组的进油口与压力源相连接，出油口与执行器相连接；
S12、给定执行器位置信号，通过执行器伸出速度计算出执行器所需要的流量Q；
S13、通过压力传感器采集数字阀组前后两腔的压力信号，并计算出单个开关阀开启时对应的理论流量q；
S2、根据数字阀组中数字阀的数量对阀芯位移xv区间均等分，通过占空比在各区间内等分，实现近似连续的阀芯位移输出，等效阀芯位移xv的计算方法如下所示：
其中，q为单个开关阀开启时对应的理论流量，Q为执行器所需流量，τ为PWM控制信号的占空比Kc，是阀的流量系数，Δp为压差；
S3、根据等效阀芯位移xv，反解数字阀组中数字阀开启数量n、占空比τ以及控制方式：
其中，数字阀开启数量n＝Q/q，占空比τ＝f(Q,p)，通过反解计算得到如下控制方式：
0＜xv＜0.2,PCM：n＝0；PWM:τ＝5·xv；
0.2≤xv＜0.4,PCM：n＝1；PWM:τ＝5·(xv-0.2)；
0.4≤xv＜0.6,PCM：n＝2；PWM:τ＝5·(xv-0.4)；
0.6≤xv＜0.8,PCM：n＝3；PWM:τ＝5·(xv-0.6)；
0.8≤xv＜1,PCM：n＝4；PWM:τ＝5·(xv-0.8)；
S4、基于步骤S12中上一次采样时间的开关信号，通过以切换次数少为原则的代价函数缩小组合空间，代价函数J＝|Ui+1-Ui|,Ui+1和Ui分别为后一时刻和前一时刻的开关信号，选取代价函数最小即切换次数最少的情况，生成n个数字阀开启的PCM控制信号库，PCM控制信号库共有m(m≥1)种组合，
其中，PCM控制信号库具体为：
S5、根据上一时刻PCM控制信号Ui，以切换次数最小为原则，并利用随机函数randperm的无重复随机排列，选择符合
的1种组合，确定PCM数字阀开启位置，即把步骤S4中生成的n个数字阀开启的PCM信号库中的信号进行随机列排序，随机选取一列作为PCM控制信号，完成不重复的重排采样，并反馈给代价函数J＝sum|Ui+1-Ui|，其中，i为上一PCM控制信号，i+1为当前时刻PCM控制信号；
S6、在已确定PCM组合中，为PWM控制数字阀补充1-Bit零元素；
S7、读取新确定组合中零元素的个数为k，二次利用随机函数randperm，按照
选取零元素的位置作为PWM占空比信号；
S8、得到合成后的随机信号作为控制信号输出到数字阀。
数字阀组中的各个数字阀采取的工作方式包括多种组合方式，其中a个数字阀以PCM方式工作，b-a个阀以PWM方式工作，b为数字阀的总个数，a为1-b区间的整数。例如，总共4个数字阀，其中3个数字阀以PCM方式工作，1个阀以PWM方式工作。
在本发明的实施例中，多个数字阀组能够组合为液压系统，在多个数字阀组组合的液压系统中应用上述切换方法，从而能够实现对液压系统的执行器的精确位置控制。
具体实施例
本发明以4个PCM控制数字阀及1个PWM控制数字阀的5-Bit数字阀组为例，如图1a所示。
本发明根据数字阀组中阀的数量对阀芯位移xv区间均等分，通过占空比在各区间内等分，可实现近似连续的阀芯位移输出，如图2所示。
本发明根据目标流量分区间得到等效阀芯位移xv，然后反解数字阀组中数字阀开启数量n＝Q/q、占空比τ＝f(Q,p)及控制方式。
0＜xv＜0.2,PCM：n＝0；PWM:τ＝5·xv；
0.2≤xv＜0.4,PCM：n＝1；PWM:τ＝5·(xv-0.2)；
0.4≤xv＜0.6,PCM：n＝2；PWM:τ＝5·(xv-0.4)；
0.6≤xv＜0.8,PCM：n＝3；PWM:τ＝5·(xv-0.6)；
0.8≤xv＜1,PCM：n＝4；PWM:τ＝5·(xv-0.8)；
本发明不仅可用于单个数字阀组均匀切换控制，还可应用到多个数字阀组组合的液压系统中，进一步实现对执行器的精确位置控制。以四个数字阀组组成的PA、PB、AT、BT阀组系统为例，本发明可通过等效阀芯位移实现执行器位置闭环控制，如图1b)所示，以5-Bit数字阀组为例，由上述阀芯位移确定输出控制方式，数量，占空比等信号，再由均匀切换控制方法，选择数字阀的具体位置，详细流程如图3所示。
定义数字阀组等效阀芯位移xv，由目标流量所在区间确定PCM控制数字阀的开启数量n及PWM控制数字阀的占空比τ；
基于上一采样时间的开关信号，通过以切换次数少为原则的代价函数缩小组合空间，生成n个数字阀开启的PCM控制信号库，有m(m≥1)种组合，如Un＝0，Un＝1，Un＝2，Un＝3，Un＝4；
利用randperm随机函数的无重复随机排列，完成不重复的重排采样(k-permutations)，得到无重复的随机数。通过随机置换原数据的排列次序产生和原数据系列统计特征(如均值、方差、分布)一致的随机数据。
通过
选择1种组合，即可确定PCM数字阀开启位置，并反馈给代价函数J＝|Ui+1-Ui|(i为上一PCM控制信号，i+1为当前时刻PCM控制信号)；
在已确定PCM组合中，为PWM控制数字阀补充1-Bit零元素；
读取新确定组合中零元素的个数为k，二次利用随机函数randperm，按照
选取零元素的位置作为PWM占空比信号；
得到合成后的随机信号作为控制信号输出到对应数字阀。
