顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例泵放大器算法，通過顫振智能算法、顫振提取算法單元、濾波器、閥位智能算法、閥位采樣濾波模塊、閥位采集模塊、顫振疊加算法，實現(xiàn)對比例電磁鐵的顫振和位移雙閉環(huán)(含電流小閉環(huán))控制，并提出了位移疊加顫振改善滯環(huán)現(xiàn)象的方法和積分分離與抗積分飽和算法；從而解決了滯環(huán)影響比例閥動態(tài)響應(yīng)特性和積分飽和帶來的誤差不斷積累以及系統(tǒng)穩(wěn)定性不斷下降的問題。本發(fā)明能夠有效地提高控制的精度、控制的穩(wěn)定性以及控制器抗干擾的能力。因此，本發(fā)明具有很強的實用性和應(yīng)用價值。
【專利說明】
顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于液壓控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大 器算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著機械裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，對液壓閥的流量、精度、響應(yīng)速度方向提出了愈 來愈高的要求，比例閥因此而發(fā)展起來。常規(guī)的比例閥一般為開環(huán)控制，不帶閉環(huán)反饋信 號，或者為單一反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，性能水平較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性較差。同時，開環(huán) 控制系統(tǒng)，沒有實時高效的閉環(huán)位置控制算法，不能實時監(jiān)測閥芯位移，很難有效消除閥芯 遮蓋對流量特性的影響，具有較大的滯環(huán)，響應(yīng)時間長，控制精度較低。
[0003] 比例電磁鐵在實際工作過程中，磁鐵材料會存在磁滯特性，閥的運動組件和閥腔 的相對運動必然形成摩擦力，此外，閥的運動組件之間通常存在機械間隙，這些因素均會導(dǎo) 致比例閥的穩(wěn)態(tài)特性呈現(xiàn)滯環(huán)現(xiàn)象。因此在電磁鐵驅(qū)動信號中疊加特定參數(shù)的顫振是目前 工程實際中改善閥芯位移滯環(huán)的常用方法。
[0004] 常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動的影響具有一定的抑 制能力，但由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外部擾動的變化幅度 很大時，系統(tǒng)的性能常常會大幅度下降，甚至不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服上述不足提供一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大 器算法。
[0006] 本發(fā)明一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，包括以下步驟：
[0007] S1，第一比較器1獲取采樣電流8檢測到比例電磁鐵6的實際電流和顫振提取算法 單元22處理后的反饋值，并對這二者進行差值運算，然后經(jīng)過顫振智能算法23運算處理；
[0008] S2,第二比較器3獲取并處理控制系統(tǒng)的輸入閥位的設(shè)定值和閥位采樣濾波單元 42處理后的反饋值，并對這二者進行差值運算，然后經(jīng)過閥位智能算法43運算處理；
[0009] S3,將S1和S2計算的結(jié)果發(fā)送給顫振疊加算法5,然后傳輸給比例電磁鐵6,最后由 安裝在比例閥上的位移傳感器7感知閥位的變化。
[0010] 所述S1具體包括以下步驟：
