一种基于高频电磁阀组的高精度气压控制系统和方法与流程

本发明涉及气压控制技术，尤其是涉及一种基于高频电磁阀组的控制系统和方法。

背景技术：

无污染、成本低、结构简单、压力等级低、安全性好、响应速度快等优点，使得气动技术得到了广泛的应用。

由于气动技术的工作介质-空气有可压缩性强、阀口流出气体存在非线性和活塞与气缸之间摩擦力的影响，导致了气动系统非线性强和刚度低，使得气动系统的稳定性较差，因而，气压的控制精度一般都不高。一般将气压波动限制在100pa以内可以认为是高精度气压控制。在超精密零件加工、高精度压力表检测、模态测试等应用场合中，迫切需要对气压进行高精度的控制。

控制密闭气室气压的方法有两种，即气体输送系统压力可变的方法和改变密闭气室容积的方法。后者由于用气室容积变化来控制压力，故对系统的气密性要求较高，另外为了满足气室容积的变化，调节器的构造比较复杂，从而也使其应用困难。针对气压控制，采用气体输送系统压力可变的控制方法时，目前最常用的系统构成是采用比例阀进行控制，日本smc和德国festo等公司都有一系列的比例阀，如日本smc的itv0000系列，但是最终控制精度只能达到1kpa，而在微压(介于1个标准大气压与2个标准大气压之间的压强)控制的场合，1kpa的相对精度太低。采用特制的压力控制装置，气压波动也只能抑制在50-100pa。故采用比例阀实现气压波动在50pa以下是很难实现的。控制密闭气室压力还可以采用基于开关阀的系统构成，通常采用进气和排气独立动作的控制方式，这种方式简单灵活，响应速度快，但是早期由于开关阀开关频率的限制，导致其控制精度较低。

技术实现要素：

为了克服上述气压控制的常见问题，本发明提供一种高精度的气压控制系统和方法。

本发明提供的一种基于高频电磁阀组的高精度气压控制系统，包括依次连接的气源、过滤器、油雾分离器、精密减压阀、缓冲密闭气室、进气高频电磁阀组、密闭气室、排气高频电磁阀组；缓冲密闭气室上连接监视压力表；气源经过滤器、所述油雾分离器、精密减压阀将气压调整到期望控制压力最大值的1.5-2.5倍；精密减压阀的输出连接着缓冲密闭气室，缓冲密闭气室上设有开孔，开孔连接监视压力表，对缓冲密闭气室的气压进行监视；从缓冲密闭气室出来的气路经过进气高频电磁阀组，接到密闭气室，控制密闭气室的进气；排气高频电磁阀组连接密闭气室，控制密闭气室向环境空气排气；密闭气室上连接高精度气压传感器；

进气高频电磁阀组有i个，每个电磁阀组由n个相同的电磁阀组成，n从1开始，每个电磁阀组的电磁阀个数依次增大2倍，每个电磁阀的直径为φ；

排气高频电磁阀组有j个，每个电磁阀组由n个相同的电磁阀组成，n从1开始，每个电磁阀组的电磁阀个数依次增大2倍，每个电磁阀的直径为φ；

一种基于高频电磁阀组的高精度气压控制方法，气源经过过滤器及油雾分离器处理后，再经过精密减压阀将气压调整到密闭气室期望控制压力最大值的1.5-2.5倍，通过监视压力表对缓冲密闭气室的压力进行监视；从缓冲密闭气室出来之后的气路经过进气高频电磁阀组，接到密闭气室上，控制密闭气室的进气，进气高频电磁阀组有i个，经pwm控制后的等效进气直径从0到(2ⁱ-1)φ之间可控；排气高频电磁阀组接到密闭气室上，控制密闭气室向环境空气排气，排气高频电磁阀组有j个，经pwm控制后的等效排气直径从0到(2^j-1)φ之间可控；通过控制cpu和增加必要的外围电路(时钟电路、复位电路、驱动电路等)，实现进气高频电磁阀组和排气高频电磁阀组的驱动，每个进气电磁阀组共用一个驱动信号，每个排气电磁阀组共用一个驱动信号，通过连接在密闭气室上的高精度气压传感器，控制cpu和ad转换器实时采集密闭气室内的气压；控制cpu对设定值pref(k)和实测值p(k)作差后，得到误差信号ep(k)，根据误差信号ep(k)，执行分段控制算法，得到输出控制量；根据误差的不同分段，控制进气高频电磁阀组和排气高频电磁阀组；气压设定值等参数通过计算机和cpu通信来设置；

