一種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)及其控制方法，屬于氣動(dòng)放大元件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]基于Honeywell 的 Lucifer-type EPP3 J-21-U-100-10 型閥門的非線性動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了分析并做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。這種閥門利用對(duì)高速電磁閥進(jìn)行PWM控制。作者利用實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，并且這種模型可以運(yùn)用到相似閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；呂強(qiáng)在《壓電閥設(shè)計(jì)及其在列車制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究》一文中設(shè)計(jì)了一種以壓電比例閥為先導(dǎo)的電氣比例壓力調(diào)節(jié)閥。該閥門利用壓電比例閥作為先導(dǎo)級(jí)比例控制先導(dǎo)腔，再通過先導(dǎo)腔來改變主流道開度，從而達(dá)到比例調(diào)節(jié)的目的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知其自制壓電閥門性能響應(yīng)速度較快，線性度較好，但是存在死區(qū)，輸入氣壓很低以及跟蹤突變信號(hào)性能較差的缺點(diǎn)。
[0003]Bao Gang, Cheng Tinghai, Huang Yao, Guo Xiangdong, Gao 在 Han.A NozzleFlapper Electro-Pneumatic Proport1nal Pressure Valve Driven by PiezoelectricMotor 一文中設(shè)計(jì)了一種由壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的噴嘴擋板式電氣比例壓力閥。該閥門的壓電電動(dòng)機(jī)改變噴嘴擋板的開度，從而控制先導(dǎo)級(jí)的控制壓力，進(jìn)而改變主流道的開度，以達(dá)到比例調(diào)節(jié)的目的。這種閥門在一定工作壓力下的線性度是±5%，分離度為0.1%，滯后為±0.5%，相比普通比例閥具有良好的穩(wěn)定性和控制精度。
[0004]利用高速電磁閥來對(duì)閥門的前置級(jí)進(jìn)行壓力控制，從而改變主流道開度達(dá)到比例調(diào)節(jié)目的。目前涉及到高速電磁閥的很多研究基本上利用PWM控制策略，但是PWM控制對(duì)控制精度有如下不良影響:
[0005]I)開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生流量脈動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)控制精度有影響；
[0006]2)閥的開關(guān)切換特性會(huì)形成零位死區(qū)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，本實(shí)用新型利用簡單開關(guān)控制策略控制高速電磁閥，改變前置級(jí)壓力，提供一種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)及其控制方法。
[0008]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0009]—種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)，包括主閥部分、前置級(jí)控制部分以及單片機(jī)控制部分；其中，所述主閥部分包括空氣主流道和依次連接的主控制閥、彈性部件；所述前置級(jí)控制部分包括空氣分流道、至少兩臺(tái)高速電磁閥、連接管道以及壓力傳感器，所述空氣主流道上連接空氣分流道，在空氣主流道的出口處依次連接主控制閥以及壓力傳感器；所述空氣分流道上依次設(shè)置高速電磁閥，在第一高速電磁閥與第二高速電磁閥之間的空氣分流道上連通一管道；所述管道連接一空腔，空腔內(nèi)依次設(shè)有一氣動(dòng)薄膜和動(dòng)作桿件，動(dòng)作桿件的另一端剛性連接在主控制閥上，通過空腔內(nèi)氣壓的改變使氣動(dòng)薄膜變形推動(dòng)動(dòng)作桿件來控制主控制閥的開度；所述單片機(jī)控制部分包括單片機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述單片機(jī)根據(jù)壓力傳感器的出流壓力信號(hào)以及人工設(shè)定信號(hào)來控制第一高速電磁閥與第二高速電磁閥的開關(guān)，從而改變空腔內(nèi)壓力的大小，保持出流壓力的平衡。
[0010]所述空氣分流道的末端為泄氣口。
[0011]所述單片機(jī)連接一顯示設(shè)備，用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)。
[0012]—種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥控制方法，該方法包括以下步驟，
[0013]步驟一，壓力傳感器采集空氣主流道的出口處的空氣壓力，將其輸入到單片機(jī)上，判斷是需要降低出流壓力還是升高出流壓力；
[0014]步驟二，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制高速電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，改變空腔內(nèi)的氣壓大小，通過氣動(dòng)薄膜改變主控制閥的開度；
[0015]步驟三，當(dāng)達(dá)到控制效果時(shí)，關(guān)閉高速電磁閥。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟二具體指，當(dāng)需要降低出流壓力時(shí)，打開空腔上游的高速電磁閥，關(guān)閉空腔下游的高速電磁閥；當(dāng)需要升高出流壓力時(shí)，關(guān)閉空腔上游的高速電磁閥，打開空腔下游的高速電磁閥。
[0017]更進(jìn)一步的，所述步驟一具體指，給目標(biāo)壓力設(shè)置上下誤差范圍，S卩比較壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)與上誤差范圍以及下誤差范圍，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大于上誤差范圍時(shí)，需要降低出流壓力；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)小于于下誤差范圍時(shí)，需要升高出流壓力。
