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锥阀式气动比例压力阀压力控制器的设计

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资料介绍

为解决由于气体压缩性造成的锥阀式气动比例压力阀输出压力的可控性差的问题,设计一种基于电流环/压力环双闭环反馈的压力控制器.电流环单元采用基于电流比例负反馈的模拟电路实现,额定输出为0～0.9 A,最大电流纹波为35 mA,驱动035型比例电磁铁时的截止频率可达22.5 Hz.压力环单元采用数字反馈控制算法实现,分为2个阶段:当误差较大时,采用自抗扰控制器来补偿未知扰动对阀的输出压力的动态性能的不良影响;在设定压力附近,则切换为非线性PID控制器来提高压力控制精度和稳定性.同时,引入输入信号的轨迹规划进一步改善控制器的性能.实验结果表明,该控制器可以实现输出压力在0～6×105 Pa内连续控制,压力控制误差在±1kPa以内,且对下游负载变化具有较强的鲁棒性.

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DOI：10．3785／j．issn．1008—973X．2015．05．009

锥阀式气动比例压力阀压力控制器的设计

班

伟1，陶国良1，孟

德远1’2，刘

昊1，钱鹏飞

(1．浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州310027；

2．中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116)

摘要：为解决由于气体压缩性造成的锥阀式气动比例压力阀输出压力的可控性差的问题，设计一种基于电流环／

压力环双闭环反馈的压力控制器．电流环单元采用基于电流比例负反馈的模拟电路实现，额定输出为O～O．9 A，最

大电流纹波为35 mA，驱动035型比例电磁铁时的截止频率可达22．5 Hz．压力环单元采用数字反馈控制算法实

现，分为2个阶段：当误差较大时，采用自抗扰控制器来补偿未知扰动对阀的输出压力的动态性能的不良影响；在

设定压力附近，则切换为非线性PID控制器来提高压力控制精度和稳定性．同时，引入输入信号的轨迹规划进一步

改善控制器的性能．实验结果表明，该控制器可以实现输出压力在o～6× 10⁵

Pa内连续控制，压力控制误差在± 1

kPa以内，且对下游负载变化具有较强的鲁棒性．

关键词：比例压力阀；气动电子；自抗扰控制器；非线性P1

138．523

中图分类号：TH

文献标志码：A

文章编号：1008—973X(2015)05一0873一07

controller for

Velopment

pressure

poppet type pneumatic

ValVe

proportional pressure

BAN Weil，TAO

Ha01，QIAN

Guo一1ian91，MENG De—yuanl～，LIU

Peng—feil

Po议，Pr T，‘n以5missio”口行d

(1．S￡n￡PK已y L口60rn￡D，。y D厂FZ“id

2．Sf^ooZ

L7kiuPrs打y，Hn起gz^o“310027，C^i挖口；

Co订￡，-0Z，Z^巧i口以g

o厂MPc^n￡ro珂if点hgi订PPri竹g，C^i理口Lki删rsi￡y

o，^玎i咒i挖g口，2d丁■f^竹oZogy，X“z^o“221116，(流i挖n)

