基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)氣壓細(xì)分控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)氣壓細(xì)分控制的系統(tǒng)及控制方法，屬 于氣動(dòng)伺服控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣動(dòng)伺服控制是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞與控制的工程技術(shù)，是生產(chǎn) 過程自動(dòng)化的重要手段之一。目前，氣動(dòng)控制技術(shù)在汽車制造、電子制造、包裝等自動(dòng)生產(chǎn) 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在航空電子設(shè)備研制過程中，需要各種電氣轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)氣壓控 制，以模擬飛機(jī)飛行環(huán)境或發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)截面的壓力大小，為飛行控制系統(tǒng)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)控 制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)提供氣壓傳感器的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。
[0003] 氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是氣動(dòng)控制閥。相對(duì)于氣動(dòng)伺服閥，高速電磁閥具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、成本低廉的特點(diǎn)。目前，高速電磁閥在性能要求不高的氣動(dòng)伺服控制 系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，一般采取脈沖開關(guān)控制或脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM)方式?；诟咚匍_關(guān)閥進(jìn)行伺服控制的優(yōu)勢(shì)在于：不易堵塞、維護(hù)方便、成本低廉。如 何利用低成本的高速閥構(gòu)成高性能的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，這一直是氣動(dòng)伺服控制領(lǐng)域努力的方 向。
[0004] 為了提高控制精度，必然就要求開關(guān)閥具有快速的開啟速度，比如P麗脈沖調(diào)制 會(huì)帶來(lái)氣壓的脈動(dòng)誤差，為了抑制脈動(dòng)，人們就試圖提高PWM的頻率。然而，由于電磁驅(qū)動(dòng) 延時(shí)以及閥芯機(jī)構(gòu)因機(jī)械慣性導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)遲緩，閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間不能做到很快。楊云 等在西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)2002年第9期的"氣動(dòng)脈寬調(diào)制開關(guān)位置伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式的研 宄"文章中提出一種同步差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式以克服穩(wěn)態(tài)諧波壓力脈動(dòng)，王偉瑋等在清華大學(xué)學(xué) 報(bào)（自然科學(xué)版）2011年第5期的"高速開關(guān)閥在高頻PWM控制下的比例功能"文章中提 出了通過高頻PWM控制高速電磁閥使其呈現(xiàn)比例閥的特性。但是上述基于PWM的控制方法 不能從根本上克服開關(guān)閥的最小開啟時(shí)間間隔的制約問題，控制精度難以進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明對(duì)基于高速開關(guān)閥的伺服系統(tǒng)提出的是一種基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn) 氣壓細(xì)分控制的系統(tǒng)及新控制方法，旨在解決基于高速閥的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的性能受閥的開 啟速度制約的問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)氣壓細(xì)分控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu) 包括氣壓控制腔（1)、充氣閥（2)、排氣閥（3)、壓力傳感器（4)以及控制器（5)，在氣壓控制 腔（1)的壁面上安裝充氣閥（2)和排氣閥（3)以及壓力傳感器（4)，充氣閥（1)與高壓氣源 連接，排氣閥（2)與大氣環(huán)境相通，壓力傳感器（4)的信號(hào)輸出端與控制器（5)的信號(hào)輸入 端相接，控制器（5)的兩個(gè)信號(hào)輸出端分別連接充氣閥（2)和排氣閥（3)。
