基于双阀调节的稳压腔控制方法和系统与流程

1.本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及基于双阀调节的稳压腔控制方法和系统。


背景技术：

2.基于双阀调节的稳压腔系统是大型空气管路试验台的关键子系统，要求具备根据试验台的工况变化实现腔内压力快速调节的能力，同时，需要在试验台进行大范围空气流量调节时，保证腔内压力的稳定，即要求稳压腔系统具备较强的伺服跟踪性能和抗干扰性能。因此，如何实现基于双阀调节的稳压腔压力精准控制是现阶段亟待解决的技术难题。
3.基于双阀调节的稳压腔系统在飞行器和车辆驱动控制方面，常采用控制分配方法协调过驱动系统的冗余执行机构，但所采用的优化算法、智能算法等计算量较大，实现难度大。
4.而在液压系统中采用的双阀调节方法，由于液压系统中的伺服阀动态响应明显快于稳压腔系统所用的调节阀，且空气的可压缩性使得稳压腔系统具有更强的非线性，故上述双阀调节控制方法并不适用于稳压腔系统。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供基于双阀调节的稳压腔控制方法和系统，可以实现双阀协调控制及稳压腔压力的精准控制，计算量小，且易于实现。
6.第一方面，本发明实施例提供了基于双阀调节的稳压腔控制方法，所述方法包括：
7.获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；
8.根据所述跟踪微分器和所述稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；
9.根据所述蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；
10.根据所述蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移；
11.获取压力误差信号，将所述压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；
12.根据所述蝶阀的液压缸位移和所述套筒阀的液压缸位移，控制所述稳压腔的压力。
13.进一步的，所述根据所述蝶阀的液压缸位移和所述套筒阀的液压缸位移，控制所述稳压腔的压力，包括：
14.根据所述蝶阀的液压缸位移控制所述蝶阀的开度，使所述蝶阀输出基本放气流量；
15.根据所述套筒阀的液压缸位移控制所述套筒阀的开度，使所述套筒阀输出修正放气流量；
16.根据所述基本放气流量和所述修正放气流量，得到放气总流量；
17.根据所述放气总流量控制所述稳压腔的压力。
18.进一步的，基于以下控制结构设计所述pi控制器：
19.获取稳压腔非线性模型；
20.采用小偏差线性化方法，将所述稳压腔非线性模型进行线性化，得到稳压腔线性模型；
21.将所述压力误差信号作为所述pi控制器的输入，输出得到所述套筒阀的液压缸位移；
22.将所述套筒阀的液压缸位移作为套筒阀模型的输入，输出得到修正放气流量；
23.将所述修正放气流量作为所述稳压腔线性模型的输入，输出得到所述稳压腔的实际压力。进一步的，所述根据所述蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积，包括：
24.根据下式计算所述蝶阀流通面积：
[0025][0026]
其中，a
df
为所述蝶阀流通面积，m
df
为所述蝶阀放气流量，为所述蝶阀的流量系数，p
set1
为期望压力值，r为气体常数，t
in
为供给所述稳压腔的气流温度。
[0027]
进一步的，所述根据所述蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移，包括：
[0028]
根据下式计算所述蝶阀的液压缸位移：
[0029][0030]
其中，x
dfcmd
(k)为k时刻所述蝶阀的液压缸位移，t
df
为所述蝶阀动态的时间常数，t
s
为控制周期，a
df
(k)为k时刻所述蝶阀流通面积，x
act
(k
‑
1)为k
‑
1时刻的液压缸阀芯实际位移，g为所述蝶阀的液压缸位移和所述蝶阀流通面积之间的函数关系。
[0031]
进一步的，根据所述跟踪微分器和所述稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量，包括：
[0032]
根据所述跟踪微分器计算期望压力值和期望压力的微分值；
[0033]
根据所述期望压力的微分值和所述稳压腔的压力微分方程，计算所述蝶阀放气流量。
[0034]
第二方面，本发明实施例提供了基于双阀调节的稳压腔控制系统，所述系统包括控制器和稳压腔装置，所述稳压腔装置包括蝶阀、套筒阀和稳压腔，所述控制器包括获取单元、蝶阀放气流量计算单元、蝶阀流通面积计算单元、蝶阀液压缸位移计算单元和套筒液压缸位移计算单元；
[0035]
所述获取单元，用于获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；
[0036]
所述蝶阀放气流量计算单元，用于根据所述跟踪微分器和所述稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；
