一种智能航空变量柱塞泵压力流量自适应控制系统

1.本发明涉及柱塞泵控制领域，更具体的说涉及一种智能航空变量柱塞泵压力流量自适应控制系统。


背景技术：

2.变量柱塞泵是一种通过控制其变量机构——斜盘的倾斜方向和角度，可以无级调节其输出排量的液压泵。变量柱塞泵具有容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的特点，这使得变量泵在越来越多的场合得到应用。航空泵是飞行器控制系统中的核心部件，由于起其空间狭窄、散热条件差等工况，航空泵需要具有小型而大功率、可获得高速且高功率密度，抗冲击性强而坚牢，抗环境性强而寿命长等特征。传统的航空泵受限于尺寸的限制，一般都做成定量泵，通过改变电机的转速来改变泵的输出流量，这种结构优点在于结构简单，重量较轻，但由于集成化程度较高，导致其散热较为困难，发热状况较为严重，很难同时实现效率、动态特性和功重比等性能的最优。
3.所以，航空泵采用变量柱塞形式很有必要，但是，航空泵的超小型化趋势，增加了对其控制的难度，其使用的高端场合也对航空变量泵的鲁棒性和精度提出了更高的要求。由于尺寸限制、高功率密度的要求，效率也是一个无法忽视的因素，传统的液压泵的对出口压力控制的方式，一种是用溢流阀，另一种是添加恒压阀。第一种方式很明显会出现溢流发热，降低系统效率，不适用于航空泵，第二种添加恒压阀的方式，可以一定程度上减少溢流，但是在系统需要的压力未达到恒压阀设定的压力时，泵会以最大流量输出，这种工况下，超出的流量也会导致额外的溢流损失。
4.因此如何实现构型、创新和控制策略创新，改进传统的控制方式，实现高鲁棒性、高精度、高效率的控制，是智能航空泵控制未来发展的重点与难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种智能航空变量柱塞泵压力流量自适应控制系统，以提高泵控制的鲁棒性，使其在流量压力模式下进行自适应切换；提供的控制方法，当系统达到设定压力时，泵进入压力环，维持设定压力，泵排量会回到接近最小，维持泵本身泄漏，当系统压力未达到设定压力时，泵会进入流量环，维持设定流量，避免额外的溢流损失，提高了泵的效率；采用三重内闭环，提高泵控制的精度，减小超调，减少静态误差。
6.本发明解决上述技术问题的方案是：
7.一种智能航空变量柱塞泵压力流量自适应控制系统，包括电机、变量柱塞泵、伺服阀、用于检测伺服阀阀芯位移的阀芯位移传感器、斜盘位移lvdt传感器、用于检测变量柱塞泵出口压力的压力传感器、控制器、给变量柱塞泵供油的增压油箱和壳体，所述变量柱塞泵安装有变量活塞主缸和变量活塞副缸，所述电机输出端连接变量柱塞泵，所述变量柱塞泵的泄油和伺服阀的t口油液回到壳体，所述变量活塞主缸受伺服阀的油液发生移动，所述斜
盘位移lvdt传感器用于检测变量活塞主缸的位移，所述控制器接收阀芯位移传感器的阀芯位移sa1、斜盘位移lvdt传感器的斜盘位移sa2、压力传感器的实际压力pa、伺服阀的实际电流ia以及压力指令pc、排量指令vc、功率指令wc，经过运算输出指令电流ic至伺服阀的电磁铁。
8.所述所述伺服阀、斜盘位移lvdt传感器和压力传感器均连接于变量柱塞泵，所述伺服阀内安装有阀芯位移传感器。
9.所述变量柱塞泵出口流量引入到伺服阀的p口并根据伺服阀的阀芯位移大小比例进入变量活塞主缸，当变量活塞主缸的无杆腔压力大于变量活塞副缸的弹簧力，变量柱塞泵排量变小；当活塞主缸的无杆腔压力小于变量活塞副缸的弹簧力，变量柱塞泵排量变大。
10.所述斜盘位移lvdt传感器包括lvdt传感器外壳、lvdt传感器内芯、lvdt传感器防护壳和lvdt传感器连杆，所述lvdt传感器连杆一端螺纹连接于变量活塞主缸的活塞，所述lvdt传感器连杆另一端过盈配合安装有lvdt传感器内芯，所述lvdt传感器防护壳与变量活塞主缸缸筒通过固定螺栓连接，所述lvdt传感器防护壳与lvdt传感器外壳通过螺纹连接，所述lvdt传感器内芯位于lvdt传感器外壳内。
11.所述变量活塞主缸缸筒与lvdt传感器连杆之间通过格莱圈密封，所述变量活塞主缸缸筒与lvdt传感器防护壳之间通过防尘o型圈密封。
12.所述lvdt传感器外壳外壁螺纹连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母抵住lvdt传感器防护壳的端面，所述斜盘位移lvdt传感器的信号通过连接电缆引出。
13.所述控制器包括差分电压放大器一、差分电压放大器二、差分电压放大器三、斜坡信号发生器一、斜坡信号发生器二、除法器、最小值选择器一、最小值选择器二、绝对值生成器一、绝对值生成器二、压力闭环控制器、流量闭环控制器、压力流量自适应选择器、阀芯位移闭环控制器、电流闭环控制器、调制解调器一、调制解调器二、传感器信号调节器一、传感器信号调节器二、传感器信号调节器三、电流电压转换器、伺服阀驱动器；