[0007] 基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)氣壓細(xì)分控制的控制方法，當(dāng)控制器（5)通過壓力傳 感器（4)檢測(cè)氣壓控制腔（1)的壓力，可根據(jù)目標(biāo)壓力的大小，通過開啟充氣閥（2 )使氣壓 控制腔（1)的壓力升高，通過開啟排氣閥（3)使氣壓控制腔（1)的壓力降低，當(dāng)氣壓控制 腔（1)的壓力接近目標(biāo)控制壓力時(shí)，若低于目標(biāo)壓力，充氣閥（2)的開啟時(shí)間比排氣閥（3) 的開啟時(shí)間多一個(gè)微小時(shí)間量(該微小時(shí)間量是指少于閥的最小可靠開啟時(shí)間的一個(gè)時(shí)間 量)，如果高于目標(biāo)壓力，排氣閥（3)的開啟時(shí)間比充氣閥（2)的開啟時(shí)間多一個(gè)微小時(shí)間 量，這個(gè)微小時(shí)間量就是充氣閥（2)或排氣閥（3)的錯(cuò)時(shí)調(diào)制量，該錯(cuò)時(shí)調(diào)制量(它）比充氣 閥（2)和排氣閥（3)的最小可靠開啟時(shí)間可以小很多，從而實(shí)現(xiàn)氣壓控制腔（1)壓力的細(xì)分 控制。
[0008] 錯(cuò)時(shí)調(diào)制細(xì)分控制的思想是由PWM思想的啟發(fā)產(chǎn)生的，即基于"沖量相等而形狀 不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其控制效果基本相同"的原理，但與PWM的不同 之處在于，錯(cuò)時(shí)調(diào)制細(xì)分控制利用一對(duì)充氣和放氣閥各自產(chǎn)生一定當(dāng)量的流量調(diào)節(jié)，利用 它們的當(dāng)量差產(chǎn)生細(xì)分控制作用。在高速開關(guān)閥的開啟速度能力一定的情況下，通過優(yōu)化 組合高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)閥的開關(guān)時(shí)機(jī)，在最小允許開啟間隔的基礎(chǔ)上錯(cuò)開一個(gè)微小時(shí)間 段，擴(kuò)展開關(guān)閥的壓力調(diào)制分辨率，從而巧妙地避開高速開關(guān)閥的開關(guān)速度提升的瓶頸問 題，以較低的代價(jià)滿足快速、高精度伺服控制需求。
[0009] 本發(fā)明具有的明顯優(yōu)勢(shì)是：本發(fā)明從根本上克服了氣壓控制精度受開關(guān)閥開啟速 度制約的問題，最大限度地利用了開關(guān)閥的開關(guān)能力，提高了壓力調(diào)節(jié)速度和精度，解決了 采用簡(jiǎn)單開關(guān)方式存在的壓力脈動(dòng)大、控制精度差的問題，也避免了普遍采用的PWM控制 方式進(jìn)行氣壓調(diào)節(jié)時(shí)存在的頻繁充放氣進(jìn)而導(dǎo)致的浪費(fèi)氣源、降低閥的使用壽命、產(chǎn)生噪 聲等弊端。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0011] 圖1是錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥氣壓細(xì)分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是充氣閥（2)和放氣閥（3)的氣壓變化速率與氣壓控制腔（1)內(nèi)壓力的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 如圖1所示，基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)氣壓細(xì)分控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括氣壓控 制腔（1)、充氣閥（2)、排氣閥（3)、壓力傳感器（4)以及控制器（5)，在氣壓控制腔（1)的壁 面上安裝充氣閥（2)和排氣閥（3)以及壓力傳感器（4)，充氣閥（1)與高壓氣源連接，排氣閥 (2)與大氣環(huán)境相通，壓力傳感器（4)的信號(hào)輸出端與控制器（5)的信號(hào)輸入端相接，控制 器（5 )的兩個(gè)信號(hào)輸出端分別連接充氣閥（2 )和排氣閥（3 )。
[0013] 所述壓力傳感器（4)是帶壓力信號(hào)調(diào)理輸出4~20mA信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)件。
[0014] 所述控制器（5)是一種具有精確定時(shí)控制和模擬電壓采集能力的嵌入式控制器， 比如ARM微控制器TM4C123GH6PM。
[0015] 基于錯(cuò)時(shí)調(diào)制的開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)氣壓細(xì)分控制的控制方法，當(dāng)控制器（5)通過壓力傳 感器（4)檢測(cè)氣壓控制腔（1)的壓力，可根據(jù)目標(biāo)壓力的大小，通過開啟充氣閥（2 )使氣壓 控制腔（1)的壓力升高，通過開啟排氣閥（3)使氣壓控制腔（1)的壓力降低，當(dāng)氣壓控制 腔（1)的壓力接近目標(biāo)控制壓力時(shí)，若低于目標(biāo)壓力，充氣閥（2 )的開啟時(shí)間比排氣閥（3 ) 的開啟時(shí)間多一個(gè)微小時(shí)間量(該微小時(shí)間量是指少于閥的最小可靠開啟時(shí)間的一個(gè)時(shí)間 量