Abstract：The

valve(PPPV)，driven

sole—

poppet type pneumatic proportional pressure

due to the

by proportional

The idea of the

combining

of the

noid，is

control

air．

poor controllability

compressibility

pressure

with the current control

was

to soIve the

Thecurrent control

was

loop

proposed

problem．

loop

achieved

by special designed analog proportional amplify

circuit，and was

the current

providing

capable

22．5

of the circuit about

to O．9

maximumcurrent

is 35

cut

A．The

mA，andthe

off

ripple

frequency

Hz when _driving

035

The software based

control

was divided

pressure

to drive the the

output pressure tracking

solenoid．

type proportional

loop

into two

disturbance

contr01 was

adopted

rejection

parts：active

command

when the feedback error is

nonlinear PID controller was switched on to enhance

signal

big；the

both the

and the

when error wassmall． Thereference

wasfurther

accuracy

stability

signaI profile planning

that the PPPV can

proposed

involved to

the

of the valve．

results

improve

performance

Experiment

proves

variable

achieve

_adjustment in the

of 0 to 600 kPa，wh订e the control

accuracy

continuously

pressure

range

is within± 1

it is also robust to the downstream

kPa，and

disturbance．

disturbance

control，nonlinear

rejection

Key words：proportional pressure valve，electrO-pneumatic，active

收稿日期：2014一03—17．

浙江大学学报{工学版)网址：www．journals．zju．edu．cn／eng

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375430)．

作者简介班伟(1984一)，男，博士，主要从事气动电子技术研究．E—mail：realbw@zju．edu．cn

通信联系人：陶国良，男，教授，博导．E—mail：gltao@zju．edu．cn

万方数据

江

浙

大

学

报(工学版)