14.压力指令pc通过差分电压放大器一和斜坡信号发生器一的量化转换进入压力闭环控制器，实际压力pa通过电流电压转换器和传感器信号调节器三的量化转换进入压力闭环控制器，压力闭环控制器通过比例、积分及微分先行计算产生压力闭环值；
15.功率指令wc通过差分电压放大器二的量化转换除以实际压力pa量化值，与排量指令vc通过差分电压放大器三和斜坡信号发生器二的量化转换进行最小值比较，选择较小值进入流量闭环控制器，斜盘位移sa2通过调制解调器一和传感器信号调节器一的量化转换进入流量闭环控制器，流量闭环控制器通过比例、积分及微分先行计算产生流量闭环值；
16.压力闭环值与流量闭环值通过压力流量自适应选择器选择出符合要求的闭环值进入阀芯位移闭环控制器，阀芯位移sa1通过调制解调器二和传感器信号调节器二的量化转换进入阀芯位移闭环控制器，阀芯位移闭环控制器通过比例及微分先行计算产生电压指令值；
17.电压指令值通过伺服阀驱动器转化成电流值进入电流闭环控制器，伺服阀的实际电流ia进入电流闭环控制器，电流闭环控制器通过比例计算产生指令电流ic。
18.所述压力流量自适应选择器包括最小值选择器二、绝对值生成器一、绝对值生成器二，最小值选择器二选择绝对值生成器一和绝对值生成器二中绝对值较小的一个闭环值作为输出值。
19.所述控制器包括除法器、最小值选择器一、最小值选择器二、绝对值生成器一、绝对值生成器二、压力闭环控制器、流量闭环控制器、压力流量自适应选择器、阀芯位移闭环控制器、电流闭环控制器；
20.压力指令pc的量化值和实际压力pa的量化值进入压力闭环控制器，压力闭环控制器通过计算产生压力闭环值；
21.功率指令wc的量化值除以实际压力pa的量化值，与排量指令vc的量化值进行最小值比较，选择较小值进入流量闭环控制器，斜盘位移sa2的量化值进入流量闭环控制器，流量闭环控制器通过计算产生流量闭环值；
22.压力闭环值与流量闭环值通过压力流量自适应选择器选择出符合要求的闭环值进入阀芯位移闭环控制器，阀芯位移sa1的量化值进入阀芯位移闭环控制器，阀芯位移闭环控制器通过计算产生电压指令值；
23.电压指令值的量化值进入电流闭环控制器，伺服阀的实际电流ia进入电流闭环控制器，电流闭环控制器通过计算产生指令电流ic。
24.所述压力流量自适应选择器包括最小值选择器二、绝对值生成器一、绝对值生成器二，最小值选择器二选择绝对值生成器一和绝对值生成器二中绝对值较小的一个闭环值作为输出值。
25.本发明的突出效果是：本发明提出的航空变量泵的斜盘位移lvdt传感器的安装结构，规避了传统柱塞泵壳体开孔外加斜坡转换斜盘位移的复杂方式，巧妙利用泵斜盘安装螺钉，集成了连杆和小型斜盘位移lvdt传感器，且没有明显增加泵的质量和尺寸，传感器外露尺寸仅仅长29mm，直径12mm。本发明采用了电流闭环、伺服阀芯位置闭环、压力闭环或流量闭环三重闭环，层层提高电流、阀芯位移与压力或流量控制精度，消除了累积误差，提高了总控制精度，减小了稳态误差。本发明提出了一种流量压力自适应控制选择器，可在不同的工况下自动选择压力闭环或者流量闭环，减少了控制的复杂性，提高了系统的鲁棒性，同时由于压力流量控制均由控制斜盘位置而实现，所以不会产生油液溢流，提高了泵的效率。本发明提出了功率限制策略，避免系统过载。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图2为本发明的斜盘位移lvdt传感器的安装结构示意图；
28.图3为本发明的控制框架图。
29.图中：1
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电机、2
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变量柱塞泵、3
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变量活塞主缸、4
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变量活塞副缸、5
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伺服阀、6
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阀芯位移传感器、7
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斜盘位移lvdt传感器、8
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压力传感器、9
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控制器、10