当误差信号ep(k)绝对值大于e1时，表明气压实际值p(k)距离气压设定值远，采用bang_bang控制算法，得到输出控制量u3(k)，进行快速的进气和排气，实现响应的快速性，e1＝k1pref(k)，其中k1的取值范围可选为0.5到0.9之间，u3(k)＝ep(k)；

当误差信号ep(k)绝对值大于e2时，表明气压实际值距离气压设定值较远，采用单独方式pid控制算法，得到输出控制量u1(k)，进行一定速度的进气和排气，兼顾响应快速性的同时，避免大的超调，e2＝k2pref(k)，其中k2的取值范围可选为0.02到0.5之间；

u1(k)＝u1(k-1)+kp1[ep(k)-ep(k-1)]+ki1ep(k)+kd1[ep(k)-2ep(k-1)+ep(k-2)]，其中，当k≤0时，u1(k)＝0；kp1的取值范围在0.007到0.49之间，ki1的取值范围在0.0007到0.21之间，kd1的取值范围在0.0007到0.07之间；

当误差信号ep(k)绝对值不大于e2时，表明气压实际值距离气压设定值较近，采用微调方式pid控制算法，得到输出控制量u2(k)，进行微量的进气和排气，避免大的超调，u2(k)＝u2(k-1)+kp2[ep(k)-ep(k-1)]+ki2ep(k)+kd2[ep(k)-2ep(k-1)+ep(k-2)]，其中，当k≤0时，u2(k)＝0；kp1的取值范围在0.001到0.07之间，ki1的取值范围在0.0001到0.03之间，kd1的取值范围在0.0001到0.01之间。

本发明的有益效果：本发明提出的基于高频电磁阀组的高精度气压控制系统和方法，相对比例阀和伺服阀，价格低，经济性好，体积小，在某些场所更容易安装。

本发明根据误差信号大小的不同，执行不同的控制算法，得到输出控制量，在不同的控制方法下，对输出控制量采用不同的输出方式，结合pwm调制后，控制进气高频电磁阀组和排气高频电磁阀组。气压设定值等参数通过计算机软件和控制cpu通信来设置。

附图说明

图1为本发明基于高频电磁阀组的高精度气压控制系统组成框图；

图2为本发明基于高频电磁阀组的高精度气压控制方法流程图；

图3为本发明基于高频电磁阀组的高精度气压控制方法中单独方式pid控制算法输出控制量流程图；

图4为本发明基于高频电磁阀组的高精度气压控制方法中微调方式pid控制算法输出控制量流程图；

图5为本发明基于高频电磁阀组的高精度气压控制方法中bang_bang控制算法输出控制量流程图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体结构，该结构的规模不受实施例的限制。

请参阅图1，一种基于高频电磁阀组的高精度气压控制系统，包括依次连接的气源101、过滤器102、油雾分离器103、精密减压阀104、缓冲密闭气室106、i个进气高频电磁阀组s11到s1i107、密闭气室108、j个排气高频电磁阀组s21到s2j109，环境空气110；缓冲密闭气室106上连接监视压力表105；气源101经过滤器102、油雾分离器103、精密减压阀104将气压调整到期望控制压力最大值的1.5-2.5倍；精密减压阀104的输出连接着缓冲密闭气室106，缓冲密闭气室106上设有开孔，开孔连接监视压力表105，对缓冲密闭气室106的气压进行监视；从缓冲密闭气室106出来的气路经过进气高频电磁阀组107，接到密闭气室108，控制密闭气室的进气；排气高频电磁阀组109连接密闭气室108，控制密闭气室向环境空气110排气；密闭气室108上连接高精度气压传感器113；