[0018]作為一種優(yōu)選，在所述高低誤差范圍的基礎(chǔ)上，設(shè)置上下過渡范圍，即在高誤差范圍的下邊緣設(shè)置一上過渡范圍，在低誤差范圍的上邊緣設(shè)置一下過渡范圍；當(dāng)壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)落入到上下過渡范圍中時(shí)，同時(shí)打開兩個(gè)高速電磁閥利用bangbang控制和P控制結(jié)合的方法控制兩個(gè)高速電磁閥的開啟時(shí)間，避免振蕩。
[0019]本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0020]該一種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)以及控制方法具有精度高和響應(yīng)速度快的性能，同時(shí)具備低成本，高可靠性等特點(diǎn):
[0021]1、精度高:在于原理性裝置的誤差可以控制在±15kPa以內(nèi)；
[0022]2、響應(yīng)速度快:前置級(jí)的響應(yīng)速度在50ms左右；
[0023]3、成本低:高速電磁閥等價(jià)格低廉，裝置整體的成本較低。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型提供的基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)模型圖；
[0025]圖2為本實(shí)用新型提供的基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥控制方法流程示意圖；
[0026]圖3為本實(shí)用新型提供的基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線圖；
[0027]圖4為本實(shí)用新型提供的基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)出流壓力誤差曲線；
[0028]圖5為本實(shí)用新型提供的一種實(shí)施方式的控制流程框圖；
[0029]圖6為圖5對(duì)應(yīng)的前置級(jí)躍信號(hào)響應(yīng)曲線圖；
[0030]圖7為圖5對(duì)應(yīng)的前置級(jí)躍信號(hào)響應(yīng)曲線圖；
[0031]圖8為本實(shí)用新型提供的第二種實(shí)施方式對(duì)應(yīng)的前置級(jí)躍信號(hào)響應(yīng)曲線圖；
[0032]圖9為本實(shí)用新型提供的第二種實(shí)施方式對(duì)應(yīng)的前置級(jí)躍信號(hào)響應(yīng)曲線圖；
[0033]圖10為本實(shí)用新型提供的第二種實(shí)施方式對(duì)應(yīng)的前置級(jí)躍信號(hào)響應(yīng)曲線圖；
[0034]圖11為本實(shí)用新型提供的第二種實(shí)施方式對(duì)應(yīng)的前置級(jí)躍信號(hào)響應(yīng)曲線圖；
[0035]其中，1-第一高速電磁閥、2-第一高速電磁閥、3-主控制閥、4-動(dòng)作桿件、5-空腔、6-主閥部分、7-前置級(jí)控制部分、8-單片機(jī)控制部分、9-壓力傳感器、10-顯示設(shè)備、11-單片機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本實(shí)用新型提供一種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)及其控制方法，為使本實(shí)用新型的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0038]該方法提供一種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)為:
[0039]—種基于開關(guān)策略的氣動(dòng)比例閥系統(tǒng)，包括主閥部分、前置級(jí)控制部分以及單片機(jī)控制部分；其中，所述主閥部分包括空氣主流道和依次連接的主控制閥、彈性部件；所述前置級(jí)控制部分包括空氣分流道、至少兩臺(tái)高速電磁閥、連接管道以及壓力傳感器，所述空氣主流道上連接空氣分流道，在空氣主流道的出口處依次連接主控制閥以及壓力傳感器；所述空氣分流道上依次設(shè)置高速電磁閥，在第一高速電磁閥與第二高速電磁閥之間的空氣分流道上連通一管道；所述管道連接一空腔，空腔內(nèi)依次設(shè)有一氣動(dòng)薄膜和動(dòng)作桿件，動(dòng)作桿件的另一端剛性連接在主控制閥上，通過空腔內(nèi)氣壓的改變使氣動(dòng)薄膜變形推動(dòng)動(dòng)作桿件來控制主控制閥的開度；所述單片機(jī)控制部分包括單片機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述單片機(jī)根據(jù)壓力傳感器的出流壓力信號(hào)以及人工設(shè)定信號(hào)來控制第一高速電磁閥與第二高速電磁閥的開關(guān)，從而改變空腔內(nèi)壓力的大小，保持出流壓力的平衡。該空腔為一氣缸，空氣分流道的末端為泄氣口，所述單片機(jī)連接一顯示設(shè)備，用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)。
[0040]從模型可見，空氣經(jīng)主流道分為兩個(gè)部分，大部分經(jīng)主流道節(jié)流口后變?yōu)槟繕?biāo)壓力，小部分氣體經(jīng)分流后進(jìn)入前置級(jí)。前置級(jí)由兩個(gè)高速電磁閥和一個(gè)控制空腔組成。兩個(gè)高速電磁閥分別起著給空腔打氣和放氣的作用，當(dāng)需要降低出流壓力時(shí)，則需要將主流道節(jié)流口的壓力變小，此時(shí)需要提高控制空腔的壓力以抵抗彈簧力向下運(yùn)動(dòng)。若利用簡單開關(guān)控制策略，控制模塊會(huì)輸出信號(hào)，打開上游高速電磁閥，即圖1中的第一高速電磁閥。下游高速電磁閥，即圖1中的第二高速電磁閥保持關(guān)閉。此時(shí)主流的一部分氣流會(huì)經(jīng)上游高速電磁閥進(jìn)入控制空腔，空腔壓力上升，動(dòng)作桿克服彈簧力向下移動(dòng)，在某個(gè)位置達(dá)到平衡，從而降低了出流的壓力。相反，為了提高出流壓力則需要打開下游高速電磁閥，關(guān)閉上游高速電磁閥。當(dāng)然，完成這個(gè)過程必須要選擇有合適彈簧系數(shù)的彈簧。出流口的壓力傳感器獲得出流口的壓力信號(hào)，反饋給控制器，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。完整的控制流程示意圖如圖2。
[0041]本實(shí)用新型提供的系統(tǒng)中，所采用的高速電磁閥為MAC 35A-ACA-DDAA-1BA型高速電