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增压油箱、11
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壳体、12.1
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差分电压放大器一、12.2
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差分电压放大器二、12.3
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差分电压放大器三、13.1
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斜坡信号发生器一、13.2
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斜坡信号发生器二、14
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除法器、15.1
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最小值选择器一、15.2
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最小值选择器二、16.1
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绝对值生成器一、16.2
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绝对值生成器二、17
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压力闭环控制器、18
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流量闭环控制器、19
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压力流量自适应选择器、20
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阀芯位移闭环控制器、21
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电流闭环控制器、22.1
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调制解调器一、22.2
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调制解调器二、23.1
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传感器信号调节器一、23.2
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传感器信号调节器二、23.3
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传感器信号调节器三、24
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电流电压转换器、25
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伺服阀驱动器、26
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lvdt传感器连杆、27
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格莱圈、28
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固定螺栓、29
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防尘o型圈、30
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lvdt传感器防护壳、31
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lvdt传感器外壳、
32
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lvdt传感器内芯、33
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锁紧螺母、34
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连接电缆。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
31.实施例1：
32.如图1
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3所示，一种智能航空变量柱塞泵压力流量自适应控制系统，包括电机1、变量柱塞泵2、伺服阀5、用于检测伺服阀5阀芯位移的阀芯位移传感器6、斜盘位移lvdt传感器7、用于检测变量柱塞泵2出口压力的压力传感器8、控制器9、给变量柱塞泵2供油的增压油箱10和壳体11，变量柱塞泵2从增压油箱10吸油。
33.所述变量柱塞泵2安装有变量活塞主缸3和变量活塞副缸4，所述电机1输出端连接变量柱塞泵2，电机1通过联轴器连接变量柱塞泵2。
34.所述变量柱塞泵2的泄油和伺服阀5的t口油液回到壳体11，所述变量活塞主缸3受伺服阀5的油液发生移动，所述斜盘位移lvdt传感器7用于检测变量活塞主缸3的位移，所述控制器9接收阀芯位移传感器6的阀芯位移sa1、斜盘位移lvdt传感器7的斜盘位移sa2、压力传感器8的实际压力pa、伺服阀5的实际电流ia以及压力指令pc、排量指令vc、功率指令wc，经过运算输出指令电流ic至伺服阀5的电磁铁。
35.阀芯位移传感器6将伺服阀5阀芯位移信号sa1采集传输至控制器9；斜盘位移lvdt传感器7将变量活塞主缸3斜盘位移信号sa2采集传输至控制器9；压力传感器8将变量柱塞泵2出口压力信号pa采集传输至控制器9；伺服阀5电磁铁线圈的电流信号ia传输至控制器9；同时，控制器9接收压力指令信号pc、流量指令信号vc和功率指令信号wc，跟反馈信号经过智能控制方法的计算，输出指令电流ic至伺服阀5，完成对变量柱塞泵2的排量控制。
36.所述所述伺服阀5、斜盘位移lvdt传感器7和压力传感器8均连接于变量柱塞泵2，所述伺服阀5内安装有阀芯位移传感器6。伺服阀5通过螺栓连接到变量柱塞泵2；阀芯位移传感器6内置于伺服阀5；斜盘位移lvdt传感器7通过螺纹以及螺栓连接到变量柱塞泵2；压力传感器8通过螺纹连接到变量柱塞泵2。
37.所述变量柱塞泵2出口流量引入到伺服阀5的p口并根据伺服阀5的阀芯位移大小比例进入变量活塞主缸3，当变量活塞主缸3的无杆腔压力大于变量活塞副缸4的弹簧力，变量柱塞泵2排量变小；当活塞主缸3的无杆腔压力小于变量活塞副缸4的弹簧力，变量柱塞泵2排量变大。
38.变量柱塞泵2的排量由变量活塞主缸3与变量活塞副缸4的力平衡来决定，变量活塞主缸3无杆腔液压推力高于变量活塞副缸4的弹簧力时泵排量减小，反之排量增大。当泵处于停机状态或者泵出口压力较低时，变量活塞主缸3无杆腔油液经过阀交叉位进入壳体11，无杆腔压力较低，变量活塞副缸4的弹簧力将泵排量推到最大，输出最大流量，当泵出口建立高压之后，泵出口高压油液可以进入伺服阀5，此时泵的排量大小和变化就受控于伺服阀5的阀芯位置，通过改变伺服阀5的电流大小即可改变变量柱塞泵2排量大小。
39.所述斜盘位移lvdt传感器7包括lvdt传感器外壳31、lvdt传感器内芯32、lvdt传感器防护壳30和lvdt传感器连杆26，所述lvdt传感器连杆26一端螺纹连接于变量活塞主缸3的活塞，所述lvdt传感器连杆26另一端过盈配合安装有lvdt传感器内芯32，所述lvdt传感器防护壳30与变量活塞主缸3缸筒通过固定螺栓28连接，所述lvdt传感器防护壳30与lvdt
传感器外壳31通过螺纹连接，所述lvdt传感器内芯32位于lvdt传感器外壳31内。
40.所述变量活塞主缸3缸筒与lvdt传感器连杆26之间通过格莱圈27密封，格莱圈27密封变量活塞主缸3中的油液。所述变量活塞主缸3缸筒与lvdt传感器防护壳30之间通过防尘o型圈29密封。
41.所述lvdt传感器外壳31外壁螺纹连接有锁紧螺母33，所述锁紧螺母33抵住lvdt传感器防护壳30的端面，锁紧螺母33用于固定lvdt传感器外壳31的位置。所述斜盘位移lvdt传感器7的信号通过连接电缆34引出。
42.本结构设计中，将变量柱塞泵2的变量活塞主缸3的缸筒设计为螺钉连接形式，可以方便与泵的连接；lvdt传感器内芯32通过lvdt传感器连杆26固定至变量活塞主缸3的活塞上，lvdt传感器外壳31通过lvdt传感器防护壳30固定至变量活塞主缸3的缸筒上。变量活塞主缸3的缸筒和活塞发生相对移动时带动lvdt传感器外壳31和lvdt传感器内芯32两部分发生相对移动，从而产生变量活塞主缸3活塞位移信号，由连接电缆34引出；防尘o型圈29用于防止外界灰尘和杂质进入变量活塞主缸3。
