CN115617085A - 一种高压气体压力控制阀 - Google Patents

一种高压气体压力控制阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压气体压力控制阀；包括：气压输入口、工作口、气压排气口，在气压输入口以及气压排气口之间的流道依次设置进气比例电磁阀以及溢流比例电磁阀，工作口作为压力输出口连接在进气比例电磁阀以及溢流比例电磁阀之间的流道；所述进气比例电磁阀电连接有进气比例电磁阀控制组件，所述溢流比例电磁阀设置有溢流比例电磁阀控制组件；所述进气比例电磁阀控制组件以及溢流比例电磁阀控制组件分别电连接至控制器；本发明涉及阀体控制技术领域。

Description

一种高压气体压力控制阀
技术领域
本发明涉及阀体控制技术领域。更确切地说涉及一种高压气体压力控制阀。
背景技术
目前气体压力控制阀应用在各种自动化生产控制场合，高压型产品国内外采用高频电磁阀配合先导控制方式制作的压力控制阀可以满足大部分应用，但是在部分高要求的领域对产品噪声、调压精度、调压速度提出更高要求时满足不了使用要求。为提升上述性能提出了一种高压气体压力控制阀。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，提供一种高压气体压力控制阀，包括：气压输入口、工作口、气压排气口，在气压输入口以及气压排气口之间的流道依次设置进气比例电磁阀以及溢流比例电磁阀，工作口作为压力输出口连接在进气比例电磁阀以及溢流比例电磁阀之间的流道；
所述进气比例电磁阀电连接有进气比例电磁阀控制组件，所述溢流比例电磁阀设置有溢流比例电磁阀控制组件；
所述进气比例电磁阀控制组件以及溢流比例电磁阀控制组件分别电连接至控制器；
所述控制器电连接有电流信号输入系统以压力信号输入系统，所述电流信号输入系统包括电连接至进气控制阀组件的电流信号采集电路，所述压力信号输入系统包括配合工作口设置的压力传感器反馈电路，压力传感器采集工作口的压力信号并反馈至控制器；
SS01：控制器通过对电流信号与压力信号产生误差，得到误差比例；
SS02：控制器通过误差比例，运用非线性PID调压算法得到进气比例电磁阀或者溢流比例电磁阀控制工作口的阀口开度；
SS03：根据目标工作口的阀口开度通过电流震颤算法得到进气比例电磁阀或者溢流比例电磁阀的PWM驱动信号；
SS04：进气比例电磁阀的电磁阀芯以及溢流比例电磁阀的阀芯根据PWM信号，受控产生位移与震颤；
SS05：工作口的输出压力根据进气比例电磁阀以及溢流比例电磁阀的阀芯位移发生变化，到达目标压力。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：控制逻辑简单实用，改进阀频响不足、调压精度不足、噪声高的问题。
作为本发明的一种改进，所述控制器通过将输入信号对比压力反馈的误差比例得到气压输出口分别具有超压、欠压以及稳压的状态：
采集的电流信号输入信号大于压力传感器反馈的压力信号，工作口输出的介质的压力值为欠压状态；
当采集的电流信号输入信号小于压力传感器反馈的压力信号，工作口输出的介质压力值为超压状态；
当采集的电流信号输入信号等于压力传感器反馈的压力信号，工作口输出的介质的压力值为稳压状态；
当工作口状态为超压状态或者欠压状态，控制器根据压力控制算法弥补状态差异，使压力迅速稳定。
作为本发明的一种改进，所述控制器获得压力输出状态，并通过压力控制算法预输出阀芯目标位移：
在处于超压的压力输出状态下，控制器通过进气比例电磁阀控制组件控制进气比例电磁阀阀芯减少位移，通过溢流比例电磁阀控制组件控制溢流比例电磁阀阀芯增加位移；
在处于稳压的压力输出状态下，控制器通过进气比例电磁阀控制组件控制进气比例电磁阀的位置固定，通过溢流比例电磁阀控制组件控制溢流比例电磁阀的位置固定；
在处于欠压的压力输出状态下，控制器通过进气比例电磁阀控制组件控制进气比例电磁阀阀芯增加位移。
作为本发明的一种改进，分时驱动的控制方式与棒棒控制器的介入：
将进气比例电磁阀以及溢流比例电磁阀的迟滞电流到零电流区间设定为关闭区间，进气算法、排气算法的切换在此介入；
