数字阀电液控制系统死区的补偿方法研究

摘要：本文针对数字阀存在的响应死区问题，提出了一种双阀联合pwm控制方法。能自动避开响应死区使系统工作在线性较好的区域，从而改善系统的静态性能，提高系统的控制精度。
关键词：数字阀　pwm　联合控制
investigation into compensation method in the deadband of electrohydraulic
control system for digital valves
zhu jiangong
abstract:this paper presents a double valve pwm combination control method whichcan automatically keep off response deadband, with making the system operate in thezone of better linearity and raising the control accuracy of the system.
keywords:digital valve　pwm　combination control
1　引言
随着电子技术的发展和计算机技术的广泛应用，液压元件及其控制系统也向着数字化方向发展，其中高速开关数字阀由于具有较高的开关速度、结构简单、抗污染、抗*力强，并且易于和计算机相联，可以利用软件伺服来取代昂贵的机械构件，实现数字式电液控制。这必将使复杂的传动回路得以大大简化，使控制过程简单灵活可靠。所以说将高速开关数字阀与计算机相结合实现电液系统自动控制，是今后液压控制系统的发展方向之一。
数字阀可以直接接受数字信号，是计算机与液压系统之间的桥梁，通常阀工作在“on”和“off”两种状态下。它利用液压系统的低通滤波特性，实现对流体的准连续控制。在pwm控制方式下，数字阀的流体输出理论上是由信号的脉宽占空比决定。阀的响应特性如图1所示。由图1可见高速开关数字阀在大部分区域中有q=kqτ成立。其中：kq为流量系数、τ为脉宽占空比。但考虑到阀的阻尼以及阀芯相对于电信号响应滞后的特性，当τ小于一定值后，其开关阀有一定的工作死区。而对于一个阀控制系统，阀的死区能否得到有效的补偿，直接关系到系统的定位精度及稳定性。对此一些学者也提出过一些有效的措施，但多集中在数字阀元件上，如研究高性能的开关数字阀，改善阀的结构和数字放大器，力求缩小数字阀的切换时滞，或对阀的滞后时间通过测定后进行附加脉宽补偿，以消除阀响应死区的影响。但这一方法在实际实施中较为困难，考虑到高速开关数字阀系统采用的软件伺服这一特点，所以应该从系统的角度来研究回路形和控制方法，基于这一观点，本文提出一种通过联合pwm控制来提高系统控制精度的方法及其系统构成。
图1　流量特性曲线
2　双阀联合pwm控制系统及工作原理
联合式pwm控制是指两个数字阀既可独立工作，又可以一起实现双阀联合控制。它与单阀独立控制方案相比较，在算法上仅仅多了一些逻辑判断，其控制系统框图如图2所示。当控制量u较大时各阀独立工作，系统实现快速响应；当控制量u较小时两个数字阀一起参于工作形成联合控制，是系统自动避开阀固有的流量死区，而工作在线性度较好的状态，实现系统的调节。其控制方案如下：
图2　控制系统框图
（1）当时两个数字阀独立工作：
u（ky）＞0时，ar阀工作
tp1（kt）=kpwmsat｜u（kt）｜；tp2（kt）=1u（kt）＜0时，aq阀工作
tp1（kt）=0
tp2（kt）=1-kpwmsat｜u（kt）｜
其中，
td——阀的死区时间；tp——阀开启时间；t——采样周期；m——输入zui大幅值。 （2）当时，即数字阀开启时间小于数字阀死区时间时，两个数字阀同时参与控制。
u（kt）＞0，
tp（kt）=tps+kpwmsat
u（kt）＜0，
tp（kt）=tps-kpwmsat
tps是在联合控制方式下的稳态工作点，在这种情况下系统的流量变化规律则为：
qs=kqτ（ps-pc+pc）-kqpc
其中：
可见系统流量与脉宽占空比τ成线性关系，由此可得图3所示qs—τ的关系曲线。
当执行元件稳定时有qar=qaq成立，即有：
当ps=2pc时有： tps1+tps2=t
而在系统稳定时tps=tps1=tps2=t／2，可见两个数字阀的工作零点都平移了t／2，使他们的工作零点均处于数字阀流量特性曲线中线性度的区域。见图3曲线c。所以当控制量较小时，系统主动避开阀的流量死区，提高了控制输出的灵敏度和位置控制精度。
3　系统特性分析
针对所研究系统，建立数学模型和仿真研究，得到图4所示在不同控制方案下系统对脉冲输入的响应曲线比较。图中1、3曲线反映了高速开关阀独立工作时系统的响应特性，曲线表明在此工况下系统有较高的响应速度，但由于阀本身存在一定的控制死区，在系统稳定后其输出与希望值仍存在一定的静态差，这是因为在偏差e=yi=yf较小时，系统调节器输出值较低。且当u（kt）＜td·m／t时开关阀工作进入流量死区，失去调节能力，致使系统精度较差；曲线2为两开关阀联合控制时的系统响应，由于系统始终工作在线性度较好的区域，保证了系统的调节能力，使系统的输出与希望值一致。说明了在这种控制方案下系统有较好的控制精度。
图3　联合控制的图q-τ曲线
图4　系统输出响应
4　结论
（1）在设计数字阀电液控制系统时，应从系统角度出发，充分利用软件伺服特点来补偿因阀死区对系统性能带来的不利影响。其控制简单可靠、经济性好。
（2）两个数字阀联合pwm控制方案，具有较大的灵活性和较高的控制精度。


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