[0011] S1.1，初始化比例電磁鐵6,位移傳感器7輸出的位置反饋信號經(jīng)過濾波器21和顫 振提取算法單元22的處理，發(fā)送至第一比較器1的第二輸入端;所述第一比較器1判斷經(jīng)位 移傳感器7、濾波器21和顫振提取算法單元22處理的反饋信號是否發(fā)送至所述第一比較器1 的第二輸入端；當(dāng)該第一比較器1確認(rèn)經(jīng)位移傳感器7、濾波器21和顫振提取算法單元22處 理的反饋信號發(fā)送至所述第一比較器1的第二輸入端時，第一比較器1進行下一步S1.2;否 則所述第一比較器1繼續(xù)數(shù)據(jù)采樣；
[0012] S1.2,采用第一比較器1計算采樣電流8檢測到比例電磁鐵6的實際電流與顫振反 饋信號的差值，將計算結(jié)果發(fā)送至顫振智能算法23。
[0013]所述S2具體包括以下步驟：
[0014] S2.1，用戶給定的閥位設(shè)定值，位移傳感器7輸出的位置反饋信號經(jīng)過閥位采集模 塊41的采集，再通過閥位采樣濾波單元42的處理，發(fā)送至所述第二比較器3的第二輸入端； 所述第二比較器3判斷經(jīng)位移傳感器7、閥位采集模塊41和閥位采樣濾波單元42處理的反饋 信號是否發(fā)送至所述第二比較器3的第二輸入端；當(dāng)該第二比較器3確認(rèn)經(jīng)位移傳感器7、閥 位采集模塊41和閥位采樣濾波單元42處理的反饋信號發(fā)送至所述第二比較器3的第二輸入 端時，該第二比較器3進行下一步S2.2;否則所述第二比較器3繼續(xù)數(shù)據(jù)采樣；
[0015] S2.2,采用第二比較器3計算用戶給定的閥位設(shè)定值與位置反饋信號的差值，當(dāng)前 者大于后者時，當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)恢復(fù)正常的偏差累加；當(dāng)前者小于后者時，當(dāng)前的積分環(huán)節(jié) 只對負偏差進行累加；
[0016] S2.3,將所述步驟S2.2的計算結(jié)果發(fā)送至閥位智能算法43。
[0017]所述S2.2具體包括以下步驟：
[0018] S2.2.1，所述位置反饋信號經(jīng)過濾波器21濾除輸入信號的干擾，然后將該信號發(fā) 送至第二比較器3的第二輸入端，濾波器21慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下：
(1)
[0020] 式(1)中，T( j ? )為系統(tǒng)的頻率特性，
'慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)、
[0021] S2.2.2,第二比較器3比較位置的反饋值和設(shè)定值，如果偏差較大，取消積分作用， 如果偏差較小，就引入積分環(huán)節(jié)，用積分分離算法的差分方程的表述如下：
[0023]式中，u (k)為控制的輸出量，error (k)為反饋值與位移的設(shè)定值的偏差，kp為比例 系數(shù)A為積分系數(shù);kd為微分系數(shù)，Ts是采樣周期，0為積分環(huán)節(jié)的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)|err〇r(k) >e時，0 = 0;當(dāng) |erro;r(k) | 時，0=1〇
[0024] 所述顫振智能算法23為PID算法、模糊控制算法或?qū)＜宜惴?所述閥位智能算法43 為PID算法、模糊控制算法或?qū)＜宜惴ā?br>[0025] 本發(fā)明提出一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，能夠根據(jù)比例閥的閥 芯位置的不同進行自適應(yīng)的調(diào)整，最終得到比例閥具體的閥芯位置，該控制方案精確度高。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法的整體流程示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明：