同时，叠加棒棒算法，防止算法干扰产生压力震荡；
步骤SS03中的算法为：在获得目标位移A1后，输出可变PWM信号驱动进气比例电磁阀、或者溢流比例电磁阀到达A1点：
Figure RE-745876DEST_PATH_IMAGE001
；
当PWMA1值小于对应的电磁阀开启电流时；
当PWMA1值大于对应的电磁阀开启电流时；
持续变动位置信号，并在误差接近0时启用棒棒控制叠加进入位置AX；
Figure RE-357598DEST_PATH_IMAGE002
；
压力收敛进入稳态，使阀门维持当前位置，或者关闭阀门。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明控制连接示意图。
图3是本发明控制逻辑图。
图4是本发明的进气比例电磁阀控制组件的电路连接示意图。
图5是本发明的溢流比例电磁阀控制组件的电路连接示意图。
图6是本发明使用的压力控制算法时的正向流量或溢流流量为零时的压力特性曲线示意图。
图7是本发明使用的压力控制算法时的正向流量的压力特性曲线、以及溢流流量的压力特性曲线的示意图。
图8是本发明使用的压力控制算法时的压力调节特性的示意图。
图9是本发明使用的压力控制算法时的充气特性以及排气特性的示意图。
图中所示：1、气压输入口；2、工作口；3、气压排气口；4、进气比例电磁阀；4.1、进气比例电磁阀控制组件；5、溢流比例电磁阀；5.1、溢流比例电磁阀控制组件；6、控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1-图9所示，本发明的一种高压气体压力控制阀采用非线性PID调压算法叠加稳定态棒棒控制，结合进气比例电磁阀4的阀芯、以及溢流比例电磁阀5.1的阀芯的自稳定位移算法，可以直观的控制阀芯位移，且压力动态效果良好。
控制器6采用中速PID压力控制器及棒棒控制器作压力环路控制，提高压力控制精度。
一种高压气体压力控制阀，包括：气压输入口1、工作口2、气压排气口3，在气压输入口1以及气压排气口3之间的流道依次设置进气比例电磁阀4以及溢流比例电磁阀5.1，工作口2作为压力输出口连接在进气比例电磁阀4以及溢流比例电磁阀5.1之间的流道；
所述进气比例电磁阀4电连接有进气比例电磁阀控制组件4.1，所述溢流比例电磁阀5.1设置有溢流比例电磁阀控制组件5.1；
所述进气比例电磁阀控制组件4.1以及溢流比例电磁阀控制组件5.1分别电连接至控制器6；
所述控制器6电连接有电流信号输入系统以压力信号输入系统，所述电流信号输入系统包括电连接至进气控制阀组件的电流信号采集电路，所述压力信号输入系统包括配合工作口2设置的压力传感器反馈电路，压力传感器采集工作口2的压力信号并反馈至控制器6；
SS01：控制器6通过对电流信号与压力信号产生误差，得到误差比例；
SS02：控制器6通过误差比例，运用非线性PID调压算法得到进气比例电磁阀4或者溢流比例电磁阀5.1控制工作口2的阀口开度；
SS03：根据目标工作口2的阀口开度通过电流震颤算法得到进气比例电磁阀4或者溢流比例电磁阀5.1的PWM驱动信号；
SS04：进气比例电磁阀4的电磁阀芯以及溢流比例电磁阀5.1的阀芯根据PWM信号，受控产生位移与震颤；
SS05：工作口2的输出压力根据进气比例电磁阀4以及溢流比例电磁阀5.1的阀芯位移发生变化，到达目标压力。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：控制逻辑简单实用，改进阀频响不足、调压精度不足、噪声高的问题。
作为本发明的一种改进，所述控制器6通过将输入信号对比压力反馈的误差比例得到气压输出口分别具有超压、欠压以及稳压的状态：
采集的电流信号输入信号大于压力传感器反馈的压力信号，工作口2输出的介质的压力值为欠压状态；
当采集的电流信号输入信号小于压力传感器反馈的压力信号，工作口2输出的介质压力值为超压状态；
当采集的电流信号输入信号等于压力传感器反馈的压力信号，工作口2输出的介质的压力值为稳压状态；