[0037]
所述蝶阀流通面积计算单元，用于根据所述蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；
[0038]
所述蝶阀液压缸位移计算单元，用于根据所述蝶阀流通面积计算所述蝶阀的液压缸位移；
[0039]
所述套筒液压缸位移计算单元，用于获取压力误差信号，将所述压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；
[0040]
所述稳压腔装置，用于根据所述蝶阀的液压缸位移和所述套筒阀的液压缸位移，控制所述稳压腔的压力。
[0041]
进一步的，所述稳压腔装置具体用于：
[0042]
根据所述蝶阀的液压缸位移控制所述蝶阀的开度，使所述蝶阀输出基本放气流量；
[0043]
根据所述套筒阀的液压缸位移控制所述套筒阀的开度，使所述套筒阀输出修正放气流量；
[0044]
根据所述基本放气流量和所述修正放气流量，得到放气总流量；
[0045]
根据所述放气总流量控制所述稳压腔的压力。
[0046]
进一步的，基于以下控制结构设计所述pi控制器：
[0047]
获取稳压腔非线性模型；
[0048]
采用小偏差线性化方法，将所述稳压腔非线性模型进行线性化，得到稳压腔线性模型；
[0049]
将所述压力误差信号作为所述pi控制器的输入，输出得到所述套筒阀的液压缸位移；
[0050]
将所述套筒阀的液压缸位移作为套筒阀模型的输入，输出得到修正放气流量；
[0051]
将所述修正放气流量作为所述稳压腔线性模型的输入，输出得到所述稳压腔的实际压力。
[0052]
第三方面，本发明实施例提供了电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。
[0053]
本发明实施例提供了基于双阀调节的稳压腔控制方法和系统，包括：获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；根据跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；根据蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；根据蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移；获取压力误差信号，将所述压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；根据蝶阀的液压缸位移和套筒阀的液压缸位移，控制稳压腔的压力；可以实现双阀协调控制及稳压腔压力的精准控制，计算量小，且易于实现。
[0054]
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0056]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0057]
图1为本发明实施例一提供的基于双阀调节的稳压腔控制方法流程图；
[0058]
图2为本发明实施例一提供的套筒阀闭环控制回路示意图；
[0059]
图3为本发明实施例二提供的基于双阀调节的稳压腔控制系统示意图；
[0060]
图4为本发明实施例二提供的另一基于双阀调节的稳压腔控制系统示意图。
[0061]
图标：
[0062]1‑
控制器；2
‑
稳压腔装置；11
‑
获取单元；12
‑
蝶阀放气流量计算单元；13
‑
蝶阀流通面积计算单元；14
‑
蝶阀液压缸位移计算单元；15
‑
套筒液压缸位移计算单元；21
‑
蝶阀；22
‑
套筒阀；23
‑
稳压腔。
具体实施方式
[0063]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
[0065]
实施例一：
[0066]
图1为本发明实施例一提供的基于双阀调节的稳压腔控制方法流程图。
[0067]
参照图1，该方法包括以下步骤：
[0068]
步骤s101，获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；
[0069]
具体地，获取跟踪微分器后，可以得到期望压力值和压力变化率，参照公式(1)：
[0070][0071]
其中，p
set1
(k 1)为k 1时刻的期望压力值，表示稳压腔在压力控制过程中，期望的稳压腔的压力变化过程，p
set
(k)为k时刻的预设压力值，p
set1
(k)为k时刻的期望压力值，t
s
为控制周期，为k时刻的压力变化率，为k 1时刻的压力变化率，fh为最速控制综合函数，fh需满足公式(2)。
[0072][0073]
由公式(3)可知：
[0074][0075]
其中，r为速度因子，h0为滤波因子，d、d0、y、a0、a为变量，sign(a)为变量是a的符号函数。
[0076]
获取稳压腔的压力微分方程，参照公式(4)：
[0077][0078]
其中，为供气机组供给的流量，为蝶阀和套筒阀的总放气流量，m
out2
为通往试验舱的空气流量，v为稳压腔容积，cp为定压比热容，r为气体常数，t为稳压腔内气体的温度。