进气高频电磁阀组有i个，每个电磁阀组由n个相同的电磁阀组成，n从1开始，每个电磁阀组的电磁阀个数依次增大2倍，每个电磁阀的直径为φ；

排气高频电磁阀组有j个，每个电磁阀组由n个相同的电磁阀组成，n从1开始，每个电磁阀组的电磁阀个数依次增大2倍，每个电磁阀的直径为φ；

结合pwm原理，通过对进气高频电磁阀组和排气高频电磁阀组的高频开关，等效的进气直径从0到(2ⁱ-1)φ之间可控，等效的排气直径从0到(2^j-1)φ之间可控。111中的控制cpu可采用arm或dsp，增加必要的外围电路(时钟电路、复位电路、驱动电路等)，实现高频电磁阀组的驱动，每个进气电磁阀组共用一个驱动信号，每个排气电磁阀组共用一个驱动信号，通过连接在密闭气室108上的高精度气压传感器113，111中的控制cpu加上ad转换器实时采集密闭气室108内的气压，控制cpu对设定值和实测值作差后，得到误差信号，根据误差信号，执行分段控制算法，得到输出控制量，根据误差的不同分段，控制进气高频电磁阀组107和排气高频电磁阀组109；气压设定值等参数通过计算机112和111中的cpu通信来设置。

请参阅图1和图2，基于高频电磁阀组的高精度气压控制方法，气源经过过滤器及油雾分离器处理后，再经过精密减压阀将气压调整到密闭气室期望控制压力最大值的1.5-2.5倍，通过监视压力表对缓冲密闭气室的压力进行监视；从缓冲密闭气室出来之后的气路分别经过进气高频电磁阀组，接到密闭气室上，控制密闭气室的进气，进气高频电磁阀组有i个，每个电磁阀组由n个相同的电磁阀组成，n从1开始，每个电磁阀组的电磁阀个数依次增大2倍，每个电磁阀的直径为φ，经pwm控制后的等效进气直径从0到(2ⁱ-1)φ之间可控；排气高频电磁阀组有j个，每个电磁阀组由n个相同的电磁阀组成，n从1开始，每个电磁阀组的电磁阀个数依次增大2倍，每个电磁阀的直径为φ；经pwm控制后的等效排气直径从0到(2^j-1)φ之间可控；通过控制cpu和增加必要的外围电路(时钟电路、复位电路、驱动电路等)，实现进气高频电磁阀组和排气高频电磁阀组的驱动，通过连接在密闭气室上的高精度气压传感器，控制cpu和ad转换器实时采集密闭气室内的气压；控制cpu对设定值pref(k)和实测值p(k)作差后，得到误差信号ep(k)，根据误差信号ep(k)，执行分段控制算法，得到输出控制量；根据误差的不同分段，控制进气高频电磁阀组和排气高频电磁阀组；气压设定值等参数通过计算机和cpu通信来设置；

为进一步说明具体实施方式，进气高频电磁阀组选为3个，排气高频电磁阀组选为3个。

当误差信号ep(k)绝对值大于e1时，表明气压实际值p(kk)距离气压设定值远，采用bang_bang控制算法，得到输出控制量u3(k)，进行快速的进气和排气，实现响应的快速性，e1＝k1pref(k)，其中k1的取值范围可选为0.5到0.9之间，u3(k)＝ep(k)；

当误差信号ep(k)绝对值大于e2时，表明气压实际值距离气压设定值较远，采用单独方式pid控制算法，得到输出控制量u1(k)，进行一定速度的进气和排气，兼顾响应快速性的同时，避免大的超调，e2＝k2pref(k)，其中k2的取值范围可选为0.02到0.5之间；

u1(k)＝u1(k-1)+kp1[ep(k)-ep(k-1)]+ki1ep(k)+kd1[ep(k)-2ep(k-1)+ep(k-2)]，其中，当k≤0时，u1(k)＝0；kp1的取值范围在0.007到0.49之间，ki1的取值范围在0.0007到0.21之间，kd1的取值范围在0.0007到0.07之间，选用合适的pid参数，使输出控制量u1(k)绝大部分落在±7之间；

当误差信号ep(k)绝对值不大于e2时，表明气压实际值距离气压设定值较近，采用微调方式pid控制算法，得到输出控制量u2(k)，进行微量的进气和排气，避免大的超调，u2(k)＝u2(k-1)+kp2[ep(k)-ep(k-1)]+ki2ep(k)+kd2[ep(k)-2ep(k-1)+ep(k-2)]，其中，当k≤0时，u2(k)＝0；kp1的取值范围在0.001到0.07之间，ki1的取值范围在0.0001到0.03之间，kd1的取值范围在0.0001到0.01之间，选用合适的pid参数，使输出控制量u2(k)绝大部分落在±1之间。