第49卷

比例电磁铁直接驱动的锥阀式气动比例压力阀

(pneumatic proportional pressure valve，PPPV)具

有成本低、密封可靠及抗污染能力强等优点，在气动

自动化领域的使用日益广泛．国内外对于气动比例

压力阀的研究都开展较早，但主要集中于阀的建模

分析及应用研究[1。4]，关于气动比例压力阀的控制器

的研究则相对较少．目前，电流环／压力环的双闭环

反馈控制是最广泛使用的一种输出压力控制器设计

方案．电流环是指通过闭环控制实现对比例电磁铁

线圈内的平均电流的调节．聂勇[53提出了一种基于

内模控制的比例电磁铁电流环控制参数自整定算

法；Canuto等聃3通过在线辩识电磁铁线圈模型的参

数，进一步提高了电流内模控制的性能．以上数字控

制方法性能优异。但对嵌入式系统的计算能力消耗

很大，限制了压力控制算法的设计．Jung等[71提出

时误差较小时引入了非线性PID控制器进行压力

控制，可以有效地解决上述问题．最后，通过实验验

证了所提出的基于电流环／压力环的双闭环反馈的

控制器的有效性．

样机结构及控制原理概述

锥阀式比例压力阀样机的结构如图1所示，I

口、II口和III口分别为进气口、输出口和排气口．其

结构原理及特性已在文献[21中进行了详细的分析，

这里不做赘述．样机的调压部分由035型比例电磁

铁1、推杆2、线性弹簧6、下阀芯3和上阀芯7构成．

同时，为了增强密封效果，样机在下阀芯和阀套4接

触点的主阀口处及由上、下阀芯接触点的溢流口处

都嵌入了弹性密封垫．气源压力、下阀芯上摩擦力、

密封垫的弹性力等均会影响阀的输出压力．如图2

使用基于不动点理论(fixed

theorem)的迭代

point

法可以用很小的计算代价获得对线圈电阻等缓变参

数的在线估计，实现电流环控制，但这种方法需要额

外设计高压供电电压采集电路．目前，工业上多采用

模拟电路设计电流环．

所示为气源压力恒定时样机的开环输出压力曲线，

width

mod—

图中，DPwM为输入脉宽调制信号(pulse

ulation，PwM)信号的占空比，声。为输出压力，易

知，该结构无法实现对输出压力的精确调节，必须额

外设计压力控制器进行闭环控制．

由于比例压力阀的输出压力模型难于建立，导

致压力环控制理论的发展相对滞后．Cho等[83将比

例压力阀简化为低阶惯性系统，并利用该阀的仿真

数据辨识系统参数，继而采用离散滑模与PID的联

合控制实现了高精度的压力控制．但该控制器的设

计及验证都是基于系统仿真，缺乏实验数据支持．主

流的压力环设计多采用基于反馈误差实时调节的控

制策略．Hamdan等[91提出了由PID、前馈控制、

anti—windup以及变增益的bang七ang控制改进PID

控制器，路波等¨ 0]设计了输出因子调整的模糊比例

加积分控制器(FP+I

controller)，这2种方法都可

实现在特定输出条件下的压力控制，但参数调节困

难，且对负载变化较敏感，鲁棒性差．自抗扰控制器

1一比例电磁铁；2一推杆；3一上阀芯；4一阀套；5一阀体；6一弹簧；

7一下阀芯；8一电流传感器；9一压力传感器；10一压力控制器

图l 比例压力阀样机的结构筒图

(active disturbance

rejection control，ADRC)是韩

京清提出的新型实用数字控制技术，它采用扩张观

Cross section of

valve

proportional

Fig．1

state

测器(extended

observer，ESO)实时估计不

确定系统的状态及系统内扰和外扰的总和作用，同

时配合非线性的反馈方式，提高控制器的动态性

能L1。12I．这种方法不依赖被控对象的具体模型，且计

算量小，便于数字控制器实时实现，特别适用于比例

压力阀的输出压力控制．不足之处在于，在对封闭容

腔内的压力调节的末期，由于主阀口关闭导致气流

速度骤减，输出压力跳变，ESO无法对扰动量进行

有效的估计继而失去对扰动量的补偿作用．由于上

述情况只发生在输出压力接近设定值时，本文在实

比例压力阀的输出压力控制的本质是对阀芯上

受力平衡状态的控制，即通过调节比例电磁铁的输

出力来平衡摩擦力、接触弹力以及气压力等扰动力，

以改变主阀口和溢流口的开度，从而控制阀的输出

压力．由于样机阀芯行程小于1 mm，且包含在该比

例电磁铁的额定行程内，此时，只须调节线圈内平均

电流即可成比例的改变电磁铁的输出力．因此，本文

设计了如图3所示的压力控制器，控制器的结构参见

图1中的虚线部分，包含电流环／压力环双闭环反馈．

万方数据

第5期

班伟，等：锥阀式气动比例压力阀压力控制器的设计

875

空比

图2

比例压力阀样机开环压力输出曲线

图4电流环单元原理图

cLjrves of

current control unit

Fig．2

()pen l()op()utput

prototyI)e

Schenlatic

Fig．4

画出)来进一步提高电流采样精度．

为了评估电流环的实际性能，本文在图3所示

电路的端口3、4处外接一个035型比例电磁铁，进

行相关的测试．测试结果如图5、6与7所示，其中，

A。与9。分别为电流环的幅值和相位，￡为时间，可

以得到如下结论．

1)电流环的线性度良好，同时电流调节的频响

Hz，远高于比例压力阀的输出压

，可以达到22．5

力的设计频响，可以满足应用要求．

图3 比例压力阀的压力控制器实物图

2)当增大D，wM(25％到50％)时，线圈电流i。

的上升时间小于10 ms；减小D，wM(50％到25％)

