摘要：本文針對(duì)數(shù)字閥存在的響應(yīng)死區(qū)問(wèn)題，提出了一種雙閥聯(lián)合pwm控制方法。能自動(dòng)避開(kāi)響應(yīng)死區(qū)使系統(tǒng)工作在線性較好的區(qū)域，從而改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能，提高系統(tǒng)的控制精度。
關(guān)鍵詞：數(shù)字閥 pwm 聯(lián)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
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，液壓元件及其控制系統(tǒng)也向著數(shù)字化方向發(fā)展，其中高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥由于具有較高的開(kāi)關(guān)速度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染、抗*力強(qiáng)，并且易于和計(jì)算機(jī)相聯(lián)，可以利用軟件伺服來(lái)取代昂貴的機(jī)械構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式電液控制。這必將使復(fù)雜的傳動(dòng)回路得以大大簡(jiǎn)化，使控制過(guò)程簡(jiǎn)單靈活可靠。所以說(shuō)將高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥與計(jì)算機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)電液系統(tǒng)自動(dòng)控制，是今后液壓控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。
數(shù)字閥可以直接接受數(shù)字信號(hào)，是計(jì)算機(jī)與液壓系統(tǒng)之間的橋梁，通常閥工作在“on”和“off”兩種狀態(tài)下。它利用液壓系統(tǒng)的低通濾波特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的準(zhǔn)連續(xù)控制。在pwm控制方式下，數(shù)字閥的流體輸出理論上是由信號(hào)的脈寬占空比決定。閥的響應(yīng)特性如圖1所示。由圖1可見(jiàn)高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥在大部分區(qū)域中有q=kqτ成立。其中：kq為流量系數(shù)、τ為脈寬占空比。但考慮到閥的阻尼以及閥芯相對(duì)于電信號(hào)響應(yīng)滯后的特性，當(dāng)τ小于一定值后，其開(kāi)關(guān)閥有一定的工作死區(qū)。而對(duì)于一個(gè)閥控制系統(tǒng)，閥的死區(qū)能否得到有效的補(bǔ)償，直接關(guān)系到系統(tǒng)的定位精度及穩(wěn)定性。對(duì)此一些學(xué)者也提出過(guò)一些有效的措施，但多集中在數(shù)字閥元件上，如研究高性能的開(kāi)關(guān)數(shù)字閥，改善閥的結(jié)構(gòu)和數(shù)字放大器，力求縮小數(shù)字閥的切換時(shí)滯，或?qū)﹂y的滯后時(shí)間通過(guò)測(cè)定后進(jìn)行附加脈寬補(bǔ)償，以消除閥響應(yīng)死區(qū)的影響。但這一方法在實(shí)際實(shí)施中較為困難，考慮到高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥系統(tǒng)采用的軟件伺服這一特點(diǎn)，所以應(yīng)該從系統(tǒng)的角度來(lái)研究回路形和控制方法，基于這一觀點(diǎn)，本文提出一種通過(guò)聯(lián)合pwm控制來(lái)提高系統(tǒng)控制精度的方法及其系統(tǒng)構(gòu)成。
圖1 流量特性曲線
2 雙閥聯(lián)合pwm控制系統(tǒng)及工作原理
聯(lián)合式pwm控制是指兩個(gè)數(shù)字閥既可獨(dú)立工作，又可以一起實(shí)現(xiàn)雙閥聯(lián)合控制。它與單閥獨(dú)立控制方案相比較，在算法上僅僅多了一些邏輯判斷，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。當(dāng)控制量u較大時(shí)各閥獨(dú)立工作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)；當(dāng)控制量u較小時(shí)兩個(gè)數(shù)字閥一起參于工作形成聯(lián)合控制，是系統(tǒng)自動(dòng)避開(kāi)閥固有的流量死區(qū)，而工作在線性度較好的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。其控制方案如下：
圖2 控制系統(tǒng)框圖
（1）當(dāng)時(shí)兩個(gè)數(shù)字閥獨(dú)立工作：
u（ky）＞0時(shí)，ar閥工作
tp1（kt）=kpwmsat｜u（kt）｜；tp2（kt）=1u（kt）＜0時(shí)，aq閥工作
tp1（kt）=0
tp2（kt）=1-kpwmsat｜u（kt）｜
其中，
td——閥的死區(qū)時(shí)間；tp——閥開(kāi)啟時(shí)間；t——采樣周期；m——輸入zui大幅值。 （2）當(dāng)時(shí)，即數(shù)字閥開(kāi)啟時(shí)間小于數(shù)字閥死區(qū)時(shí)間時(shí)，兩個(gè)數(shù)字閥同時(shí)參與控制。
u（kt）＞0，
tp（kt）=tps+kpwmsat
u（kt）＜0，
tp（kt）=tps-kpwmsat
tps是在聯(lián)合控制方式下的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，在這種情況下系統(tǒng)的流量變化規(guī)律則為：
qs=kqτ（ps-pc+pc）-kqpc
其中：
可見(jiàn)系統(tǒng)流量與脈寬占空比τ成線性關(guān)系，由此可得圖3所示qs—τ的關(guān)系曲線。
當(dāng)執(zhí)行元件穩(wěn)定時(shí)有qar=qaq成立，即有：
當(dāng)ps=2pc時(shí)有： tps1+tps2=t
而在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)tps=tps1=tps2=t／2，可見(jiàn)兩個(gè)數(shù)字閥的工作零點(diǎn)都平移了t／2，使他們的工作零點(diǎn)均處于數(shù)字閥流量特性曲線中線性度的區(qū)域。見(jiàn)圖3曲線c。所以當(dāng)控制量較小時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)避開(kāi)閥的流量死區(qū)，提高了控制輸出的靈敏度和位置控制精度。
3 系統(tǒng)特性分析
針對(duì)所研究系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型和仿真研究，得到圖4所示在不同控制方案下系統(tǒng)對(duì)脈沖輸入的響應(yīng)曲線比較。圖中1、3曲線反映了高速開(kāi)關(guān)閥獨(dú)立工作時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性，曲線表明在此工況下系統(tǒng)有較高的響應(yīng)速度，但由于閥本身存在一定的控制死區(qū)，在系統(tǒng)穩(wěn)定后其輸出與希望值仍存在一定的靜態(tài)差，這是因?yàn)樵谄頴=yi=yf較小時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器輸出值較低。且當(dāng)u（kt）＜td·m／t時(shí)開(kāi)關(guān)閥工作進(jìn)入流量死區(qū)，失去調(diào)節(jié)能力，致使系統(tǒng)精度較差；曲線2為兩開(kāi)關(guān)閥聯(lián)合控制時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)，由于系統(tǒng)始終工作在線性度較好的區(qū)域，保證了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，使系統(tǒng)的輸出與希望值一致。說(shuō)明了在這種控制方案下系統(tǒng)有較好的控制精度。
圖3 聯(lián)合控制的圖q-τ曲線
圖4 系統(tǒng)輸出響應(yīng)
4 結(jié)論
（1）在設(shè)計(jì)數(shù)字閥電液控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)角度出發(fā)，充分利用軟件伺服特點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償因閥死區(qū)對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的不利影響。其控制簡(jiǎn)單可靠、經(jīng)濟(jì)性好。
（2）兩個(gè)數(shù)字閥聯(lián)合pwm控制方案，具有較大的靈活性和較高的控制精度。