[0029] 如圖1所示，顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法包含:第一比較器1、顫振控 制部件2、第二比較器3、位置控制部件4、顫振疊加算法5。第一比較器1的第一輸入端獲取采 樣電流8檢測到比例電磁鐵6的實際電流;顫振控制部件2與第一比較器1連接;第一比較器 與顫振智能算法23連接;第二比較器3的第一輸入端獲取輸入閥位設(shè)定值;位置控制部件4 的與第二比較器3連接;第二比較器與閥位智能算法43連接;顫振智能算法和閥位智能算法 與顫振疊加算法單元5連接。顫振控制部件2包含:濾波器21，顫振提取算法單元22，顫振智 能算法23。其中顫振智能算法包含PID算法、專家算法、模糊控制算法等，顫振智能算法23的 輸入端與第一比較器1的輸出端連接;第一比較器1通過對采樣電流8檢測到比例電磁鐵6的 實際電流與顫振幅值提取算法22發(fā)送的反饋信號值進行比較計算，獲取顫振幅值誤差e k。 位置控制部件4包含：閥位采集模塊41，閥位采樣濾波單元42，閥位智能算法43。其中閥位智 能算法包含PID算法、專家算法、模糊控制算法等，閥位智能算法43的輸入端與第二比較器3 的輸出端連接;第二比較器3通過對獲取輸入閥位設(shè)定值與閥位采樣濾波單元42發(fā)送的反 饋信號值進行比較計算，獲取位置誤差e' k。
[0030] 本發(fā)明中，引入的濾波器能夠有效的濾除輸入信號的干擾;積分分離與抗積分飽 和算法能夠有效的防止由于積分環(huán)節(jié)導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，降低系統(tǒng)的超調(diào)量，避免積 分飽和，同時又能減小控制器穩(wěn)定性的誤差，提高控制器位移的控制精度;帶死區(qū)的控制算 法計算能夠有效的改善死區(qū)帶來的顫動問題。
[0031] 顫振疊加算法單元5將顫振智能算法23獲取的顫振幅值誤差％和閥位智能算法43 獲取的位置誤差e ' k進行運算得到電流，發(fā)送至比例電磁鐵6。
[0032] -種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，包括以下步驟：
[0033] S1，第一比較器1獲取采樣電流8檢測到比例電磁鐵6的實際電流和顫振提取算法 單元22處理后的反饋值，并對這二者進行差值運算，然后經(jīng)過顫振智能算法23運算處理； [0034] S2,第二比較器3獲取并處理控制系統(tǒng)的輸入閥位的設(shè)定值和閥位采樣濾波單元 42處理后的反饋值，并對這二者進行差值運算，然后經(jīng)過閥位智能算法43運算處理；
[0035] S3,將S1和S2計算的結(jié)果發(fā)送給顫振疊加算法5,然后傳輸給比例電磁鐵6,最后由 安裝在比例閥上的位移傳感器7感知閥位的變化。
[0036]所述S1具體包括以下步驟：
[0037] S1.1，初始化比例電磁鐵6,位移傳感器7輸出的位置反饋信號經(jīng)過濾波器21和顫 振提取算法單元22的處理，發(fā)送至第一比較器1的第二輸入端;所述第一比較器1判斷經(jīng)位 移傳感器7、濾波器21和顫振提取算法單元22處理的反饋信號是否發(fā)送至所述第一比較器1 的第二輸入端；當(dāng)該第一比較器1確認(rèn)經(jīng)位移傳感器7、濾波器21和顫振提取算法單元22處 理的反饋信號發(fā)送至所述第一比較器1的第二輸入端時，第一比較器1進行下一步S1.2;否 則所述第一比較器1繼續(xù)數(shù)據(jù)采樣；
[0038] S1.2,采用第一比較器1計算采樣電流8檢測到比例電磁鐵6的實際電流與顫振反 饋信號的差值，將計算結(jié)果發(fā)送至顫振智能算法23。
[0039]所述S2具體包括以下步驟：
[0040] S2.1，用戶給定的閥位設(shè)定值，位移傳感器7輸出的位置反饋信號經(jīng)過閥位采集模 塊41的采集，再通過閥位采樣濾波單元42的處理，發(fā)送至所述第二比較器3的第二輸入端； 所述第二比較器3判斷經(jīng)位移傳感器7、閥位采集模塊41和閥位采樣濾波單元42處理的反饋 信號是否發(fā)送至所述第二比較器3的第二輸入端；當(dāng)該第二比較器3確認(rèn)經(jīng)位移傳感器7、閥 位采集模塊41和閥位采樣濾波單元42處理的反饋信號發(fā)送至所述第二比較器3的第二輸入 端時，該第二比較器3進行下一步S2.2;否則所述第二比較器3繼續(xù)數(shù)據(jù)采樣；