[0079]
步骤s102，根据跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；
[0080]
具体地，参照公式(5)：
[0081][0082]
其中，为套筒阀的最大流量调节能力，a
max
为套筒阀的最大流通面积，为套筒阀流量系数，ρ为稳压腔的气体密度。
[0083]
步骤s103，根据蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；
[0084]
步骤s104，根据蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移；
[0085]
步骤s105，获取压力误差信号，将所述压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；
[0086]
具体地，稳压腔非线性模型参照公式(6)：
[0087][0088]
其中，为状态变量，p为稳压腔内的实际压力，t为稳压腔内的温度，f为非线性函数，u为调节阀放气总流量。
[0089]
基于稳态点，采用小偏差线性化方法，将稳压腔非线性模型进行线性化，得到稳压腔线性模型g，参照公式(7)：
[0090][0091]
δy＝[1 0]δx
[0092]
其中，δx为基于稳态点的状态变化量，δu为基于稳态点的输入变化量，δy为基于稳态点的输出变化量。
[0093]
步骤s106，根据蝶阀的液压缸位移和套筒阀的液压缸位移，控制稳压腔的压力。
[0094]
进一步的，步骤s107包括以下步骤：
[0095]
步骤s201，根据蝶阀的液压缸位移控制蝶阀的开度，使蝶阀输出基本放气流量；
[0096]
步骤s202，根据套筒阀的液压缸位移控制套筒阀的开度，使套筒阀输出修正放气流量；
[0097]
步骤s203，根据基本放气流量和修正放气流量，得到放气总流量；
[0098]
步骤s204，根据放气总流量控制稳压腔的压力。
[0099]
进一步的，基于以下控制结构设计pi控制器：
[0100]
获取稳压腔非线性模型；
[0101]
采用小偏差线性化方法，将稳压腔非线性模型进行线性化，得到稳压腔线性模型；
[0102]
将压力误差信号作为pi控制器的输入，输出得到套筒阀的液压缸位移；
[0103]
将套筒阀的液压缸位移作为套筒阀模型的输入，输出得到修正放气流量；
[0104]
将修正放气流量作为稳压腔线性模型的输入，输出得到稳压腔的实际压力。
[0105]
具体地，参照图2，获取稳压腔的实际压力p，根据稳压腔的实际压力和期望压力值，得到压力误差信号，参照公式(8)：
[0106]
p
set1
*k
s
‑
p*k
s
＝e
[0107]
其中，p
set1
为期望压力值，k
s
为传感器增益，p为稳压腔的实际压力，e为压力误差信号。
[0108]
将压力误差信号通过pi控制算法，输出得到套筒阀的液压缸位移x
ttfcmd
，g
v
为套筒阀模型，套筒阀的液压缸位移通过套筒阀模型得到套筒阀的修正放气流量其中，修正放气流量为稳压腔线性模型g的输入，输出为p。通过上述过程，构建套筒阀的闭环控制回路。套筒阀模型g
v
可建模为一阶惯性环节，参照公式(9)：
[0109][0110]
其中，τ
ttf
为套筒阀的动态时间常数，k为套筒阀的液压缸位移到放气流量的增益。
[0111]
根据套筒阀的闭环控制回路，利用matlab的pid tuner工具箱设计控制器参数，至此完成闭环控制器设计。通过上述设计，使套筒阀具有最大的正向和反向调节能力。
[0112]
进一步的，步骤s103：
[0113]
根据公式(10)计算蝶阀流通面积：
[0114][0115]
其中，a
df
为蝶阀流通面积，m
df
为蝶阀放气流量，为蝶阀的流量系数，p
set1
为期望
压力值，r为气体常数，t
in
为供给稳压腔的气流温度。
[0116]
进一步的，步骤s104包括：
[0117]
根据公式(11)计算蝶阀的液压缸位移：
[0118][0119]
其中，x
dfcmd
(k)为k时刻蝶阀的液压缸位移，t
df
为蝶阀动态的时间常数，t
s
为控制周期，a
df
(k)为k时刻蝶阀流通面积，x
act
(k
‑
1)为k
‑
1时刻的液压缸阀芯实际位移，g为蝶阀的液压缸位移和蝶阀流通面积之间的函数关系。
[0120]
进一步的，步骤s102包括以下步骤：
[0121]
步骤s301，根据跟踪微分器计算期望压力值和期望压力的微分值；
[0122]
步骤s302，根据期望压力的微分值和稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量。
[0123]
本发明实施例提供了基于双阀调节的稳压腔控制方法，包括：获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；根据跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；根据蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；根据蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移；获取压力误差信号，将压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；根据蝶阀的液压缸位移和套筒阀的液压缸位移，控制稳压腔的压力；可以实现双阀协调控制及稳压腔压力的精准控制，计算量小，且易于实现。
