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(nèi)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(diào)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(diào)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(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，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。可以看出，瞬態(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。

　　②響應過程中存在壓力波動，可近似為二階系統(tǒng)。

　?、鄄煌D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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(nèi)各參數(shù)對電磁力的影響規(guī)律。