时，下降时间不足15 ms；电流调节过程无超调．

Photo of

controller for

prototype

Fig．3

pressure

3)由于电磁铁的额定电流为0．95 A，取o．9

2控制器的电流环设计

作为电流环电路的最大输出电流，此时，DPwM<

70％，故输入PWM信号的占空比变化范围为(O～

70％)．在此范围内，输出线圈电流的稳态值与D，wM

成比例关系．

电流环的作用是将电磁铁转化为理想的电一机

械转换器，降低压力控制的难度．为了避免与压力环

的控制算法耦合，增加嵌入式控制器的计算负担，并

保证较高的实时性，采用模拟比例放大电路进行电

流环控制，电路的功能原理如图4所示．端口l处频

率为16 kHz、幅值5 V的PWM电压信号“，wM，该

信号由嵌入式控制器产生，经过电阻R。与电容C。

组成滤波电路后，转换成与PwM信号的占空比成

线性关系的电压，同时该电压经过由运算放大器

4)线圈电流存在纹波，当D，wM一25％时，纹波

mA；当DPwM一50％时，i啷小一28

峰一峰值i邱pI。一23

mA．i。pk随D，wM的增大而增大，当线圈电流达到

0．9

mA．在额定输出范

A的额定电流时，i。出一35

围内，电流纹波相对较小，对系统控制影响较小．

5)当D，wM一0时，线圈电流衰减时间较长，接

近20

Ampl和电阻R。组成的电压跟随器后输出到下一

级，构成代表期望电流值的电压信号札在运算放大

器Amp2处，电压值“．与端口2处的电流采样电压值

‰ 进行比较．若阮>‰ 时，则Amp2输出高电平；反

之，若“。<‰ 时，则Amp2输出为低电平．该电平信号

用于控制N沟道M()s管的开关状态，并与续流二极

管D，共同控制电磁铁线圈内的电流值．端口3、4分

别连接电磁铁线圈的两端，电阻R4为精密采样电阻，

用于将线圈电流信号转化为电压信号．由于低边电流

采样易受到地回路阻抗的影响，干扰较大，难于得到

精确的负载电流值，这里采用高边电流采样，并通过

选用单向高边电流采样放大器MAX4080(图4中未

ms，且易受衔铁运动产生的反电动势影响，产

生电流波动．由于此时线圈电流的幅值较小，可忽略

该波动．

控制器的压力环设计

压力环是来保证样机输出压力的稳态精度和动

态跟踪的性能．与液压比例压力阀不同，由于气体的

强压缩性，气动比例压力阀的阀口开度与输出压力

间不存在稳定的对应关系，加上缺乏阀芯的位置信

息，导致难于建立阀的输出压力模型．因此，采用能

够克服系统不确定性且对干扰和未建模动态具有很

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报(工学版)

第49卷

876

I^引鎏^Il_●

2 O 4 O 6 0 8

295

305

O 31 5

4。p．、(，)

|is

t|s

a)电流阶跃响应

(b)占空比增人

图8活基受力分析图

Force

piston

Fig．8

analysis

式中：A。为气压力作用面积，F。(f)为电磁铁输出

力，这里忽略阀体内的压力损失，户。(￡)为比例压力

阀的输出压力．F。(￡)为未知扰动力的合力，主要为

上、下阀芯间的接触弹力与惯性力．假设A。不变，

F。(￡)、p。(f)及Fd(f)的一阶微分与二阶微分存在且

有界，对式(1)的两端进行微分可得

620

6250 6300 635

，／s

(c)占窄比减小

图5 电流环的阶跃响应曲线

of current control

rcsI)()nse¨ 】rves

Step

Fig．5

(2)

￡m。卜A。掣H￡mh

F。(￡)一A。p。(￡)+Fd(￡)．J

由于比例压力阀的阀芯行程都在比例电磁铁的

额定行程内，电磁铁的输出力与线圈的平均电流具

有比例关系，表达式如下：

(3)

F。(￡)一是．i。(￡)．

式中：i。(￡)为线圈电流，是i为比例系数，通过实验或

查阅电磁铁的数据手册获得．由电流环的伯德图可

以看出，电磁铁线圈内的平均电流变化可用以下模

型进行描述：

输入PwM信号占空比与线圈内平均电流i，的关

系图

RelatlonshlI]of LJty cycle

of _inputPWM_signal

vs． ()ut"L儿mean Llrrellt value

(4)

60“PwM(￡)一no i。(￡)+n1 i。(￡)+i。(￡)．

式中：“，wM(￡)为f时刻的PwM信号的占空比，口。、

口，和6。可通过对图6和7内的数据进行离线辨识

得到．将式(2)与(3)代人式(4)可得

＼＼

多。(￡)一一生多。(￡)一土户。(￡)一丢Fd(￡)一

0‘22

l 0

厂／Hz

去一去川+差啪托)．(5)

a)幅频特性

令6—6。忌i／(a。A。)，并定义综合扰动为

厂(￡)一一堕多。(f)一土仇(￡)一去Fd(￡)一

(6)

去棘幻一去Fd(班

将式(6)代人式(5)得到

厂／Hz

(7)

b)柑频特性

p。(f)一，(￡)+6“PwM(￡)．

令z一[z，，z。，z。]T一[户。，刍。，厂]T，^一，，

“PwM(￡)一“。，式(7)可表示为

图7电流环的伯德图

Bond

of current control unit

graph

Fig．7

x一舭+晚a+勖1．

(8)

强鲁棒性的ADRC算法来提高输出压力的动态跟

踪性能．

y—Q

如图8所示，上阀芯处的力平衡方程可表示为

(1)

其

中

，

一

匕

匮

：

i羽

：

，

j’

一

医

匕

]

，

’

一

—

阵

]

，

’

