一种基于开关策略的气动比例阀系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于开关策略的气动比例阀系统及其控制方法，属于气动放大元 件技术领域。
【背景技术】
[0002] 基于Honeywell的Lucifer-typeEPP3J-21-U-100-10 型阀门的非线性动态模型 进行了分析并做了实验测试。这种阀门利用对高速电磁阀进行PWM控制。作者利用实验获 得的参数验证了数学模型的正确性，并且这种模型可以运用到相似阀门的结构设计；吕强 在《压电阀设计及其在列车制动系统中的应用研宄》一文中设计了一种以压电比例阀为先 导的电气比例压力调节阀。该阀门利用压电比例阀作为先导级比例控制先导腔，再通过先 导腔来改变主流道开度，从而达到比例调节的目的。根据实验结果，可知其自制压电阀门性 能响应速度较快，线性度较好，但是存在死区，输入气压很低以及跟踪突变信号性能较差的 缺点。
[0003]BaoGang,ChengTinghai,HuangYao,GuoXiangdong,Gao在Han.ANozzle FlapperElectro-PneumaticProportionalPressureValveDrivenbyPiezoelectric Motor-文中设计了一种由压电电动机驱动的喷嘴挡板式电气比例压力阀。该阀门的压 电电动机改变喷嘴挡板的开度，从而控制先导级的控制压力，进而改变主流道的开度，以达 到比例调节的目的。这种阀门在一定工作压力下的线性度是±5%，分离度为0. 1%，滞后为 ±0. 5%，相比普通比例阀具有良好的稳定性和控制精度。
[0004] 利用高速电磁阀来对阀门的前置级进行压力控制，从而改变主流道开度达到比例 调节目的。目前涉及到高速电磁阀的很多研宄基本上利用PWM控制策略，但是PWM控制对 控制精度有如下不良影响： 1) 开关动作产生流量脉动，对系统控制精度有影响； 2) 阀的开关切换特性会形成零位死区。
【发明内容】
[0005] 针对上述【背景技术】的不足，本发明利用简单开关控制策略控制高速电磁阀，改变 前置级压力，提供一种基于开关策略的气动比例阀系统及其控制方法。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 一种基于开关策略的气动比例阀系统，包括主阀部分、前置级控制部分以及单片机控 制部分；其中，所述主阀部分包括空气主流道和依次连接的主控制阀、弹性部件；所述前置 级控制部分包括空气分流道、至少两台高速电磁阀、连接管道以及压力传感器，所述空气主 流道上连接空气分流道，在空气主流道的出口处依次连接主控制阀以及压力传感器；所述 空气分流道上依次设置高速电磁阀，在第一高速电磁阀与第二高速电磁阀之间的空气分流 道上连通一管道；所述管道连接一空腔，空腔内依次设有一气动薄膜和动作杆件，动作杆件 的另一端刚性连接在主控制阀上，通过空腔内气压的改变使气动薄膜变形推动动作杆件来 控制主控制阀的开度；所述单片机控制部分包括单片机以及电机驱动模块，所述单片机根 据压力传感器的出流压力信号以及人工设定信号来控制第一高速电磁阀与第二高速电磁 阀的开关，从而改变空腔内压力的大小，保持出流压力的平衡。
[0007] 所述空气分流道的末端为泄气口。
[0008] 所述单片机连接一显示设备，用于显示系统状态。
[0009] 一种基于开关策略的气动比例阀控制方法，该方法包括以下步骤， 步骤一，压力传感器采集空气主流道的出口处的空气压力，将其输入到单片机上，判断 是需要降低出流压力还是升高出流压力； 步骤二，单片机输出控制信号，通过电机驱动模块控制高速电磁阀的开关状态，改变空 腔内的气压大小，通过气动薄膜改变主控制阀的开度； 步骤三，当达到控制效果时，关闭高速电磁阀。
[0010] 进一步的，所述步骤二具体指，当需要降低出流压力时，打开空腔上游的高速电磁 阀，关闭空腔下游的高速电磁阀；当需要升高出流压力时，关闭空腔上游的高速电磁阀，打 开空腔下游的高速电磁阀。
[0011] 更进一步的，所述步骤一具体指，给目标压力设置上下误差范围，即比较压力传感 器采集的数据与上误差范围以及下误差范围，当采集的数据大于上误差范围时，需要降低 出流压力；当采集的数据小于于下误差范围时，需要升高出流压力。
[0012] 作为一种优选，在所述高低误差范围的基础上，设置上下过渡范围，即在高误差范 围的下边缘设置一上过渡范围，在低误差范围的上边缘设置一下过渡范围；当压力传感器 采集的数据落入到上下过渡范围中时，同时打开两个高速电磁阀利用bangbang控制和P控 制结合的方法控制两个高速电磁阀的开启时间，避免振荡。
