比例電磁閥開(kāi)環(huán)-閉環(huán)復合控制算法

　　以比例電磁閥為研究對象，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(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制相結合的開(kāi)環(huán)-閉環(huán)復合控制算法，論述了控制算法的模型結構和設計過(guò)程。不同于將誤差作為唯一輸入的常規控制算法，復合控制算法同時(shí)將目標值和誤差作為控制器的輸入。以電磁閥響應特性實(shí)驗為基礎，根據電磁閥的穩態(tài)特性建立開(kāi)環(huán)控制表，消除系統的穩態(tài)非線(xiàn)性;根據電磁閥的瞬態(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(dòng)態(tài)響應性能。實(shí)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(dòng)、變速器等設備中廣泛應用比例電磁閥對壓力或流量進(jìn)行控制。由于比例閥在主要工作區間內具有良好的線(xiàn)性，當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(mǎn)足要求。隨著(zhù)精準農業(yè)對控制精度、動(dòng)態(tài)性能、全工況調節性能和穩定性的要求逐漸提高，則需要設計性能更加優(yōu)越的控制器。

　　提高控制性能的措施主要包括優(yōu)化電磁閥結構和改進(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://likelearn.cn/)之前也發(fā)布的很多文章中針對具體應用場(chǎng)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(shí)，促進(jìn)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(guò)程和控制效果。

1、電磁閥特性實(shí)驗與建模

　　1.1、電磁閥特性實(shí)驗

　　以某反比例溢流閥作為控制對象，油泵由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)，通過(guò)調節占空比控制液壓缸的壓力。電磁閥特性實(shí)驗包括穩態(tài)特性實(shí)驗和瞬態(tài)特性實(shí)驗。穩態(tài)壓力主要影響因素為占空比和油泵轉速，部分實(shí)驗結果如圖1a 所示。穩態(tài)壓力在主要壓力范圍內線(xiàn)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)，油泵轉速越高，壓力越大，當轉速超過(guò)3000r/min時(shí)，其對壓力的影響已不明顯。將相互對應的兩條回滯曲線(xiàn)進(jìn)行平均，并做平滑處理，得到平均穩態(tài)壓力特性，如圖1b 所示。

圖1 電磁閥穩態(tài)特性實(shí)驗

(a)部分穩態(tài)壓力實(shí)驗結果 (b)平均穩態(tài)壓力特性圖

　　瞬態(tài)特性實(shí)驗是測試不同轉速下占空比階躍變化時(shí)的壓力響應過(guò)程，包括階躍上升和階躍下降兩個(gè)過(guò)程，結果如圖2 所示�？梢钥闯�，瞬態(tài)壓力變化過(guò)程有3 個(gè)特點(diǎn)：

　�、賶毫Φ捻憫�延遲時(shí)間約為0.03s，并且與轉速無(wú)關(guān)。

　�、陧憫�過(guò)程中存在壓力波動(dòng)，可近似為二階系統。

　�、鄄煌�轉速下的壓力上升過(guò)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(guò)程則基本重合。

圖2 電磁閥瞬態(tài)特性實(shí)驗

(a)階躍上升 (b)階躍下降

4、結論

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

　　(2) 結合以目標值為輸入的開(kāi)環(huán)控制和以誤差為輸入的閉環(huán)控制，形成開(kāi)環(huán)-閉環(huán)復合控制，可更有效地利用系統信息。根據穩態(tài)特性建立開(kāi)環(huán)控制表，閉環(huán)控制器根據誤差對控制量或控制目標進(jìn)行修正，不同于以誤差作為唯一輸入的常規控制方法，復合控制同時(shí)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，根據電磁閥的3 個(gè)特性分別設計了開(kāi)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(shí)驗和應用結果驗證了開(kāi)環(huán)-閉環(huán)復合控制算法的控制精度、響應速度和魯棒性。