当一个进气高频电磁阀开通时，假定控制量为1，当一个排气高频电磁阀开通时，假定控制量为-1。3个进气高频电磁阀组中，s13高频电磁阀组有一个高频电磁阀组成，当开通时，等效控制量为1；s12高频电磁阀组有相同的两个高频电磁阀组成，共用一个驱动信号，同时进行开关，当开通时，等效控制量为2；s11高频电磁阀组有相同的四个高频电磁阀组成，共用一个驱动信号，同时进行开关，当开通时，等效控制量为4。3个排气高频电磁阀组中，s23高频电磁阀组有一个高频电磁阀组成，当开通时，等效控制量为-1；s22高频电磁阀组有相同的两个高频电磁阀组成，共用一个驱动信号，同时进行开关，当开通时，等效控制量为-2；s21高频电磁阀组有相同的四个高频电磁阀组成，共用一个驱动信号，同时进行开关，当开通时，等效控制量为-4；

请参阅图1、图2和图3，采用单独方式pid控制算法时，当输出控制量u1(k)大于或等于0时，关闭排气高频电磁阀组s21、s22、s23，当u1(k)≥7时，打开进气高频电磁阀组s11、s12、s13；当6≤u1(k)＜7时，打开进气高频电磁阀组s11、s12，s13进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当5≤u1(k)＜6时，打开进气高频电磁阀组s11，关闭进气高频电磁阀组s13，s12进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当4≤u1(k)＜5时，打开进气高频电磁阀组s11，关闭进气高频电磁阀组s12，513进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当3≤u1(k)＜4时，关闭进气高频电磁阀组s12、s13，s11进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当2≤u1(k)＜3时，关闭进气高频电磁阀组s11、打开进气高频电磁阀组s12，s13进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当1≤u1(k)＜2时，关闭进气高频电磁阀组s11、s13，512进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当0≤u1(k)＜1时，关闭进气高频电磁阀组s11、512，s13进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)。当输出控制量u1(k)小于0时，关闭进气高频电磁阀组s11、s12、s13，当u1(k)≤-7时，打开排气高频电磁阀组s21、s22、523；当-7＜u1(k)≤-6时，打开排气高频电磁阀组s21、s22，s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当-6＜u1(k)≤-5时，打开排气高频电磁阀组s21，关闭排气高频电磁阀组s23，s22进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当-5＜u1(k)≤-4时，打开排气高频电磁阀组s21，关闭排气高频电磁阀组s22，s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当-4＜u1(k)≤-3时，关闭排气高频电磁阀组s22、523，s21进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当-3＜u1(k)≤-2时，关闭排气高频电磁阀组s21、打开排气高频电磁阀组s22，523进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当-2＜u1(k)≤-1时，关闭排气高频电磁阀组s21、s23，s22进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)；当-1＜u1(k)＜0时，关闭排气高频电磁阀组s21、s22，s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u1(k)。

请参阅图1、图2和图4，采用微调方式pid控制算法时，关闭进气高频电磁阀组s11、s12和排气高频电磁阀组s21、s22，当输出控制量u2(k)≥1时，打开进气高频电磁阀组s13，关闭排气高频电磁阀组s23；当0.9＜u2(k)＜1时，关闭排气高频电磁阀组s23，s13进行高频pwm开关，输出等效控制量u2(k)，当0.5＜u2(k)≤0.9时，进气高频电磁阀组s13、排气高频电磁阀组s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u2(k)，占空比分别为0.1+u2(k)和0.1；当0≤u2(k)≤0.5时，s13、s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u2(k)，占空比分别为0.5+u2(k)和0.5；当输出控制量u2(k)≤-1时，打开排气高频电磁阀组s23，关闭进气高频电磁阀组s13；当-1＜u2(k)＜-0.9时，关闭进气高频电磁阀组s13，排气高频s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u2(k)，占空比为-u2(k)；当-0.9≤u2(k)＜-0.5时，s13、s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u2(k)，占空比分别为0.1和0.1-u2(k)；当-0.5≤u2(k)＜0时，s13、s23进行高频pwm开关，输出等效控制量u2(k)，占空比分别为0.5和0.5-u2(k)。

请参阅图1、图2和图5，采用bang_bang控制算法时，当输出控制量u3(k)＞0时，打开进气高频电磁阀组s11、s12、s13，关闭排气高频电磁阀组s21、s22、s23；当输出控制量u3(k)≤0时，打开排气高频电磁阀组s21、s22、s23，关闭进气高频电磁阀组s11、s12、s13。