[0013] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果： 该一种基于开关策略的气动比例阀系统以及控制方法具有精度高和响应速度快的性 能，同时具备低成本，高可靠性等特点： 1、 精度高：在于原理性装置的误差可以控制在±15kPa以内； 2、 响应速度快：前置级的响应速度在50ms左右； 3、 成本低：高速电磁阀等价格低廉，装置整体的成本较低。
【附图说明】
[0014]图1为本发明提供的基于开关策略的气动比例阀系统模型图； 图2为本发明提供的基于开关策略的气动比例阀控制方法流程示意图； 图3为本发明提供的基于开关策略的气动比例阀系统压力响应曲线图； 图4为本发明提供的基于开关策略的气动比例阀系统出流压力误差曲线； 图5为本发明提供的一种实施方式的控制流程框图； 图6为图5对应的前置级跃信号响应曲线图； 图7为图5对应的前置级跃信号响应曲线图； 图8为本发明提供的第二种实施方式对应的前置级跃信号响应曲线图； 图9为本发明提供的第二种实施方式对应的前置级跃信号响应曲线图； 图10为本发明提供的第二种实施方式对应的前置级跃信号响应曲线图； 图11为本发明提供的第二种实施方式对应的前置级跃信号响应曲线图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明提供一种基于开关策略的气动比例阀系统及其控制方法，为使本发明的目 的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应 当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0016] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明： 该方法提供一种基于开关策略的气动比例阀系统如图1所示，具体结构为： 一种基于开关策略的气动比例阀系统，包括主阀部分、前置级控制部分以及单片机控 制部分；其中，所述主阀部分包括空气主流道和依次连接的主控制阀、弹性部件；所述前置 级控制部分包括空气分流道、至少两台高速电磁阀、连接管道以及压力传感器，所述空气主 流道上连接空气分流道，在空气主流道的出口处依次连接主控制阀以及压力传感器；所述 空气分流道上依次设置高速电磁阀，在第一高速电磁阀与第二高速电磁阀之间的空气分流 道上连通一管道；所述管道连接一空腔，空腔内依次设有一气动薄膜和动作杆件，动作杆件 的另一端刚性连接在主控制阀上，通过空腔内气压的改变使气动薄膜变形推动动作杆件来 控制主控制阀的开度；所述单片机控制部分包括单片机以及电机驱动模块，所述单片机根 据压力传感器的出流压力信号以及人工设定信号来控制第一高速电磁阀与第二高速电磁 阀的开关，从而改变空腔内压力的大小，保持出流压力的平衡。该空腔为一气缸，空气分流 道的末端为泄气口，所述单片机连接一显示设备，用于显示系统状态。
[0017] 从模型可见，空气经主流道分为两个部分，大部分经主流道节流口后变为目标压 力，小部分气体经分流后进入前置级。前置级由两个高速电磁阀和一个控制空腔组成。两 个高速电磁阀分别起着给空腔打气和放气的作用，当需要降低出流压力时，则需要将主流 道节流口的压力变小，此时需要提高控制空腔的压力以抵抗弹簧力向下运动。若利用简单 开关控制策略，控制模块会输出信号，打开上游高速电磁阀，即图1中的第一高速电磁阀。 下游高速电磁阀，即图1中的第二高速电磁阀保持关闭。此时主流的一部分气流会经上游 高速电磁阀进入控制空腔，空腔压力上升，动作杆克服弹簧力向下移动，在某个位置达到平 衡，从而降低了出流的压力。相反，为了提高出流压力则需要打开下游高速电磁阀，关闭上 游高速电磁阀。当然，完成这个过程必须要选择有合适弹簧系数的弹簧。出流口的压力传 感器获得出流口的压力信号，反馈给控制器，从而形成闭环控制系统。完整的控制流程示意 图如图2。
[0018] 本发明提供的系统中，所采用的高速电磁阀为MAC35A-ACA-DDAA-1BA型高速电 磁阀，这种电磁阀的最小开启时间为6ms，最小闭合时间为2ms。气缸作为阀门模型中的空 腔，起到一定的稳压作用，在前置级中，利用压力传感器获得其中的压力，并通过实验验证 实物的正确性。
[0019]前置级的控制在本系统的控制效果起了决定性的作用；首先，为了说明前置级控 制部分工作的原理以及验证试验结果的准确性，我们将主阀控制部分去除，单独测试前置 级控制部分。采用一压力传感器检测空腔内的空气压力；其具体的控制方法为： 实施例1 步骤一，压力传感器采集空腔内的空气压力，将其输入到单片机上，判断是需要降低空 腔内的空气压力还是升高空腔内的空气压力； 步骤二，单片机输出控制信号，通过电机驱动模块控制高速电磁阀的开关状态，改变空 腔内的气压大小，通过气动薄膜改变主控制阀的开度； 步骤三，当达到控制效果时，关闭高速电磁阀。
[0020] 我们设定一个前置级空腔压力允许范围，即所得压力包含一个误差带，当空腔压 力小于误差允许范围，则打开第一高速电磁阀、关闭第二高速电磁阀，空腔压力上升；当空 腔压力大于误差允许范围，则打开