当工作口2状态为超压状态或者欠压状态，控制器6根据压力控制算法弥补状态差异，使压力迅速稳定。
作为本发明的一种改进，所述控制器6获得压力输出状态，并通过压力控制算法预输出阀芯目标位移：
在处于超压的压力输出状态下，控制器6通过进气比例电磁阀控制组件4.1控制进气比例电磁阀4阀芯减少位移，通过溢流比例电磁阀控制组件5.1控制溢流比例电磁阀5.1阀芯增加位移；
在处于稳压的压力输出状态下，控制器6通过进气比例电磁阀控制组件4.1控制进气比例电磁阀4的位置固定，通过溢流比例电磁阀控制组件5.1控制溢流比例电磁阀5.1的位置固定；
在处于欠压的压力输出状态下，控制器6通过进气比例电磁阀控制组件4.1控制进气比例电磁阀4阀芯增加位移。
作为本发明的一种改进，分时驱动的控制方式与棒棒控制器6的介入：
将进气比例电磁阀4以及溢流比例电磁阀5的迟滞电流到零电流区间设定为关闭区间，进气算法、排气算法的切换在此介入；
同时，叠加棒棒算法，防止算法干扰产生压力震荡；
步骤SS03中的算法为：在获得目标位移A1后，输出可变PWM信号驱动进气比例电磁阀4、或者溢流比例电磁阀5到达A1点：
Figure RE-733216DEST_PATH_IMAGE001
；
当PWMA1值小于对应的电磁阀开启电流时；
当PWMA1值大于对应的电磁阀开启电流时；
持续变动位置信号，并在误差接近0时启用棒棒控制叠加进入位置AX；
Figure RE-357095DEST_PATH_IMAGE002
；
压力收敛进入稳态，使阀门维持当前位置，或者关闭阀门。
本发明具体工作流程如下：
输入信号对比压力反馈的误差比例得到的状态：
Figure RE-767348DEST_PATH_IMAGE003
，
当采集的电流信号输入信号大于压力传感器反馈的压力信号，工作口2输出的介质的压力值为欠压状态；
当采集的电流信号输入信号小于压力传感器反馈的压力信号，工作口2输出的介质的压力值为超压状态；
当采集的电流信号输入信号等于压力传感器反馈的压力信号，工作口2输出的介质的压力值为稳压状态；
工作口2状态为随机态，随使用情况随时发生变化。要求算法可以迅速弥补状态差异，使压力迅速稳定。
压力控制算法获得压力输出状态，预输出阀芯目标位移。
Figure RE-818481DEST_PATH_IMAGE004
；
位移自稳定算法获得目标位移A1后，输出可变PWM信号驱动目标电磁阀
Figure RE-681395DEST_PATH_IMAGE005
到达A1点。
Figure RE-843386DEST_PATH_IMAGE006
；
A1点影响压力输出状态，使输出状态的误差收敛；
持续变动位置信号，并在误差接近0时启用棒棒控制叠加进入位置AX。
Figure RE-108145DEST_PATH_IMAGE007
压力收敛进入稳态，使阀门维持当前位置，或者关闭阀门。
工作原理：进气比例电磁阀控制组件4.1包括连接至进气比例电磁阀4的第一电磁铁驱动电路，第一电磁铁驱动电路的受控端与控制器6的控制口连接；
溢流比例电磁阀控制组件5.1包括连接至溢流比例电磁阀5.1的第二电磁铁驱动电路，第二电磁铁驱动电路的受控端与控制器6的控制口连接；
控制器6的输入口配合进气比例电磁阀4的电磁铁设置有采集通过电流的第一电流采样电路、配合溢流比例电磁阀5.1的电磁铁设置有采集通过电流的第二电流采样电路；
第一电流采样电路以及第二电流采样电路采样的信号反馈至控制器6；
压力传感器的信号输出口连接至控制器6，将采集的工作口2压力信号反馈至控制器6；
控制器6通过采样的信号与反馈的信号比对判断工作口2输出介质的压力值是否符合预期。
在电源与进气比例电磁阀控制组件4.1的电磁铁的输入回路侧连接第一开关电路；
第一开关电路包括：三级管Q2以及MOS管Q1；三级管Q2的基极通过电阻R1接入控制器6的控制口，发射极通过电阻R7接地，集电极接入MOS管Q1的栅极；MOS管Q1的漏极接入电源，源极通过电阻R9接入进气比例电磁阀控制组件4.1的电磁铁的输入回路侧；
控制器6发送控制信号通过MOS管Q1将进气比例电磁阀控制组件4.1的电磁铁的输入回路侧与电源之间导通或者关闭。
溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁输入回路侧接入电源；
在电源与溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁的输入回路侧连接第二开关电路；
第二开关电路包括：三级管Q8以及MOS管Q7；三级管Q8的基极通过电阻R31接入控制器6的控制口，发射极通过电阻R41接地，集电极接入MOS管Q7的栅极；MOSQ7管的漏极接入电源，源极通过电阻R43接入溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁的输入回路侧；
控制器6发送控制信号通过MOS管Q7将溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁的输入回路侧与电源之间导通或者关闭。
第一电磁铁驱动电路包括：MOS管Q3、MOS管Q4、以及三极管Q5；
三极管Q5的基极接入控制器6的控制口，发射极接地，集电极接入MOS管Q3的栅极，并且MOS管Q3的栅极通过电阻R16接入电源；
MOS管Q3的漏极作为第一电磁铁驱动电路的输出端并与进气比例电磁阀控制组件4.1的电磁铁的回路连接，MOS管Q3的源极接地；
MOS管Q4与MOS管Q3桥接；
在第一电磁阀控制组件的电磁铁通电下，控制器6的发送控制信号通过MOS管Q3与MOS管Q4控制第一电磁阀控制组件的电磁铁的通电电流。
第二电磁铁驱动电路包括：MOS管Q9、MOS管Q10、以及三极管Q11；
三极管Q11的基极接入控制器6的控制口，发射极接地，集电极接入MOS管Q9的栅极，并且MOS管Q9的栅极通过电阻R52接入电源；
MOS管Q9的漏极作为第二电磁铁驱动电路的输出端并与溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁的回路连接，MOS管Q9的源极接地；
MOS管Q10与MOS管Q9桥接；
在第二电磁阀控制组件的电磁铁通电下，控制器6的发送控制信号通过MOS管Q9与MOS管Q10控制第二电磁阀控制组件的电磁铁的通电电流。
在进气比例电磁阀控制组件4.1的电磁铁输入回路以及输出回路之间设置有第一续流电路，第一续流电路包括二极管D2和二级管D4，二极管D3的正极接地，负极接入MOS管Q1的漏极与电阻R9之间；
二级管D4的正极接入MOS管Q4的漏极和MOS管Q4的漏极之间，负极接入电源。
在溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁输入回路以及输出回路之间设置有第二续流电路，第二续流电路包括二极管D7和二级管D8，二极管D7的正极接地，负极接入MOS管Q7的漏极与电阻R43之间；
二级管D8的正极接入MOS管Q9的漏极和MOS管Q10的漏极之间，负极接入电源。
第一电流采样电路包括运放U3，运放U3的正向输入通过电阻R5接入MOS管Q1的漏极与电阻R9之间；
反向输入通过电阻R13接入进气比例电磁阀控制组件4.1的电磁铁输入回路与电阻R9之间；
输出端通过电阻R13接入控制器6的信号输入口。
第二电流采样电路包括运放U8，运放U8的正向输入通过电阻R42接入MOS管Q7的漏极与电阻R43之间；
反向输入通过电阻R47接入溢流比例电磁阀控制组件5.1的电磁铁输入回路与电阻R43之间；
输出端通过电阻R46接入控制器6的信号输入口。
本发明采用Q1、Q2双MOS管的双端驱动，中间增加电流取样差分电路，在进气比例电磁阀4、以及溢流比例电磁阀5.1开启或关闭时都能追踪线圈电流，用于阀芯位移自稳定与震颤算法的PWM驱动信号。
以下为采用一种高压气体压力控制阀的比例阀的检测报告：
Figure RE-330179DEST_PATH_IMAGE008
Figure RE-671600DEST_PATH_IMAGE009
Figure RE-637282DEST_PATH_IMAGE010
