基于错时调制的开关阀实现气压细分控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于错时调制的开关阀实现气压细分控制的系统及控制方法，属 于气动伺服控制领域。
【背景技术】
[0002] 气动伺服控制是以压缩空气为工作介质进行能量传递与控制的工程技术，是生产 过程自动化的重要手段之一。目前，气动控制技术在汽车制造、电子制造、包装等自动生产 领域得到广泛应用。在航空电子设备研制过程中，需要各种电气转换装置，实现动态气压控 制，以模拟飞机飞行环境或发动机各个截面的压力大小，为飞行控制系统或航空发动机控 制系统半物理仿真试验提供气压传感器的动态激励。
[0003] 气动伺服控制系统的关键是气动控制阀。相对于气动伺服阀，高速电磁阀具有结 构简单、加工容易、成本低廉的特点。目前，高速电磁阀在性能要求不高的气动伺服控制 系统中得到了广泛应用，一般采取脉冲开关控制或脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM)方式。基于高速开关阀进行伺服控制的优势在于：不易堵塞、维护方便、成本低廉。如 何利用低成本的高速阀构成高性能的气动伺服系统，这一直是气动伺服控制领域努力的方 向。
[0004] 为了提高控制精度，必然就要求开关阀具有快速的开启速度，比如P丽脉冲调制 会带来气压的脉动误差，为了抑制脉动，人们就试图提高PWM的频率。然而，由于电磁驱动 延时以及阀芯机构因机械惯性导致的运动迟缓，阀的开启和关闭时间不能做到很快。杨云 等在西安交通大学学报2002年第9期的"气动脉宽调制开关位置伺服系统驱动模式的研 宄"文章中提出一种同步差动驱动模式以克服稳态谐波压力脉动，王伟玮等在清华大学学 报（自然科学版）2011年第5期的"高速开关阀在高频PWM控制下的比例功能"文章中提 出了通过高频PWM控制高速电磁阀使其呈现比例阀的特性。但是上述基于PWM的控制方法 不能从根本上克服开关阀的最小开启时间间隔的制约问题，控制精度难以进一步提高。
【发明内容】
[0005] 本发明对基于高速开关阀的伺服系统提出的是一种基于错时调制的开关阀实现 气压细分控制的系统及新控制方法，旨在解决基于高速阀的气动伺服系统的性能受阀的开 启速度制约的问题。
[0006] 本发明的技术解决方案：基于错时调制的开关阀实现气压细分控制系统，其结构 包括气压控制腔（1)、充气阀（2)、排气阀（3)、压力传感器（4)以及控制器（5)，在气压控制 腔（1)的壁面上安装充气阀（2)和排气阀（3)以及压力传感器（4)，充气阀（1)与高压气源 连接，排气阀（2)与大气环境相通，压力传感器（4)的信号输出端与控制器（5)的信号输入 端相接，控制器（5)的两个信号输出端分别连接充气阀（2)和排气阀（3)。
[0007] 基于错时调制的开关阀实现气压细分控制的控制方法，当控制器（5)通过压力传 感器（4)检测气压控制腔（1)的压力，可根据目标压力的大小，通过开启充气阀（2 )使气压 控制腔（1)的压力升高，通过开启排气阀（3)使气压控制腔（1)的压力降低，当气压控制 腔（1)的压力接近目标控制压力时，若低于目标压力，充气阀（2)的开启时间比排气阀（3) 的开启时间多一个微小时间量(该微小时间量是指少于阀的最小可靠开启时间的一个时间 量)，如果高于目标压力，排气阀（3)的开启时间比充气阀（2)的开启时间多一个微小时间 量，这个微小时间量就是充气阀（2)或排气阀（3)的错时调制量，该错时调制量(它）比充气 阀（2)和排气阀（3)的最小可靠开启时间可以小很多，从而实现气压控制腔（1)压力的细分 控制。
[0008] 错时调制细分控制的思想是由PWM思想的启发产生的，即基于"冲量相等而形状 不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其控制效果基本相同"的原理，但与PWM的不同 之处在于，错时调制细分控制利用一对充气和放气阀各自产生一定当量的流量调节，利用 它们的当量差产生细分控制作用。在高速开关阀的开启速度能力一定的情况下，通过优化 组合高压侧和低压侧开关阀的开关时机，在最小允许开启间隔的基础上错开一个微小时间 段，扩展开关阀的压力调制分辨率，从而巧妙地避开高速开关阀的开关速度提升的瓶颈问 题，以较低的代价满足快速、高精度伺服控制需求。
[0009] 本发明具有的明显优势是：本发明从根本上克服了气压控制精度受开关阀开启速 度制约的问题，最大限度地利用了开关阀的开关能力，提高了压力调节速度和精度，解决了 采用简单开关方式存在的压力脉动大、控制精度差的问题，也避免了普遍采用的PWM控制 方式进行气压调节时存在的频繁充放气进而导致的浪费气源、降低阀的使用寿命、产生噪 声等弊端。
【附图说明】
[0010] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0011] 图1是错时调制的开关阀气压细分控制系统结构示意图； 图2是充气阀（2)和放气阀（3)的气压变化速率与气压控制腔（1)内压力的关系图。
【具体实施方式】
[0012] 如图1所示，基于错时调制的开关阀实现气压细分控制系统，其结构包括气压控 制腔（1)、充气阀（2)、排气阀（3)、压力传感器（4)以及控制器（5)，在气压控制腔（1)的壁 面上安装充气阀（2)和排气阀（3)以及压力传感器（4)，充气阀（1)与高压气源连接，排气阀 (2)与大气环境相通，压力传感器（4)的信号输出端与控制器（5)的信号输入端相接，控制 器（5 )的两个信号输出端分别连接充气阀（2 )和排气阀（3 )。
[0013] 所述压力传感器（4)是带压力信号调理输出4~20mA信号的标准外购件。
[0014] 所述控制器（5)是一种具有精确定时控制和模拟电压采集能力的嵌入式控制器， 比如ARM微控制器TM4C123GH6PM。
[0015] 基于错时调制的开关阀实现气压细分控制的控制方法，当控制器（5)通过压力传 感器（4)检测气压控制腔（1)的压力，可根据目标压力的大小，通过开启充气阀（2 )使气压 控制腔（1)的压力升高，通过开启排气阀（3)使气压控制腔（1)的压力降低，当气压控制 腔（1)的压力接近目标控制压力时，若低于目标压力，充气阀（2 )的开启时间比排气阀（3 ) 的开启时间多一个微小时间量(该微小时间量是指少于阀的最小可靠开启时间的一个时间 量