一种数字阀门流量控制系统及其最优控制方法与流程

本发明涉及数字阀门流量控制领域，尤其涉及一种数字阀门流量控制系统及其最优控制方法。

背景技术：

1、高速开关数字阀因其结构简单、成本低廉、抗油污能力强、响应速度快等优点，在液压流量控制领域得到了日益广泛的应用。相较于传统的比例阀和伺服阀，高速开关阀仅有开启和关闭两种工作状态，通过pwm（脉宽调制）信号驱动阀芯高频切换，实现对输出流量的数字式调节，既保留了数字控制的灵活性，又降低了系统对油液清洁度的要求。

2、现有高速开关二位二通数字阀并联流量控制系统多采用二进制加权通径阀组搭配独立 pwm 驱动，但传统控制方案仅简单分配目标总流量，未同步兼顾各阀瞬时流量均衡与累计开关动作次数均衡，易出现单阀长期过载、各阀门损耗差异大、阀组整体使用寿命不一致的问题；同时数字阀自身存在死区、饱和、压差变化引发的强非线性特性，常规控制缺乏在线自适应非线性补偿机制，预测控制模型易随工况漂移产生流量跟踪偏差，且供油压力、负载波动等外部扰动无法实时观测并约束占空比求解区间，极易出现控制饱和、流量震荡超调；此外传统系统 pwm 载波频率固定，无法根据占空比所处死区、线性区、饱和区动态适配频率，全量程流量调节精度与脉动抑制效果难以兼顾，且流量分配、非线性补偿、扰动观测、模型预测控制各功能模块相互独立、无统一串行信息流协同架构，各模块优化作用相互抵消，无法同步提升阀组寿命、控制精度、抗扰能力与全量程调节品质。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种数字阀门流量控制系统及其最优控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种数字阀门流量控制系统，包括：n个高速开关二位二通数字阀，，各数字阀以并联方式连接于同一供油管路与负载回路之间；各数字阀的通径面积按照二进制加权比例配置，即第个数字阀的通径面积，其中为最小通径阀的通流面积，；各数字阀的入口共同连接至系统压力油路，出口共同连接至负载流量输出端；各数字阀分别独立配置pwm驱动信号；

4、系统压力传感器，安装于阀组入口侧；总流量传感器，安装于阀组出口侧；分支流量传感器或压差传感器，安装于各数字阀出口侧；

5、控制器，接收各传感器采集的信号，所述控制器内部设有流量分配优化器、rbf神经网络非线性补偿器、扩张状态观测器和模型预测控制器；

6、所述流量分配优化器接收目标总流量指令及各数字阀的实时压差信号，以各阀瞬时流量均衡和各阀累计开关动作次数均衡为优化目标，求解各阀的流量分配指令，并将该流量分配指令分别下发至所述rbf神经网络非线性补偿器和所述模型预测控制器；

7、所述rbf神经网络非线性补偿器接收所述流量分配指令和实时压差信号，输出各阀的占空比补偿量，并以在线更新方式将该补偿量输入所述模型预测控制器，以更新所述模型预测控制器的状态转移矩阵和输入矩阵；

8、所述扩张状态观测器接收系统实际总流量和各阀的实际占空比，输出系统总扰动估计值，并以实时反馈方式将该扰动估计值输入所述模型预测控制器，以动态调整各阀的占空比优化求解区间的上限和下限；

9、所述模型预测控制器接收经所述rbf神经网络非线性补偿器更新后的状态转移矩阵和输入矩阵、经所述扩张状态观测器调整后的占空比优化求解区间、以及所述流量分配优化器下发的各阀流量分配指令，求解各数字阀的最优占空比控制序列；

10、各数字阀的pwm驱动信号根据各自的最优占空比独立生成，分别驱动对应的数字阀。

11、优选地，所述流量分配优化器中设有触发阈值判断机制：当任一数字阀的累计开关动作次数超过所有数字阀平均动作次数与预设系数的乘积时，所述各阀累计开关动作次数均衡目标的优化权重自动增大，使后续流量分配指令优先调用动作次数较少的数字阀。

12、优选地，所述控制器中还设有分区段频率自适应调节模块，所述分区段频率自适应调节模块接收所述模型预测控制器输出的各阀最优占空比，根据该占空比所处的区间类别确定对应数字阀的 pwm 载波频率：处于死区或饱和区时采用第一频率，处于线性区且当前流量跟踪误差小于预设阈值时采用高于第一频率的第二频率。

