[发明专利]一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统和方法

权利要求书

1.一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统，其特征在于：包括气源、压力容腔、进气阀、排气阀、压力传感器和控制器；

所述进气阀的进气口与气源相连，进气阀的出气口与压力容腔相连；

所述排气阀的进气口与压力容腔相连，排气阀的出气口与大气环境相通；

所述压力容腔的容腔壁上安装压力传感器，压力传感器对压力容腔内的气体压力进行测量并输出给控制器；

所述控制器的两路PWM信号输出端分别与进气阀和排气阀的信号输入端相连；

控制器根据压力误差e和压力误差的变化律ec将两个阀的工作状态分为快速进气段、慢速进气段、完全关闭段、慢速排气段和快速排气段5种不同的工作模式；

当压力误差e的绝对值大于系统允许的最大误差ε时，需通过压力误差e的切换隶属度函数确定其隶属度U_e，通过压力误差的变化率ec的切换隶属度函数确定其隶属度U_ec，再计算快速段和慢速段的输出强度系数δ_f和δ_s，然后判断得出系统的工作模式；

式中，a代表压力误差e的取值上限，b代表压力误差的变化率ec的取值上限；

2.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统，其特征在于：当压力误差e的绝对值小于等于系统允许的最大误差ε时，系统进入全部关闭模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统，其特征在于：

当eε且δ_f≥δ_s时，此时进气阀完全打开而排气阀完全关闭，容腔进气流量达到最大，用以快速升压，从而保证系统充气的响应速度；

当eε且δ_fδ_s时，此时排气阀完全关闭，而进气阀处于PWM信号的控制下，而PWM信号的占空比为非线性误差反馈控制律输出的控制信号u，系统此时处于慢速精确升压的状态；

当e-ε且δ_fδ_s时，此时进气阀完全关闭，而排气阀处于PWM信号的控制下，而PWM信号的占空比为非线性误差反馈控制律输出的控制信号u，系统此时处于慢速精确降压的状态；

当e-ε且δ_f≥δ_s时，此时进气阀完全打开而排气阀完全关闭，容腔排气流量达到最大，用以快速降压，从而保证系统排气的响应速度。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统，其特征在于：

在慢速进气与慢速排气段设计扩张状态观测器，对高速开关阀PWM控制技术中阀的输出流量与PWM占空比间存在的包括非线性、气体的可压缩性以及容腔内的气体温度变化的不确定非线性因素进行估计，并在非线性误差反馈控制律的设计中对这些不确定非线性进行补偿，从而有效解决PWM控制中存在的非线性区对于控制精度提升的瓶颈问题；

在慢速进气段和慢速排气段所用的非线性误差反馈控制律为：

式中，m为控制器的增益，z₂为扩张状态观测器对阀的输出流量与PWM占空比间存在的包括非线性、气体的可压缩性以及容腔内的气体温度变化的不确定非线性因素进行估计，b₀为可调参数；fal()是一个非线性函数，其表达式为：

式中，α为一可调参数并且满足0＜α＜1，δ为另一可调参数，决定着此函数非线性区间的范围；

为了获得估计值z₂，设计的扩张状态观测器为：

式中，x₁为压力反馈值，z₁为x₁的观测值，β₁和β₂为观测器的两个增益。