F。(f)一A。p。(￡)+Fd(￡)．

万方数据

第5期

班伟，等：锥阀式气动比例压力阀压力控制器的设计

C一[1，O，Oj．

频率，从而使得在对这段压力进行控制时ADRC控

这里引入扩张观测器对厂(≠)进行估计，3阶线

制策略失效．因此，本文引入了非线性PI控制策略

来解决上述问题，控制算法表达式如下：

性ESO可表示为

z—Az+勘a+L(j，一y)，l

f9、

P出，P ‘一‰ “印max)5

o’+毛J

12)J

“

一

‘

Jkfal

多一＆．

【0，

其他．

式中：状态变量z一[z。，z：，z。]7，观测器增益L一

[口，，a：，a。]1．假设综合扰动厂(f)与它的微分项有

界以确保估计误差的有界性，参照文献[13]，选取观

测器系数为口1—3∞。，a2—3∞：，口3一叫i．这里，(￡，o

为观测器的带宽，增大∞。可以提高观测器的精度，

但也增加了观测器对噪声的敏感性．在进行嵌入式

编程时，上述控制方法必须经过离散化处理．Mik一

10sovic等[14]研究指出，采用零阶保持算法(ZOH)

对ESO进行离散，可提高观测器精度，并增强闭环

系统的稳定性．因此，应用ZOH对式(9)进行离散，

定义丁为离散采样时间，得到

式中：忌。为比例系数，志．为积分系数，e。，表示PI控

制器的作用阈值，当反馈压力夕。与参考信号，．的差

值小于P。。。时，用p。取代观测器的状态变量，则误

差P—r一声。．非线性函数fal(· )用于在误差减小

时增大比例系数，表示为

¨ 一幻七I=

(13)

m (O，1)，，2>0．

式中：sgn(· )为标准符号函数，m、卵为经验常数．

函数fal(· )即为工程中“小误差高增益，大误差小

增益”等“智能”功能的数学拟合．

x(点+1)一呶(志)+n。(志)+L。(y(志)一j，(志))，1

压力环算法的整体结构如图9所示：

(10)

多(忌)一厩(志)．

式中：观测器的系数L。一吼。，H一[1，o，o]，

T罢

垂一

丁

图9压力环算法的结构简图

Structure of cIosed

control

loop

Fig．9

pressure

6孚

邓w

三砑

r一

一

实验验证

●

上】一r

观测器的极点口一exp(一珊。丁)．

4．1

实验平台及控制器参数设置

为方便进行比例压力阀样机的控制研究，设计

通过调节叫。，观测器可以实现对p。、刍。和综合

扰动厂(f)预测．在此基础上，设计非线性误差反馈

控制算法为

了如图10所示的测试系统．在整个测试过程中，气

源1的输出压力通过气动三联件2调整为7× 10j

Pa，并在被测比例压力阀样机4与三联件之问增加

容积为10 L的稳压气罐3，以减小实验过程中气源

的压力波动．样机采用24 V直流电源9供电，为了

使测量值与数字控制器的输入端一致，利用研华公

司的采集卡usb一4711A直接对内置压力传感器的

输出电压进行采集．比例压力阀的参考信号为采集

“a一‘“。一。’肌

z‘o=(u：(r—z1)+2(cJ。(一‰ )．J

)

式中：，．为轨迹规划后的控压力环参考信号，“。为虚

拟控制信号，叫。为控制器的带宽．通常，增大叫。可

以提高输出压力的响应速度，但也会增加控制信号

的波动，在调压过程中易引起阀芯振动，破坏系统的

稳定性．因此，在调整参数时，必须综合考虑∞。和

叫。的影响．

卡的AO端输出的O～5

V的直流电压信号“一．上

位机11对采集到的阀的输入信号与输出信号的数

据进行实时显示与存储，并控制采集卡产生参考信

号“小以下实验中，所使用的采样频率为每通道10

kHz．节流阀6用来改变被测阀的输出流量，以检测

不同输出流量下的压力控制性能．节流阀全关的情

上述的ESO加上非线性误差反馈即构成了

ADRC算法．由于在对封闭容器内的压力调节的末

期，气体流速变化剧烈，接触弹力以及气压力等扰动

力易发生高频跳变，远超过ES0所允许的最大观测

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江

大

浙

学

报(工学版)

