[发明专利]一种基于高速开关阀的动态负压伺服控制系统和方法

说明书

本发明属于高空飞行器气压模拟装置研究领域，具体涉及一种基于高速开关阀的动态负压伺服控制系统，其包括被控容腔、独立的充气单元、抽气单元以及控制器，充气单元上设置有一个充气高速开关阀，抽气单元上设置有三个以上抽气高速开关阀。本发明还公开了一种基于高速开关阀动态负压伺服控制方法。本发明通过独立控制充、抽气单元，在充气单元配置一个高速开关阀和抽气单元配置三个以上高速开关阀，相应可有效解决现有比例/伺服阀价格高、体积大等问题，避免负压情况下出现的抽气和充气的严重非对称性，能够灵敏、精确地实现动态的负压伺服控制，同时具有结构简单、成本低廉等优点，因而尤其适用于空间飞行器气压模拟设备。

技术领域

本发明属于高空飞行器气压模拟装置研究领域，具体涉及一种基于高速开关阀的动态负压伺服控制系统和方法。

背景技术

在空间飞行器研制过程中，通过半实物仿真技术修改控制器设计、校验控制器性能，可以有效缩短研制周期、降低研制成本并提高新产品的可靠性。采用气压伺服控制技术的气压模拟设备，根据空间飞行器在飞行过程中的飞行高度和空速信号对应的气压高度和速度指令，提供相应的静压和总压信号。随着飞行器技术的快速发展，飞行高度不断提高；空间飞行器飞行过程中，与飞行高度对应的环境大气压力为低于标准大气压的负压值。上述两个要求使得研制能够产生低负压、响应快的气压模拟设备成为一种需求。

根据控制方式不同，气压模拟系统可以分为变容积控制和定容积控制。变容式控制是一种早期压力模拟器采用的方法，它通过改变容腔体积而改变容腔压力。该方法的优点是不需要气源，且在小范围表压力和低真空时具有良好的控制精度。其缺点在于压力大时灵敏度过高，导致难以实现稳定控制和密封，且此种方式只能够实现固定压力点控制。因此，近年的气压模拟器较少采用此种方式。定容积控制通过对固定体积容腔充、抽气来改变容腔内气体密度，从而实现容腔的压力的变化。此方法容腔密封性好，易于实现连续控制，但需要单独提供正、负压力气源。当前的压力模拟器较多采用该方法实现。

在定容积的压力模拟系统的研究中，气动比例/伺服控制技术是一个重要分支，也是当前气动技术研究的热点。以比例/伺服控制阀为核心组成的气动比例/伺服控制系统可以实现压力、流量连续变化的高精度控制，能够满足自动化设备的柔性生产要求，实现气动系统输出物理量的连续控制，气动驱动机构的启动和制动、力、位置、速度的精确控制。

气压伺服控制技术的气压模拟设备经过半个多世纪的发展，已经取得了一定研究成果，为了实现快速、精确地伺服控制，控制策略是其关键所在，因此各种智能、非线性控制策略被广泛应用于气动伺服系统中。然而进一步研究发现，其仍存在以下缺点：(1)比例/伺服阀的价格偏贵和体积较大，制约着比例/伺服控制阀为核心组成的气动比例/伺服控制系统的大范围应用；(2)国内外大部分学者关于气压伺服控制的研究主要侧重于以比例/伺服阀为核心的正压范围，对于负压(真空)伺服控制的研究工作少，针对以高速开关阀为核心的负压伺服控制几乎没有；(3)气体可压缩性、系统固有频率低、阻尼小以及控制阀、执行元件复杂的特性，使得气压传动系统属于典型的非线性、低阻尼、时变系统，因此气动伺服系统的控制效果并不理想；且随着工业技术的快速发展，对气压传动系统的控制精度要求越来越高，经典的PID控制往往难以获得满意的效果；(4)气压模拟系统目前多用于静态压力校准，大多未考虑系统动态响应品质。

同时，价格仅为比例/伺服阀的1/5的高速开关阀吸引着研究人员的目光，但当前气压伺服控制大部分仍以比例/伺服阀为工作枢纽，以高速开关阀为核心的非常少。基于上述原因，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种采用高速开关阀为核心的负压动态气压伺服控制的系统和方法，使其能够避免上述缺陷。

发明内容