13、优选地，所述最小通径阀的通径尺寸配置为：该阀在系统最小工作流量工况下对应的 pwm 占空比不小于其线性调节区间的百分之三十。

14、还公开了一种数字阀门流量最优控制方法，应用于高速开关二位二通数字阀流量控制系统，所述系统包含 n 个以并联方式连接且通径面积按二进制加权比例配置的数字阀，，所述方法包括：

15、对各数字阀施加阶跃 pwm 信号，提取各阀的开启延迟时间、开启运动时间、关闭延迟时间和关闭运动时间，建立各阀的 pwm 占空比与输出流量的分段非线性映射关系；

16、进入闭环控制后，执行以下步骤：

17、步骤一：接收目标总流量指令，根据各数字阀的实时压差计算各阀的压差修正系数，以各阀瞬时流量均衡和各阀累计开关动作次数均衡为多目标函数，求解各阀的流量分配指令；其中，第一控制周期内所述累计开关动作次数均衡目标的权重为零，自第二控制周期起该权重根据前序各周期的累计动作次数统计值实时更新；

18、步骤二：以各阀的流量分配指令和实时压差信号作为 rbf 神经网络的输入，输出各阀的占空比补偿量，以在线更新方式将该补偿量输入模型预测控制器，更新所述模型预测控制器的状态转移矩阵和输入矩阵；

19、步骤三：以系统实际总流量和各阀的实际占空比作为扩张状态观测器的输入，输出系统总扰动估计值，以实时反馈方式将该扰动估计值输入模型预测控制器，动态调整各阀的占空比优化求解区间的上限和下限；

20、步骤四：模型预测控制器以更新后的状态转移矩阵和输入矩阵、调整后的占空比优化求解区间以及步骤一输出的各阀流量分配指令为基础，求解各数字阀的最优占空比控制序列；

21、步骤五：根据步骤四输出的各阀最优占空比所处的区间类别，分别确定各数字阀的 pwm 载波频率，生成各阀的独立 pwm 驱动信号，施加于各数字阀的电磁线圈；

22、步骤六：在下一控制周期，返回步骤一。

23、优选地，所述步骤一中，各阀累计开关动作次数均衡目标的权重更新方式为：实时统计各数字阀的累计开关动作次数，当任一数字阀的累计动作次数超过所有阀平均动作次数与预设系数的乘积时，提升所述多目标函数中寿命均衡目标的权重。

24、优选地，所述步骤三中，各阀的占空比优化求解区间随扰动估计值动态调整的方式为：当所述扰动估计值的绝对值增大时，各阀的占空比上限降低、下限提高，使优化求解区间收缩；当所述扰动估计值的绝对值减小时，各阀的占空比上限提高、下限降低，使优化求解区间扩张。

25、优选地，所述步骤五中，各数字阀的 pwm 载波频率的确定方式为：当某阀的最优占空比处于死区或饱和区时采用第一频率；处于线性区且当前流量跟踪误差小于预设阈值时采用高于第一频率的第二频率；处于非线性过渡区或跟踪误差不小于预设阈值时采用介于第一频率与第二频率之间的第三频率。

26、优选地，所述分段非线性映射关系包含死区、非线性过渡区、线性区和饱和区四个区间；所述线性区为输出流量与 pwm 占空比呈近似线性关系的区间；所述死区为 pwm 占空比小于开启阈值时输出流量为零的区间；所述饱和区为 pwm 占空比大于饱和阈值时输出流量达到最大值且不再随占空比增大的区间。

27、优选地，各数字阀的通径按照的比例配置；各数字阀的组合流量档位覆盖从单只最小通径阀的额定流量至全部阀门全开时的总流量；小流量工况下仅开启最小通径数字阀，大流量工况下依据各阀瞬时流量均衡原则分配总流量。

28、本技术方案与现有技术相比产生的有益效果：

29、（1）本方案采用流量分配优化器、rbf 神经网络非线性补偿器、模型预测控制器、扩张状态观测器串行耦合的单向信息流协同架构，同步实现多目标流量均衡、非线性在线补偿、扰动自适应约束与分区段变频调控，区别于现有技术各模块独立优化效果相互抵消的缺陷；一方面通过双目标流量分配均衡各阀瞬时负载与开关动作频次，大幅缩小各阀门损耗差距、延长阀组整体使用寿命，另一方面依托 rbf 在线修正预测模型、扩张状态观测器动态约束占空比求解区间，自适应抵消阀非线性与外部工况扰动，再搭配分区段自适应pwm 频率匹配不同调节区间特性，同步提升系统全量程流量控制精度、抗扰动能力与输出平稳性，实现阀组寿命、控制精度、抗扰性能、全量程调节品质四项指标系统性同步优化。