以上仅是本发明优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高压气体压力控制阀，包括：气压输入口（1）、工作口（2）、气压排气口（3），在气压输入口（1）以及气压排气口（3）之间的流道依次设置进气比例电磁阀（4）以及溢流比例电磁阀（5），工作口（2）作为压力输出口连接在进气比例电磁阀（4）以及溢流比例电磁阀（5）之间的流道；
所述进气比例电磁阀（4）电连接有进气比例电磁阀控制组件（4.1），所述溢流比例电磁阀（5）设置有溢流比例电磁阀控制组件（5.1）；
所述进气比例电磁阀控制组件（4.1）以及溢流比例电磁阀控制组件（5.1）分别电连接至控制器（6）；
所述控制器（6）电连接有电流信号输入系统以压力信号输入系统，所述电流信号输入系统包括电连接至进气控制阀组件的电流信号采集电路，所述压力信号输入系统包括配合工作口设置的压力传感器反馈电路，压力传感器采集工作口（2）的压力信号并反馈至控制器（6）；
SS01：控制器（6）通过对电流信号与压力信号产生误差，得到误差比例；
SS02：控制器（6）通过误差比例，运用非线性PID调压算法得到进气比例电磁阀（4）或者溢流比例电磁阀（5）控制工作口（2）的阀口开度；
SS03：根据目标工作口（2）的阀口开度通过电流震颤算法得到进气比例电磁阀（4）或者溢流比例电磁阀（5）的PWM驱动信号；
SS04：进气比例电磁阀（4）的电磁阀芯以及溢流比例电磁阀（5）的阀芯根据PWM信号，受控产生位移与震颤；
SS05：工作口（2）的输出压力根据进气比例电磁阀（4）以及溢流比例电磁阀（5）的阀芯位移发生变化，到达目标压力。
2.根据权利要求1所述的一种高压气体压力控制阀，其特征在于：所述控制器（6）通过将输入信号对比压力反馈的误差比例得到气压输出口分别具有超压、欠压以及稳压的状态：
采集的电流信号输入信号大于压力传感器反馈的压力信号，工作口输出的介质的压力值为欠压状态；
当采集的电流信号输入信号小于压力传感器反馈的压力信号，工作口输出的介质压力值为超压状态；
当采集的电流信号输入信号等于压力传感器反馈的压力信号，工作口输出的介质的压力值为稳压状态；
当工作口（2）状态为超压状态或者欠压状态，控制器（6）根据压力控制算法弥补状态差异，使压力迅速稳定。
3.根据权利要求2所述的一种高压气体压力控制阀，其特征在于：
所述控制器（6）获得压力输出状态，并通过压力控制算法预输出阀芯目标位移：
在处于超压的压力输出状态下，控制器（6）通过进气比例电磁阀控制组件（4.1）控制进气比例电磁阀（4）阀芯减少位移，通过溢流比例电磁阀控制组件（5.1）控制溢流比例电磁阀阀芯增加位移；
在处于稳压的压力输出状态下，控制器（6）通过进气比例电磁阀控制组件（4.1）控制进气比例电磁阀（4）的位置固定，通过溢流比例电磁阀控制组件（5.1）控制溢流比例电磁阀的位置固定；
在处于欠压的压力输出状态下，控制器（6）通过进气比例电磁阀控制组件（4.1）控制进气比例电磁阀（4）阀芯增加位移。
4.根据权利要求3所述的一种高压气体压力控制阀，其特征在于：分时驱动的控制方式与棒棒控制器的介入：
将进气比例电磁阀（4）以及溢流比例电磁阀（5）的迟滞电流到零电流区间设定为关闭区间，进气算法、排气算法的切换在此介入；
同时，叠加棒棒算法，防止算法干扰产生压力震荡；
步骤SS03中的算法为：在获得目标位移A1后，输出可变PWM信号驱动进气比例电磁阀（4）、或者溢流比例电磁阀（5）到达A1点：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
当PWMA1值小于对应的电磁阀开启电流时；
当PWMA1值大于对应的电磁阀开启电流时；
持续变动位置信号，并在误差接近0时启用棒棒控制叠加进入位置AX；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
压力收敛进入稳态，使阀门维持当前位置，或者关闭阀门。
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