比例電磁閥開環(huán)-閉環(huán)復(fù)合控制算法

　　以比例電磁閥為研究對(duì)象，以快速建立具有良好性能的通用控制算法為目標(biāo)，以充分利用電磁閥的響應(yīng)特性為途徑，提出了將開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的開環(huán)-閉環(huán)復(fù)合控制算法，論述了控制算法的模型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過程。不同于將誤差作為唯一輸入的常規(guī)控制算法，復(fù)合控制算法同時(shí)將目標(biāo)值和誤差作為控制器的輸入。以電磁閥響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)電磁閥的穩(wěn)態(tài)特性建立開環(huán)控制表，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)非線性;根據(jù)電磁閥的瞬態(tài)特性設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器和滯后特性預(yù)估修正模塊，降低模型誤差和滯后特性的影響，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)合控制算法的控制精度、響應(yīng)速度和魯棒性。

　　在施肥、灌溉、噴藥、驅(qū)動(dòng)、變速器等設(shè)備中廣泛應(yīng)用比例電磁閥對(duì)壓力或流量進(jìn)行控制。由于比例閥在主要工作區(qū)間內(nèi)具有良好的線性，當(dāng)控制性能要求不高時(shí)，采用簡(jiǎn)單的PID 控制算法即能基本滿足要求。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)控制精度、動(dòng)態(tài)性能、全工況調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定性的要求逐漸提高，則需要設(shè)計(jì)性能更加優(yōu)越的控制器。

　　提高控制性能的措施主要包括優(yōu)化電磁閥結(jié)構(gòu)和改進(jìn)控制算法兩個(gè)方面。在控制算法方面，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)之前也發(fā)布的很多文章中針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)了不同的控制算法。為了在提高控制算法性能的同時(shí)，促進(jìn)控制算法的模塊化和通用化，本文提出一種針對(duì)比例電磁閥控制算法的設(shè)計(jì)流程，按照該流程即可獲得具有良好控制性能的控制算法，以某反比例溢流閥為例，論述控制算法的設(shè)計(jì)過程和控制效果。

1、電磁閥特性實(shí)驗(yàn)與建模

　　1.1、電磁閥特性實(shí)驗(yàn)

　　以某反比例溢流閥作為控制對(duì)象，油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)占空比控制液壓缸的壓力。電磁閥特性實(shí)驗(yàn)包括穩(wěn)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)和瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)壓力主要影響因素為占空比和油泵轉(zhuǎn)速，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1a 所示。穩(wěn)態(tài)壓力在主要壓力范圍內(nèi)線性度良好，具有明顯的飽和特性和回滯特性。占空比一定時(shí)，油泵轉(zhuǎn)速越高，壓力越大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000r/min時(shí)，其對(duì)壓力的影響已不明顯。將相互對(duì)應(yīng)的兩條回滯曲線進(jìn)行平均，并做平滑處理，得到平均穩(wěn)態(tài)壓力特性，如圖1b 所示。

圖1 電磁閥穩(wěn)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

(a)部分穩(wěn)態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (b)平均穩(wěn)態(tài)壓力特性圖

　　瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)是測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下占空比階躍變化時(shí)的壓力響應(yīng)過程，包括階躍上升和階躍下降兩個(gè)過程，結(jié)果如圖2 所示�？梢钥闯�，瞬態(tài)壓力變化過程有3 個(gè)特點(diǎn)：

　　①壓力的響應(yīng)延遲時(shí)間約為0.03s，并且與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

　�、陧憫�(yīng)過程中存在壓力波動(dòng)，可近似為二階系統(tǒng)。

　�、鄄煌�轉(zhuǎn)速下的壓力上升過程略有差別，轉(zhuǎn)速越高，響應(yīng)速度越快，但不同轉(zhuǎn)速下的壓力下降過程則基本重合。

圖2 電磁閥瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

(a)階躍上升 (b)階躍下降

4、結(jié)論

　　(1) 對(duì)比例電磁閥的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將電磁閥的響應(yīng)特性分為穩(wěn)態(tài)飽和特性、二階動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和滯后特性，建立電磁閥的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)模型。

　　(2) 結(jié)合以目標(biāo)值為輸入的開環(huán)控制和以誤差為輸入的閉環(huán)控制，形成開環(huán)-閉環(huán)復(fù)合控制，可更有效地利用系統(tǒng)信息。根據(jù)穩(wěn)態(tài)特性建立開環(huán)控制表，閉環(huán)控制器根據(jù)誤差對(duì)控制量或控制目標(biāo)進(jìn)行修正，不同于以誤差作為唯一輸入的常規(guī)控制方法，復(fù)合控制同時(shí)將目標(biāo)值和誤差作為控制器的輸入。

　　(3) 將復(fù)合控制算法應(yīng)用于電磁閥壓力控制，根據(jù)電磁閥的3 個(gè)特性分別設(shè)計(jì)了開環(huán)控制表、閉環(huán)控制器和滯后特性預(yù)估修正模塊，制定了控制算法的設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了開環(huán)-閉環(huán)復(fù)合控制算法的控制精度、響應(yīng)速度和魯棒性。