一種基于開關策略的氣動比例閥系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于開關策略的氣動比例閥系統及其控制方法，屬于氣動放大元 件技術領域。
【背景技術】
[0002] 基于Honeywell的Lucifer-typeEPP3J-21-U-100-10 型閥門的非線性動態模型 進行了分析并做了實驗測試。這種閥門利用對高速電磁閥進行PWM控制。作者利用實驗獲 得的參數驗證了數學模型的正確性，并且這種模型可以運用到相似閥門的結構設計；呂強 在《壓電閥設計及其在列車制動系統中的應用研宄》一文中設計了一種以壓電比例閥為先 導的電氣比例壓力調節閥。該閥門利用壓電比例閥作為先導級比例控制先導腔，再通過先 導腔來改變主流道開度，從而達到比例調節的目的。根據實驗結果，可知其自制壓電閥門性 能響應速度較快，線性度較好，但是存在死區，輸入氣壓很低以及跟蹤突變信號性能較差的 缺點。
[0003]BaoGang,ChengTinghai,HuangYao,GuoXiangdong,Gao在Han.ANozzle FlapperElectro-PneumaticProportionalPressureValveDrivenbyPiezoelectric Motor-文中設計了一種由壓電電動機驅動的噴嘴擋板式電氣比例壓力閥。該閥門的壓 電電動機改變噴嘴擋板的開度，從而控制先導級的控制壓力，進而改變主流道的開度，以達 到比例調節的目的。這種閥門在一定工作壓力下的線性度是±5%，分離度為0. 1%，滯后為 ±0. 5%，相比普通比例閥具有良好的穩定性和控制精度。
[0004] 利用高速電磁閥來對閥門的前置級進行壓力控制，從而改變主流道開度達到比例 調節目的。目前涉及到高速電磁閥的很多研宄基本上利用PWM控制策略，但是PWM控制對 控制精度有如下不良影響： 1) 開關動作產生流量脈動，對系統控制精度有影響； 2) 閥的開關切換特性會形成零位死區。

【發明內容】

[0005] 針對上述【背景技術】的不足，本發明利用簡單開關控制策略控制高速電磁閥，改變 前置級壓力，提供一種基于開關策略的氣動比例閥系統及其控制方法。
[0006] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案： 一種基于開關策略的氣動比例閥系統，包括主閥部分、前置級控制部分以及單片機控 制部分；其中，所述主閥部分包括空氣主流道和依次連接的主控制閥、彈性部件；所述前置 級控制部分包括空氣分流道、至少兩臺高速電磁閥、連接管道以及壓力傳感器，所述空氣主 流道上連接空氣分流道，在空氣主流道的出口處依次連接主控制閥以及壓力傳感器；所述 空氣分流道上依次設置高速電磁閥，在第一高速電磁閥與第二高速電磁閥之間的空氣分流 道上連通一管道；所述管道連接一空腔，空腔內依次設有一氣動薄膜和動作桿件，動作桿件 的另一端剛性連接在主控制閥上，通過空腔內氣壓的改變使氣動薄膜變形推動動作桿件來 控制主控制閥的開度；所述單片機控制部分包括單片機以及電機驅動模塊，所述單片機根 據壓力傳感器的出流壓力信號以及人工設定信號來控制第一高速電磁閥與第二高速電磁 閥的開關，從而改變空腔內壓力的大小，保持出流壓力的平衡。
[0007] 所述空氣分流道的末端為泄氣口。
[0008] 所述單片機連接一顯示設備，用于顯示系統狀態。
[0009] 一種基于開關策略的氣動比例閥控制方法，該方法包括以下步驟， 步驟一，壓力傳感器采集空氣主流道的出口處的空氣壓力，將其輸入到單片機上，判斷 是需要降低出流壓力還是升高出流壓力； 步驟二，單片機輸出控制信號，通過電機驅動模塊控制高速電磁閥的開關狀態，改變空 腔內的氣壓大小，通過氣動薄膜改變主控制閥的開度； 步驟三，當達到控制效果時，關閉高速電磁閥。
[0010] 進一步的，所述步驟二具體指，當需要降低出流壓力時，打開空腔上游的高速電磁 閥，關閉空腔下游的高速電磁閥；當需要升高出流壓力時，關閉空腔上游的高速電磁閥，打 開空腔下游的高速電磁閥。
[0011] 更進一步的，所述步驟一具體指，給目標壓力設置上下誤差范圍，即比較壓力傳感 器采集的數據與上誤差范圍以及下誤差范圍，當采集的數據大于上誤差范圍時，需要降低 出流壓力；當采集的數據小于于下誤差范圍時，需要升高出流壓力。
[0012] 作為一種優選，在所述高低誤差范圍的基礎上，設置上下過渡范圍，即在高誤差范 圍的下邊緣設置一上過渡范圍，在低誤差范圍的上邊緣設置一下過渡范圍；當壓力傳感器 采集的數據落入到上下過渡范圍中時，同時打開兩個高速電磁閥利用bangbang控制和P控 制結合的方法控制兩個高速電磁閥的開啟時間，避免振蕩。