[0041] S2.2,采用第二比較器3計算用戶給定的閥位設(shè)定值與位置反饋信號的差值，當(dāng)前 者大于后者時，當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)恢復(fù)正常的偏差累加；當(dāng)前者小于后者時，當(dāng)前的積分環(huán)節(jié) 只對負偏差進行累加；
[0042] S2.3，將所述步驟S2.2的計算結(jié)果發(fā)送至閥位智能算法43。
[0043]所述S2.2具體包括以下步驟：
[0044] S2.2.1，所述位置反饋信號經(jīng)過濾波器21濾除輸入信號的干擾，然后將該信號發(fā) 送至第二比較器3的第二輸入端，濾波器21慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下：
(1)
[0046] 式(1)中，T( j ? )為系統(tǒng)的頻率特性：
'慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)
[0047] S2.2.2,第二比較器3比較位置的反饋值和設(shè)定值，如果偏差較大，取消積分作用， 如果偏差較小，就引入積分環(huán)節(jié)，用積分分離算法的差分方程的表述如下：
[0049] 式中，u (k)為控制的輸出量，error (k)為反饋值與位移的設(shè)定值的偏差，kP為比例 系數(shù)A為積分系數(shù);kd為微分系數(shù)，Ts是采樣周期，0為積分環(huán)節(jié)的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)|err〇r(k) >e時，0 = 0;當(dāng) |erro;r(k) | 時，0=1〇
[0050] 所述顫振智能算法23為PID算法、模糊控制算法或?qū)＜宜惴?所述閥位智能算法43 為PID算法、模糊控制算法或?qū)＜宜惴ā?br>[0051]該自適應(yīng)算法所采用的原理是:精確檢測電磁鐵的電流、閥芯位置、電磁閥前后壓 差和流經(jīng)電磁閥的流量，通過智能信號處理算法，從電流中準(zhǔn)確提取顫振幅值和顫振頻率， 輸入到顫振信號自適應(yīng)閉環(huán)控制算法中，計算得出新的適應(yīng)閥芯位置、閥前后壓差和流量 的顫振幅值和頻率;將閥芯位置信號輸入到顫振自適應(yīng)閉環(huán)控制算法中，計算得出新的閥 芯位置控制信號。上述雙閉環(huán)控制算法的計算結(jié)果疊加后，輸出到驅(qū)動電路并作用于電磁 鐵，從而實現(xiàn)閥芯往復(fù)運動的全行程最小滯環(huán)、高精度閥芯位置和高動態(tài)響應(yīng)特性。本發(fā)明 還提出了積分分離與抗積分飽和算法，從而解決了積分飽和帶來的誤差不斷積累以及系統(tǒng) 穩(wěn)定性不斷下降的問題。本發(fā)明能夠有效地提高控制的精度、控制的穩(wěn)定性以及控制器抗 干擾的能力。因此，本發(fā)明具有很強的實用性和應(yīng)用價值。
[0052] 經(jīng)過實驗，將本發(fā)明與國外力士樂控制器在方波跟隨、正弦波跟隨情況下進行對 比，可以很明顯的看出本發(fā)明的整體控制效果要優(yōu)于力士樂的控制器，響應(yīng)時間更短，超調(diào) 量更小，正弦波跟隨效果更好。體現(xiàn)了控制算法的控制效果良好與正確。
【主權(quán)項】
1. 一種顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，其特征在于包括W下步驟： 51, 第一比較器（1)獲取采樣電流(8)檢測到比例電磁鐵(6)的實際電流和顫振提取算 法單元(22)處理后的反饋值，并對運二者進行差值運算，然后經(jīng)過顫振智能算法(23)運算 處理； 52, 第二比較器（3)獲取并處理控制系統(tǒng)的輸入閥位的設(shè)定值和閥位采樣濾波單元 (42)處理后的反饋值，并對運二者進行差值運算，然后經(jīng)過閥位智能算法(43)運算處理； 53, 將Sl和S2計算的結(jié)果發(fā)送給顫振疊加算法(5)，然后傳輸給比例電磁鐵(6)，最后由 安裝在比例閥上的位移傳感器(7)感知閥位的變化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，其特征在于所述 