[发明专利]基于离线模糊辨识的高速开关阀PWM信号生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种高速开关阀控制技术领域的方法，具体是一种基于离线模糊辨识的高速开关阀PWM信号生成方法。

背景技术

相对于伺服阀控制下的液压或气动系统，PWM方式下高速开关阀的流体脉冲控制被认为是一种价廉的性能相对较差的实现策略。PWM信号的产生过程是，需要将控制器的输出转换为开关阀输入的具有一定占空比的开关量信号，这必须依赖于一个调节器(Modulator)的作用。该调节器就是PWM信号的生成模块。调节器有硬件构成和软件构成之分。硬件产生是传统的方式。现在大多采用软件方式。而软件方式多由板卡中的时间计数器以及中断产生。无论是硬件构成还是软件构成，PWM信号的生成模块的运作机理是决定PWM方式下高速开关阀控制性能的关键所在。

PWM方式下高速开关阀伺服控制系统基本由以下几个模块构成：①传感器及数据采集模块，它的作用是采集与控制目标以及控制过程参数相关的物理量；在不同的应用场合，所使用的传感器以及所采集的物理量差异也很大；当然该模块也可以包含一些辅助环节，比如滤波环节等；②控制器模块，其核心是控制策略，将模块①中所采集的数据进行适当的运算与所期望的控制目标进行比较，通过运算生成控制参数；③PWM信号生成模块，在不同技术方案下模块中PWM信号的生成机理大不相同；④高速开关阀组模块，开关阀的性能直接关系到伺服系统的控制效能，高速开关阀的组合方式也略有不同；⑤驱动器模块，在不同机构中驱动器的数目可能不同，驱动器的种类差异也很大，但本质上都是一组高速开关阀控制驱动器中流体的流入和流出；⑥机械机构模块，不同的应用场合机械结构会有很大差异，但它们都是以⑤中的驱动器为动力元件，实现确定的机械运动。PWM方式下高速开关阀伺服控制系统的构成及各模块之间的相互连接关系。

通常PWM方式下高速开关阀控伺服系统控制策略的设计是将高速开关阀到驱动器段子系统中异常复杂的流体动态流动特性建模，并纳入整个机构系统动态模型之中。仅仅高速开关阀阀口流体流动特性就具有极强非线性，这无疑将增加控制策略的设计难度，而且综合控制性能难以保证。即使在双作用气缸或者液压缸的场合，缸两端的压差与占空比之间的线性关系得以提高从而简化了控制策略的设计，但这种特征曲线不稳定而且统一性较差，从而极大地压缩了高速开关阀控制性能的提升空间。

经过对现有技术的检索发现：Muto T.，Kato H.，Yamada H.，Suematsu Y.，在《Proceedings of the 2nd JHPS International Symposium on Fluid Power》(《第2次JHPS流体传动国际研讨会论文集》)，1993年，P321-326，撰文“Digitalcontrol of an HST system with load cylinder operated by differential pulsewidth modulation”(“差分PWM方式下HST系统中带负载液压缸的数字控制”)，文中提出了差分的PWM方式(D-PWM)，实验表明这种方法不仅能消除死区的影响而且可以提高特征曲线的线性度，实际的控制效能也较好；同样为了获得气缸两端的压差与占空比之间的线性关系，Varseveld R.B.，Bone G.H.在《IEEE/ASMETransactions on Mechatronics》(《IEEE/ASME机电控制期刊》)，1997年第2卷第5期，P195-204，撰文“Accurate position control of a pneumatic actuatorusing on/off solenoid valves”(“基于电磁开关阀气缸的高精度位置控制”)提出了一种新颖的PWM方式；为了克服D-PWM的差分量过大的缺陷，Shih M.C.，Ma M.A.在《Mechatronics》(《机电控制》)，1998年第8期，P241-253，撰文“Position control of a pneumatic cylinder using fuzzy PWM control method”(“在模糊PWM方式下气缸的位置控制”)提出了改进的差分PWM方式(M-D-PWM)；为了克服死区的影响，Ahn K.，Yodeta S.在《Mechatronics》(《机电控制》)，2005年第15期，P683-702，撰文“Intelligent switching control of pneumaticactuator using on/off solenoid valves”(“基于电磁开关阀气缸的智能切换控制”)引出了改进的PWM方式(MPWM)。上述现有技术都仅适用于高速电磁开关阀控制双作用气缸或者液压缸的情况；而且这些方式对于不同的采样时间、不同的进出口压力比会产生较大的差异，统一性较差。对于性能比较好的高速开关阀而言，死区的影响并不突出，而且它也不是提高开关阀控驱动器控制性能的重点所在。