下面以4个数字流量控制单元(DFCU)组成的数字阀组为例，介绍具体实施步骤，每个DFCU的原理图如图1a所示，4个DFCU组成的数字阀组原理如图1b，每个DFCU根据目标位移得到执行器两腔所需的流量，求得每个DFCU的等效阀芯位移，利用等效阀芯位移反解出PCM工作阀数量n和PWM工作阀占空比；根据PCM工作阀数量n得到对应开关阀开启数量的信号库，将信号库中的信号与前一时刻的开关信号进行处理得到代价函数，代价函数的最小值即为开关切换次数最少的情况；利用随机函数将符合条件的信号进行随机排列，并二次利用随机函数在某一位置插入一位零元素，将占空比的值赋在零元素的位置，其余位置为PCM控制阀的控制信号，采用均匀切换方法前后的效果图如图4所示，采用发明方法前，阀5固定为PWM控制阀，开关频繁，采用发明方法后，每个阀都可以成为PWM控制阀，每个阀的开关次数更均匀，图4中Vij代表第i个阀咋第j个周期；实验测得理论占空比与各个阀占空比曲线如图5a，5个开关阀的开关信号如图5b所示，实验证明采用发明方法后各阀开关次数更均匀。
图5为数字阀组均匀切换控制方法以4个PCM阀和1个PWM阀为例的实验结果，图5a中理论占空比曲线包络了阀V1、V2、V4、V5的占空比曲线，图5b中是各个阀的开关信号，本发明实现了以PWM控制方式工作的阀在不断切换，可以提高数字阀组系统的寿命和可靠性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种数字阀组均匀切换控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、进行切换前的准备工作，具体包括以下步骤：
S11、将数字阀组所有数字阀关闭，并将数字阀组的进油口与压力源相连接，出油口与执行器相连接；
S12、给定执行器位置信号，通过执行器伸出速度计算出执行器所需要的流量Q；
S13、通过压力传感器采集数字阀组前后两腔的压力信号，并计算出单个开关阀开启时对应的理论流量q；
S2、根据数字阀组中数字阀的数量对阀芯位移xv区间均等分，通过占空比在各区间内等分，实现近似连续的阀芯位移输出，得到等效阀芯位移xv，等效阀芯位移xv的计算方法如下所示：
0＜Q＜q,0＜xv＜0.2,
q≤Q＜2q,0.2≤xv＜0.4,
2q≤Q＜3q,0.4≤xv＜0.6,
3q≤Q＜4q,0.6≤xv＜0.8,
4q≤Q＜5q,0.8≤xv＜1,
其中，q为单个开关阀开启时对应的理论流量，Q为执行器所需流量，τ为PWM控制信号的占空比，Kc是阀的流量系数，Δp为压差，m为拟合系数；
S3、根据等效阀芯位移xv，反解数字阀组中数字阀开启数量n、占空比τ以及控制方式：
其中，数字阀开启数量n＝Q/q，占空比τ＝f(Q,p)，通过反解计算得到如下控制方式：
0＜xv＜0.2,PCM：n＝0；PWM:τ＝5·xv；
0.2≤xv＜0.4,PCM：n＝1；PWM:τ＝5·(xv-0.2)；
0.4≤xv＜0.6,PCM：n＝2；PWM:τ＝5·(xv-0.4)；
0.6≤xv＜0.8,PCM：n＝3；PWM:τ＝5·(xv-0.6)；
0.8≤xv＜1,PCM：n＝4；PWM:τ＝5·(xv-0.8)；
S4、基于步骤S12中上一次采样时间的开关信号，通过以切换次数少为原则的代价函数缩小组合空间，代价函数J＝|Ui+1-Ui|,Ui+1和Ui分别为后一时刻和前一时刻的开关信号，g根据代价函数最小即切换次数最少的原则，生成n个数字阀开启的PCM控制信号库，PCM控制信号库共有m(m≥1)种组合，
其中，PCM控制信号库具体为：
S5、根据上一时刻PCM控制信号Ui，以切换次数最小为原则，并利用所述随机函数randperm的无重复随机排列，选择符合
的1种组合，确定PCM数字阀开启位置，即将步骤S4中生成的n个数字阀开启的PCM信号库中的信号进行随机列排序，随机选取一列作为PCM控制信号，完成不重复的重排采样，并反馈给代价函数J＝sum|Ui+1-Ui|，其中，i为上一PCM控制信号，i+1为当前时刻PCM控制信号；
S6、在已确定PCM组合中，为PWM控制数字阀补充1-Bit零元素；
S7、读取新确定组合中零元素的个数为k，二次利用所述随机函数randperm，按照
选取零元素的位置作为PWM占空比信号；
S8、得到合成后的随机信号作为控制信号输出到所述各个数字阀。
2.根据权利要求1所述的数字阀组均匀切换控制方法，其特征在于：所述开关阀组采用的开关阀为二位二通结构的常闭式开关阀，每一个开关阀型号相同且阀口过流面积相同。
3.根据权利要求2所述的数字阀组均匀切换控制方法，其特征在于：所述开关阀组开关阀排序为V1、V2、V3、V4以及V5，等效阀芯位移xv∈[0～1]。
4.根据权利要求1所述的数字阀组均匀切换控制方法，其特征在于：在多个数字阀组组合的液压系统中应用上述切换方法，从而能够实现对液压系统的执行器的精确位置控制。
5.根据权利要求1所述的数字阀组均匀切换控制方法，其特征在于：数字阀组中的各个数字阀采取的工作方式包括多种组合方式，其中a个数字阀以PCM方式工作，b-a个阀以PWM方式工作，b为数字阀的总个数，a为1-b区间的整数。
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| CN114509933B (zh) | 2024-04-12 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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