Sl具體包括W下步驟： SI. 1，初始化比例電磁鐵(6)，位移傳感器(7)輸出的位置反饋信號經(jīng)過濾波器(21)和 顫振提取算法單元(22)的處理，發(fā)送至第一比較器（1)的第二輸入端;所述第一比較器（1) 判斷經(jīng)位移傳感器(7)、濾波器(21)和顫振提取算法單元(22)處理的反饋信號是否發(fā)送至 所述第一比較器（1)的第二輸入端；當(dāng)該第一比較器（1)確認(rèn)經(jīng)位移傳感器(7)、濾波器(21) 和顫振提取算法單元(22)處理的反饋信號發(fā)送至所述第一比較器（1)的第二輸入端時，第 一比較器(1)進行下一步SI. 2;否則所述第一比較器(1)繼續(xù)數(shù)據(jù)采樣； SI. 2,采用第一比較器（1)計算采樣電流(8)檢測到比例電磁鐵(6)的實際電流與顫振 反饋信號的差值，將計算結(jié)果發(fā)送至顫振智能算法(23)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，其特征在于所 述S2具體包括W下步驟： S2.1，用戶給定的閥位設(shè)定值，位移傳感器(7)輸出的位置反饋信號經(jīng)過閥位采集模塊 (41) 的采集，再通過閥位采樣濾波單元(42)的處理，發(fā)送至所述第二比較器(3)的第二輸入 端；所述第二比較器（3)判斷經(jīng)位移傳感器（7)、閥位采集模塊(41)和閥位采樣濾波單元 (42) 處理的反饋信號是否發(fā)送至所述第二比較器(3)的第二輸入端；當(dāng)該第二比較器(3)確 認(rèn)經(jīng)位移傳感器(7)、閥位采集模塊(41)和閥位采樣濾波單元(42)處理的反饋信號發(fā)送至 所述第二比較器(3)的第二輸入端時，該第二比較器(3)進行下一步S2.2;否則所述第二比 較器(3)繼續(xù)數(shù)據(jù)采樣； S2.2,采用第二比較器(3)計算用戶給定的閥位設(shè)定值與位置反饋信號的差值，當(dāng)前者 大于后者時，當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)恢復(fù)正常的偏差累加；當(dāng)前者小于后者時，當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)只 對負偏差進行累加； S2.3，將所述步驟S2.2的計算結(jié)果發(fā)送至閥位智能算法(43)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，其特征在于所述 S2.2具體包括W下步驟：S2.2.1，所述位置反饋信號經(jīng)過濾波器21濾除輸入信號的干擾，然后將該信號發(fā)送至 第二比較器3 A々笛^餘T A溫施淋柴91慨'1生K巧A々佑;弟尿I數(shù)如下； Cl) 式(1)中，T(j? )為系統(tǒng)的頻率特性：>慣性環(huán)節(jié)的時間常曼S2.2.2,第二比較器(3)比較位置的反饋值和設(shè)定值，如果偏差較大，取消積分作用，如 果偏差較小，就引入積分環(huán)節(jié)，用積分分離算法的差分方括的表述如下：(2) 式中，U化)為控制的輸出量，error化)為反饋值與位移的設(shè)定值的偏差，kp為比例系數(shù)； ki為積分系數(shù);kd為微分系數(shù)，Ts是采樣周期，0為積分環(huán)節(jié)的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)IerroHk) I >￡ 時，0 = 0;當(dāng) IerroHk) I時，0=1。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顫振信號雙閉環(huán)自適應(yīng)比例閥放大器算法，其特征在于所述 顫振智能算法(23)為PID算法、模糊控制算法或?qū)＜宜惴?所述閥位智能算法(43)為PID算 法、模糊控制算法或?qū)＜宜惴ā?br>【文檔編號】G05D16/20GK105912043SQ201610407166
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】劉國平, 龔琦
【申請人】南昌大學(xué)