比例ASCO世格電磁閥開環(huán)-閉環(huán)復(fù)合控制算法

ASCO世格電磁閥為研究對(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，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。

(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。可以看出，瞬態(tài)壓力變化過程有3 個(gè)特點(diǎn)：

　?、賶毫Φ捻憫?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D(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。

(a)階躍上升 (b)階躍下降

4、結(jié)論

　　(1) 對(duì)比例ASCO世格電磁閥的穩(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。

電控單體泵應(yīng)用于柴油機(jī)上，是可滿足排放法規(guī)和改善燃油經(jīng)濟(jì)性的時(shí)間控制式燃油噴射系統(tǒng)。高速電磁閥是其關(guān)鍵部件之一，它的快速響應(yīng)直接影響了噴油系統(tǒng)的噴油量、噴油定時(shí)等關(guān)鍵特性。電磁閥的電磁力大小決定了其快速響應(yīng)性能。目前研究只限于對(duì)電磁閥電磁力的單因素影響分析，未分析全工況平面內(nèi)各種因素變化對(duì)電磁力的影響和對(duì)電磁力的貢獻(xiàn)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(jì)算模型，并試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，然后應(yīng)用仿真模型研究了電控單體泵高速電磁閥全工況平面內(nèi)鐵芯磁極長(zhǎng)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(duì)電磁力的影響，并對(duì)電磁力的變化進(jìn)行量化分析，得出各參數(shù)對(duì)電磁力影響的百分比量化指標(biāo)，從而得到全工況平面內(nèi)影響電磁力的關(guān)鍵參數(shù)，為電磁閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1、電磁閥結(jié)構(gòu)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(fù)位彈簧、出油堵頭等零部件。其中，電磁鐵主要由鐵芯、勵(lì)磁線圈、封裝外殼等組成。通電后，電磁鐵吸合銜鐵，拉動(dòng)控制閥桿，關(guān)閉密封錐面，切斷燃油回路，從而在泵腔內(nèi)建立起燃油噴射所需的高壓;斷電后，復(fù)位彈簧迫使銜鐵推動(dòng)控制閥桿復(fù)位，密封錐面被開啟，卸載泵腔內(nèi)的高壓燃油，停止燃油噴射。該方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃油噴射過程的數(shù)字控制，改變了傳統(tǒng)噴油泵的機(jī)械控制方式，對(duì)噴油量和噴油定時(shí)的控制通過調(diào)節(jié)控制閥桿的閉合時(shí)間長(zhǎng)度和閉合時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)。

電控單體泵及其電磁閥結(jié)構(gòu)圖

5、結(jié)論

　　(1)驗(yàn)證了Ansoft建立的高速電磁閥三維有限元模型的準(zhǔn)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(nèi)各參數(shù)對(duì)電磁力的影響規(guī)律。