[0013] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果： 該一種基于開關策略的氣動比例閥系統以及控制方法具有精度高和響應速度快的性 能，同時具備低成本，高可靠性等特點： 1、 精度高：在于原理性裝置的誤差可以控制在±15kPa以內； 2、 響應速度快：前置級的響應速度在50ms左右； 3、 成本低：高速電磁閥等價格低廉，裝置整體的成本較低。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明提供的基于開關策略的氣動比例閥系統模型圖； 圖2為本發明提供的基于開關策略的氣動比例閥控制方法流程示意圖； 圖3為本發明提供的基于開關策略的氣動比例閥系統壓力響應曲線圖； 圖4為本發明提供的基于開關策略的氣動比例閥系統出流壓力誤差曲線； 圖5為本發明提供的一種實施方式的控制流程框圖； 圖6為圖5對應的前置級躍信號響應曲線圖； 圖7為圖5對應的前置級躍信號響應曲線圖； 圖8為本發明提供的第二種實施方式對應的前置級躍信號響應曲線圖； 圖9為本發明提供的第二種實施方式對應的前置級躍信號響應曲線圖； 圖10為本發明提供的第二種實施方式對應的前置級躍信號響應曲線圖； 圖11為本發明提供的第二種實施方式對應的前置級躍信號響應曲線圖。
【具體實施方式】
[0015] 本發明提供一種基于開關策略的氣動比例閥系統及其控制方法，為使本發明的目 的，技術方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。應 當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0016] 下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明： 該方法提供一種基于開關策略的氣動比例閥系統如圖1所示，具體結構為： 一種基于開關策略的氣動比例閥系統，包括主閥部分、前置級控制部分以及單片機控 制部分；其中，所述主閥部分包括空氣主流道和依次連接的主控制閥、彈性部件；所述前置 級控制部分包括空氣分流道、至少兩臺高速電磁閥、連接管道以及壓力傳感器，所述空氣主 流道上連接空氣分流道，在空氣主流道的出口處依次連接主控制閥以及壓力傳感器；所述 空氣分流道上依次設置高速電磁閥，在第一高速電磁閥與第二高速電磁閥之間的空氣分流 道上連通一管道；所述管道連接一空腔，空腔內依次設有一氣動薄膜和動作桿件，動作桿件 的另一端剛性連接在主控制閥上，通過空腔內氣壓的改變使氣動薄膜變形推動動作桿件來 控制主控制閥的開度；所述單片機控制部分包括單片機以及電機驅動模塊，所述單片機根 據壓力傳感器的出流壓力信號以及人工設定信號來控制第一高速電磁閥與第二高速電磁 閥的開關，從而改變空腔內壓力的大小，保持出流壓力的平衡。該空腔為一氣缸，空氣分流 道的末端為泄氣口，所述單片機連接一顯示設備，用于顯示系統狀態。
[0017] 從模型可見，空氣經主流道分為兩個部分，大部分經主流道節流口后變為目標壓 力，小部分氣體經分流后進入前置級。前置級由兩個高速電磁閥和一個控制空腔組成。兩 個高速電磁閥分別起著給空腔打氣和放氣的作用，當需要降低出流壓力時，則需要將主流 道節流口的壓力變小，此時需要提高控制空腔的壓力以抵抗彈簧力向下運動。若利用簡單 開關控制策略，控制模塊會輸出信號，打開上游高速電磁閥，即圖1中的第一高速電磁閥。 下游高速電磁閥，即圖1中的第二高速電磁閥保持關閉。此時主流的一部分氣流會經上游 高速電磁閥進入控制空腔，空腔壓力上升，動作桿克服彈簧力向下移動，在某個位置達到平 衡，從而降低了出流的壓力。相反，為了提高出流壓力則需要打開下游高速電磁閥，關閉上 游高速電磁閥。當然，完成這個過程必須要選擇有合適彈簧系數的彈簧。出流口的壓力傳 感器獲得出流口的壓力信號，反饋給控制器，從而形成閉環控制系統。完整的控制流程示意 圖如圖2。
[0018] 本發明提供的系統中，所采用的高速電磁閥為MAC35A-ACA-DDAA-1BA型高速電 磁閥，這種電磁閥的最小開啟時間為6ms，最小閉合時間為2ms。氣缸作為閥門模型中的空 腔，起到一定的穩壓作用，在前置級中，利用壓力傳感器獲得其中的壓力，并通過實驗驗證 實物的正確性。
[0019]前置級的控制在本系統的控制效果起了決定性的作用；首先，為了說明前置級控 制部分工作的原理以及驗證試驗結果的準確性，我們將主閥控制部分去除，單獨測試前置 級控制部分。采用一壓力傳感器檢測空腔內的空氣壓力；其具體的控制方法為： 實施例1 步驟一，壓力傳感器采集空腔內的空氣壓力，將其輸入到單片機上，判斷是需要降低空 腔內的空氣壓力還是升高空腔內的空氣壓力； 步驟二，單片機輸出控制信號，通過電機驅動模塊控制高速電磁閥的開關狀態，改變空 腔內的氣壓大小，通過氣動薄膜改變主控制閥的開度； 步驟三，當達到控制效果時，關閉高速電磁閥。
[0020] 我們設定一個前置級空腔壓力允許范圍，即所得壓力包含一個誤差帶，當空腔壓 力小于誤差允許范圍，則打開第一高速電磁閥、關閉第二高速電磁閥，空腔壓力上升；當空 腔壓力大于誤差允許范圍，則打開