[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

说明书

本发明公开的一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统和方法，属于气动伺服控制领域。本发明通过快速进气、慢速进气、完全关闭、慢速排气和快速排气五种不同的工作模式，最大限度地利用了高速开关阀完全打开的时间。并通过对由压力误差e和压力误差的变化率ec的计算判定系统的具体工作模式，提高了压力响应速度，减少两个高速开关阀的工作状态频繁切换造成的气体浪费。此外通过设计扩张状态观测器以及非线性误差反馈控制律，对PWM控制中存在的非线性区进行有效补偿，提高了基于高速开关阀的压力控制精度。适用于气动控制领域，对气体压力高实现效、精确的控制。

技术领域

本发明涉及一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统和控制方法，属于气动伺服控制领域。

背景技术

气动技术以压缩空气为工作介质进行能量与信号的传递与控制，是实现生产自动化的一门重要技术。气动控制阀是对气体压力实现高精度控制及快速响应的关键。相较于传统的气动比例及伺服阀，气动高速开关阀具有抗污染能力强，价格便宜以及无需数/模转换模块等诸多优点，被越来越多地应用于气体压力控制系统。在基于高速开关阀的气体压力控制系统中，一般采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术，来实现高速开关阀近似比例控制的功能。通常采用两个二位二通高速开关阀，对进气过程和排气过程分别进行控制，因此需要对进气阀和排气阀的开启/关闭状态进行合理切换。

传统的非增压式切换策略是通过比较压力设定值与反馈值的大小来划分两种工作模式：当压力设定值大于压力反馈值时，进气阀接收PWM信号开启而排气阀完全关闭；当压力设定值小于压力反馈值时，进气阀完全关闭而排气阀接收PWM信号开启。由于进气阀和排气阀处于PWM信号的控制下，无法完全打开，因此充气和排气速率始终无法达到最大，造成压力响应速度较慢。而且由于稳态误差的存在，即使当压力反馈值与压力设定值十分接近时，控制器的输出也不可能为0，因此进气阀和排气阀会处于频繁切换的状态，造成大量气体浪费。此外由于高速开关阀开启/关闭响应时间的存在，采用PWM控制技术存在较大的控制死区、饱和区以及非线性区，导致压力控制精度较低。

发明内容

本发明针对传统非增压式切换策略造成的压力响应速度慢、气体损耗大和控制精度低的问题，公开一种基于高速开关阀五模式切换的气压控制系统和控制方法，目的提高气体压力控制的响应速度及控制精度，降低气体损耗。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于高速开关阀五模式切换策略的气体压力控制系统，包含气源、压力容腔、进气阀、排气阀、压力传感器和控制器。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，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，在压力容腔的容腔壁上安装压力传感器，压力传感器对被控容腔内的气体压力进行测量并输出给控制器，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。

本发明在保留传统非增压式切换策略中慢速进气和慢速排气模式上，增加了快速进气、快速排气和全部关闭模式，共计五种不同的工作模式。在两个快速进气或排气模式下，对应高速开关阀完全打开，不受PWM信号的控制，以提升压力的响应速度。当压力反馈值十分接近于压力设定值时，系统进入全部关闭模式，进气阀和排气阀均完全关闭，以减少两阀工作状态的频繁切换造成的气体浪费。

判断系统具体处于哪个工作模式，则由压力误差e和压力误差的变化率ec通过计算得到。

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，避免高速开关阀的频繁切换，同时节省气体的消耗。

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。