第49卷

出压力在设定值附近波动．这种波动无法通过调节

况用来测试比例压力阀对封闭容器进行压力控制时

的性能，节流阀保持一定开度用来测试阀的压力输

出特性．

ADRC控制器的参数克服．此时，应该用真实的反

馈压力计算控制误差，进行非线性PI控制，有效解

决比例压力阀在不同工作状态切换时的压力控制精

度和稳定性问题．

1一气源；2一三联件；3一稳压气罐；4一被测阀；5一消声器；6一

节流阀；7一大气；8一压力传感器；9—24V直流电源；10一数

据采集卡；11一计算机

图12 ADRC与ADRC+非线性PI的压力控制效果对比

图10 比例压力阀样机测试台示意图

results between normal ADRC and

Fig．1

Comparison

Schematic

diagram experimental setup

Fig．1

ADRC+nonlinear PI

压力控制器的主控芯片采用Microchip公司的

实验二分别测试了在节流阀全关和节流阀保持

一定开度这2种工况下比例压力阀对阶跃信号的响

应特性(如图13所示)．当实验开始时，指令信号为

o；在￡一1 s时，施加一个1．2× 10⁵Pa的阶跃信号，

之后每隔5 s指令信号增加1．2× 105 Pa，当信号幅

dsPIC30F4013数字处理器，该芯片的主频设置为

MHz，支持16位定点数运算与32位浮点数运

算，且可直接输出给定占空比的PwM信号．压力环

的控制算法主要由式(10)～(13)组成，试验中控制

器参数由试错法选取，具体为：m—O．5，行一O．1，P。。一

Pa后又以5

值到达4．8× 105

s的时间间隔减小到

kPa，蛐一200 rad／s，缺一40 rad／s，志。一80，志i一

零．从图中可以看出，在不同工况下，比例压力阀的

压力调节时间均在1 s以内，输出压力的控制误差

在± 1 kPa范围内，这表明本文所设计的压力环／电

流环的解决方案具有较高的输出压力控制性能．

实验三为控制器的抗干扰特性测试，如图14所

示．当快速切换输出口处的节流阀的开关状态时，比

例压力阀的输出气流的压力将产生非常大的波动，

这种压力波动可看作是一种外部扰动．实验过程描

述如下：首先，保持节流阀打开，在f—O．5 s时，设置

声。一2．4× 105 Pa．等待压力稳定一段时间，即￡=

0．05．压力环的控制频率为1 kHz，为了降低瞬时误

差，需要对指令信号进行轨迹规划，规划后的参考信

号如图11所示中的实线所示．由于轨迹规划是在数

字控制器内完成，无法直接测量参考信号，．的值，实

验结果只记录采集卡AO端输出的指令信号．

6．5

s时，关闭节流阀，并在f一12 s时重新打开节流

阀，观察并记录输出压力的变化．从图中可以看出，

尽管误差波动的峰值较大，但输出压力的控制误差

都可以很快减小到0．这说明本文所设计的控制器

具有良好的抗扰动特性，鲁棒性较好．

图ll 指令信号的轨迹规划

Profile

of command

pIanning signal

Fig．1

如图15所示为3种不同设定压力下被测阀的

流量特性曲线，在整个实验过程中，供气压力恒定在

4．2实验结果及分析

实验一为当节流阀关闭时，仅使用基于ADRC

的控制算法的压力输出曲线与在小误差范围内由

ADRC切换至非线性PID算法后的压力输出曲线

的对比，如图12所示．由于前文分析中指出的原因，

在小误差范围内，ESO无法有效预测未知扰动，导

致ADRC算法在封闭容器的压力调节末期失效，输

6× 105

Pa．实验结果表明，样机的额定输出流量钟

超过300 L／min，并且在额定流量范围内，被测阀的

输出压力稳定且无波动．

结语

分析了一种比例电磁铁直接驱动的截止式气动

万方数据

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