比例ASCO世格電磁閥開環(huán)-閉環(huán)復合控制算法

比例ASCO世格電磁閥開環(huán)-閉環(huán)復合控制算法

ASCO世格電磁閥為研究對象，以快速建立具有良好性能的通用控制算法為目標，以充分利用電磁閥的響應特性為途徑，提出了將開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結合的開環(huán)-閉環(huán)復合控制算述了控制算法的模型結構和設計過程。不同于將誤差作為輸入的常規(guī)控制算法，復合控制算法同時將目標值和誤差作為控制器的輸入。以電磁閥響應特性實驗為基礎，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)特性設計閉環(huán)控制器和滯后特性預估修正模塊，降低模型誤差和滯后特性的影響，提高動態(tài)響應性能。實驗結果驗證了復合控制算法的控制精度、響應速度和魯棒性。

在施肥、灌溉、噴藥、驅動、變速器等設備中廣泛應用比例電磁閥對壓力或流量進行控制。由于比例閥在主要工作區(qū)間內具有良好的線性，當控制性能要求不高時，采用簡單的PID 控制算法即能基本滿足要求。隨著精準農(nóng)業(yè)對控制精度、動態(tài)性能、全工況調節(jié)性能和穩(wěn)定性的要求逐漸提高，則需要設計性能更加的控制器。

提高控制性能的措施主要包括優(yōu)化電磁閥結構和改進控制算法兩個方面。在控制算法方面，之前也發(fā)布的很多文章中針對具體應用場合設計了不同的控制算法。為了在提高控制算法性能的同時，促進控制算法的模塊化和通用化，本文提出一種針對比例電磁閥控制算法的設計流程，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，論述控制算法的設計過程和控制效果。

1、電磁閥特性實驗與建模

　　1.1、電磁閥特性實驗

　　以某反比例溢流閥作為控制對象，油泵由發(fā)動機驅動，通過調節(jié)占空比控制液壓缸的壓力。電磁閥特性實驗包括穩(wěn)態(tài)特性實驗和瞬態(tài)特性實驗。穩(wěn)態(tài)壓力主要影響因素為占空比和油泵轉速，部分實驗結果如圖1a 所示。穩(wěn)態(tài)壓力在主要壓力范圍內線性度良好，具有明顯的飽和特性和回滯特性。占空比一定時，油泵轉速越高，壓力越大，當轉速超過3000r/min時，其對壓力的影響已不明顯。將相互對應的兩條回滯曲線進行平均，并做平滑處理，得到平均穩(wěn)態(tài)壓力特性，如圖1b 所示。

(a)部分穩(wěn)態(tài)壓力實驗結果 (b)平均穩(wěn)態(tài)壓力特性圖

　　瞬態(tài)特性實驗是測試不同轉速下占空比階躍變化時的壓力響應過程，包括階躍上升和階躍下降兩個過程，結果如圖2 所示?？梢钥闯觯矐B(tài)壓力變化過程有3 個特點：

　?、賶毫Φ捻憫舆t時間約為0.03s，并且與轉速無關。

　?、陧憫^程中存在壓力波動，可近似為二階系統(tǒng)。

　　③不同轉速下的壓力上升過程略有差別，轉速越高，響應速度越快，但不同轉速下的壓力下降過程則基本重合。

(a)階躍上升 (b)階躍下降

4、結論

　　(1) 對比例ASCO世格電磁閥的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應特性進行實驗，將電磁閥的響應特性分為穩(wěn)態(tài)飽和特性、二階動態(tài)響應特性和滯后特性，建立電磁閥的簡化傳遞函數(shù)模型。

　　(2) 結合以目標值為輸入的開環(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)誤差對控制量或控制目標進行修正，不同于以誤差作為輸入的常規(guī)控制方法，復合控制同時將目標值和誤差作為控制器的輸入。

　　(3) 將復合控制算法應用于電磁閥壓力控制，根據(jù)電磁閥的3 個特性分別設計了開環(huán)控制表、閉環(huán)控制器和滯后特性預估修正模塊，制定了控制算法的設計流程。實驗和應用結果驗證了開環(huán)-閉環(huán)復合控制算法的控制精度、響應速度和魯棒性。

電控單體泵應用于柴油機上，是可滿足排放法規(guī)和改善燃油經(jīng)濟性的時間控制式燃油噴射系統(tǒng)。高速電磁閥是其關鍵部件之一，它的快速響應直接影響了噴油系統(tǒng)的噴油量、噴油定時等關鍵特性。電磁閥的電磁力大小決定了其快速響應性能。目前研究只限于對電磁閥電磁力的單因素影響分析，未分析全工況平面內各種因素變化對電磁力的影響和對電磁力的貢獻程度。本文在Ansoft軟件環(huán)境下建立電控單體泵高速電磁閥三維有限元仿真計算模型，并試驗驗證了仿真模型的準確性，然后應用仿真模型研究了電控單體泵高速電磁閥全工況平面內鐵芯磁極長度、線圈匝數(shù)、線圈位置、銜鐵厚度、阻尼孔位置和大小等參數(shù)變化對電磁力的影響，并對電磁力的變化進行量化分析，得出各參數(shù)對電磁力影響的百分比量化指標，從而得到全工況平面內影響電磁力的關鍵參數(shù)，為電磁閥的優(yōu)化設計提供理論指導。

1、電磁閥結構組成和工作原理

　　電控單體泵電磁閥主要包括電磁鐵、銜鐵、控制閥桿、銜鐵復位彈簧、出油堵頭等零部件。其中，電磁鐵主要由鐵芯、勵磁線圈、封裝外殼等組成。通電后，電磁鐵吸合銜鐵，拉動控制閥桿，關閉密封錐面，切斷燃油回路，從而在泵腔內建立起燃油噴射所需的高壓;斷電后，復位彈簧迫使銜鐵推動控制閥桿復位，密封錐面被開啟，卸載泵腔內的高壓燃油，停止燃油噴射。該方式實現(xiàn)了對燃油噴射過程的數(shù)字控制，改變了傳統(tǒng)噴油泵的機械控制方式，對噴油量和噴油定時的控制通過調節(jié)控制閥桿的閉合時間長度和閉合時刻來實現(xiàn)。

電控單體泵及其電磁閥結構圖

5、結論

　　(1)驗證了Ansoft建立的高速電磁閥三維有限元模型的準確性，利用仿真模型得到了電控單體泵電磁閥全工況平面內各參數(shù)對電磁力的影響規(guī)律。