43.本发明的压力流量自适应控制在控制器9中实现；所述控制器9包括差分电压放大器一12.1、差分电压放大器二12.2、差分电压放大器三12.3、斜坡信号发生器一13.1、斜坡信号发生器二13.2、除法器14、最小值选择器一15.1、最小值选择器二15.2、绝对值生成器一16.1、绝对值生成器二16.2、压力闭环控制器17、流量闭环控制器18、压力流量自适应选择器19、阀芯位移闭环控制器20、电流闭环控制器21、调制解调器一22.1、调制解调器二22.2、传感器信号调节器一23.1、传感器信号调节器二23.2、传感器信号调节器三23.3、电流电压转换器24、伺服阀驱动器25；
44.压力闭环模块包括差分电压放大器一12.1、斜坡信号发生器一13.1、压力闭环控制器17、传感器信号调节器三23.3、电流电压转换器24。压力指令pc通过差分电压放大器一12.1和斜坡信号发生器一13.1的量化转换进入压力闭环控制器17，实际压力pa通过电流电压转换器24和传感器信号调节器三23.3的量化转换进入压力闭环控制器17，压力闭环控制器17通过比例、积分及微分先行计算产生压力闭环值；压力指令pc与实际压力pa为输入值，压力闭环值为输出模块；差分电压放大器一12.1对压力指令pc进行放大，斜坡信号发生器一13.1再对其进行量化转换，电流电压转换器24对实际压力信号pa进行电压转化，传感器信号调节器三23.3对其信号进行量化转换。
45.功率计算模块包括差分电压放大器二12.2、除法器14与最小值选择器一15.1。由于功率正比于压力和流量的乘积，故功率指令除以压力反馈值，即可得到流量指令值，跟实际的流量指令进行比较，选择小值，这样可以确保泵输出功率不高于功率指令wc；功率指令wc通过差分电压放大器二12.2的量化转换除以实际压力pa量化值，与排量指令vc通过差分电压放大器三12.3和斜坡信号发生器二13.2的量化转换进行最小值比较，选择较小值进入流量闭环控制器18，斜盘位移sa2通过调制解调器一22.1和传感器信号调节器一23.1的量化转换进入流量闭环控制器18，流量闭环控制器18通过比例、积分及微分先行计算产生流量闭环值；即首先差分电压放大器二12.2将功率指令wc进行量化处理，再除以量化后的实际压力pa，进入最小值选择器一15.1；差分电压放大器三12.3对排量指令vc进行放大，斜坡信号发生器二13.2的再对其进行量化转换，进入最小值选择器一15.1；最小值选择器一15.1选出较小值后，进入流量闭环控制器18。
46.排量闭环模块包括差分电压放大器三12.3、斜坡信号发生器二13.2、排量闭环控制器18、调制解调器一22.1、传感器信号调节器一23.1。排量指令vc与斜盘位移sa2为输入值，流量闭环值为输出模块；差分电压放大器三12.3对排量指令vc进行放大，斜坡信号发生器二13.2再对其进行量化转换，进入流量闭环控制器18；调制解调器一22.1将斜盘位移sa2信号由脉冲信号转化为模拟信号，传感器信号调节器一23.1再对模拟信号进行量化转换，进入排量闭环控制器18；排量闭环控制器18对量化转换后的信号进行比例、微分先行和积分处理，生成流量闭环值。
47.在泵的控制系统中，只控制变量活塞杆的位置，即斜盘角度，是无法同时控制系统的压力和流量的，只能在不同的工况下选择其一进行控制，但是界定不同的工况是一件繁琐的事。但压力流量自适应选择器19可以避免这种情况，压力流量自适应选择器19包括最小值选择器二15.2、绝对值生成器一16.1、绝对值生成器二16.2。压力流量自适应选择器19选择绝对值较小的一个闭环值作为输出值。控制器9设定一个压力指令pc和一个排量指令vc，当泵启动时，泵排量上升迅速接近vc，出口未建立起压力，此时压力流量自适应选择器19选择较小的流量闭环值作为输出值，当油液充满容腔，压力建立起来，接近pc，此时压力流量自适应选择器19选择较小的流量闭环值作为输出值，泵排量会回到接近0处维持泄漏量的平衡。
48.阀芯位移闭环模块包括阀芯位移闭环控制器20、调制解调器二22.2、传感器信号调节器二23.2。压力闭环值与流量闭环值通过压力流量自适应选择器19选择出符合要求的闭环值进入阀芯位移闭环控制器20，阀芯位移sa1通过调制解调器二22.2和传感器信号调节器二23.2的量化转换进入阀芯位移闭环控制器20，阀芯位移闭环控制器20通过比例及微分先行计算产生电压指令值；调制解调器二22.2将阀芯位移sa1信号由脉冲信号转化为模拟信号，传感器信号调节器二23.2再对模拟信号进行量化转换。
49.电流闭环模块包括电流闭环控制器21、伺服阀驱动器25。阀芯位移闭环控制器20产生的电压指令值通过伺服阀驱动器25，由电压转化为电流，进入电流闭环控制器21，伺服阀5的实际电流ia进入电流闭环控制器21，电流闭环控制器21通过比例计算产生指令电流ic。
50.以上实施例仅用于说明本发明，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。