[0124]
实施例二：
[0125]
图3为本发明实施例二提供的基于双阀调节的稳压腔控制系统示意图。
[0126]
参照图3，该系统包括控制器1和稳压腔装置2，稳压腔装置2包括蝶阀21、套筒阀22和稳压腔23。
[0127]
控制器1包括开环控制器和闭环控制器，开环控制器控制蝶阀实现基本放气流量，闭环控制器控制套筒阀实现修正放气流量，进而调节放气总流量，以使稳压腔压力的动态按照期望值变化，从而实现对稳压腔压力的精准控制。
[0128]
参照图4，该系统包括控制器和稳压腔装置2，控制器包括获取单元11、蝶阀放气流量计算单元12、蝶阀流通面积计算单元13、蝶阀液压缸位移计算单元14和套筒液压缸位移计算单元15。
[0129]
获取单元11，用于获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；
[0130]
蝶阀放气流量计算单元12，用于根据跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；
[0131]
蝶阀流通面积计算单元13，用于根据蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；
[0132]
蝶阀液压缸位移计算单元14，用于根据蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移；
[0133]
套筒液压缸位移计算单元15，用于获取压力误差信号，将所述压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；
[0134]
稳压腔装置2，用于根据蝶阀的液压缸位移和套筒阀的液压缸位移，控制稳压腔的压力。
[0135]
进一步的，稳压腔装置2具体用于：
[0136]
根据蝶阀的液压缸位移控制蝶阀的开度，使蝶阀输出基本放气流量；
[0137]
根据套筒阀的液压缸位移控制套筒阀的开度，使套筒阀输出修正放气流量；
[0138]
根据基本放气流量和修正放气流量，得到放气总流量；
[0139]
根据放气总流量控制稳压腔的压力。
[0140]
进一步的，pi控制器通过以下方式进行设计：
[0141]
获取稳压腔非线性模型；
[0142]
采用小偏差线性化方法，将稳压腔非线性模型进行线性化，得到稳压腔线性模型；
[0143]
将压力误差信号作为pi控制器的输入，输出得到套筒阀的液压缸位移；
[0144]
将套筒阀的液压缸位移作为套筒阀模型的输入，输出得到修正放气流量；
[0145]
将修正放气流量作为稳压腔线性模型的输入，输出得到稳压腔的实际压力。
[0146]
上述控制器的控制过程，可以实现双阀协调控制及稳压腔压力的精准控制，计算量小，且易于实现，并且控制器具有较好的伺服跟踪性能和抗干扰性能。
[0147]
本发明实施例提供了基于双阀调节的稳压腔控制系统，包括：获取跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程；根据跟踪微分器和稳压腔的压力微分方程，计算蝶阀放气流量；根据蝶阀放气流量计算蝶阀流通面积；根据蝶阀流通面积计算蝶阀的液压缸位移；获取压力误差信号，将所述压力误差信号作为pi控制器的输入，并采用pi控制算法，得到套筒阀的液压缸位移；根据蝶阀的液压缸位移和套筒阀的液压缸位移，控制稳压腔的压力；可以实现双阀协调控制及稳压腔压力的精准控制，计算量小，且易于实现。
[0148]
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的基于双阀调节的稳压腔控制方法的步骤。
[0149]
本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，计算机可读介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的基于双阀调节的稳压腔控制方法的步骤。
[0150]
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0151]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0152]
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0153]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0154]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0155]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。