数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法与流程

1.本发明属于数字液压元件开关控制技术领域，特别是一种数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法。


背景技术：

2.多个小流量增益的数字阀并联构建数字阀组，可以通过开关组合近似实现连续控制，同时增加数字阀个数就可提高流量，不但增加了系统冗余度，极大提高了系统的可靠性，而且能够保持原有的频率特性。随着数字阀组成环节和影响因素增加，对故障的敏感性也越来越高，尤其是高速开关阀的高频启闭特性导致数字阀组的故障率也随之提高，数字阀精度、寿命和稳定性等指标都会对液压系统的效率及性能产生不可忽视的影响，严重影响控制系统的性能，导致精度、线性度等性能降级，也大大增加了其研制、生产尤其是维护和保障的成本。
3.数字阀组故障问题既是成本问题，也是安全问题。虽然数字阀组具有硬件冗余和容错特性，但目前缺少针对数字阀组的主动容错控制方法来保证数字化液压系统的安全、精确运行，降低数字阀故障或性能退化对阀组整体或系统运行性能的影响。因此，从数字化液压系统可靠性、安全性、经济性考虑，利用数字阀组的容错亮点，寻求一种适应性重构机制的主动容错补偿控制方法，以实现数字阀组性能最小降级、最大程度发挥数字阀组可靠性优势是十分迫切且必要的。


技术实现要素：

4.本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出一种数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法。该方法包括建立数字阀组正常情况的控制信号库，明确数字阀组的故障类型，故障类型包括阀芯卡住未开启(ⅰ)、阀芯未完全开启(ⅱ)、阀芯未完全关闭(ⅲ)、阀芯卡在中间位置(ⅳ)和阀芯卡住未关闭(
ⅴ
)五种，根据故障类型进行相应的容错控制，重构数字阀组控制信号实现ⅰ、
ⅴ
型故障类型主动容错控制，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比实现ⅱ、ⅲ、ⅳ型故障类型主动容错控制。本发明无需硬件冗余，利用故障定位与诊断信息，通过信号重构或调节pwm占空比进行主动容错控制，系统可靠性高且扩展性强，可同时对数个数字阀组进行容错，节约时间。
5.本发明提供一种数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法，其包括以下步骤：
6.s1、建立数字阀组正常情况的控制信号库：按分别开启1个数字阀、2个数字阀、i个数字阀和n个数字阀时的控制信号分类为u
n＝1
,u
n＝2
,u
n＝i
,u
n＝n
，由此组成控制信号库u：
7.u＝[u
n＝1 u
n＝2
ꢀ…ꢀun＝i
ꢀ…ꢀun＝n
]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0008]
[0009]
其中，n表示数字阀组中数字阀的个数；表示从n中随机取i个数的组合数；
[0010]
s2、明确数字阀组的故障类型：根据pcm控制信号和阀芯所在位置，将故障类型分为阀芯卡住未开启(ⅰ)、阀芯未完全开启(ⅱ)、阀芯未完全关闭(ⅲ)、阀芯卡在中间位置(ⅳ)和阀芯卡住未关闭(
ⅴ
)五种；
[0011]
s3、根据故障类型进行相应的容错控制：若故障类型为ⅰ，则执行步骤s4，若故障类型为ⅱ，则执行步骤s5，若故障类型为ⅲ，则执行步骤s6，若故障类型为ⅳ，则执行步骤s7，若故障类型为
ⅴ
，则执行步骤s8；
[0012]
s4、进行故障类型ⅰ的容错控制：此时数字阀开启失效，无流量输出，即故障类型ⅰ的数字阀输出流量q(i)＝0，通过给定此类故障阀常闭信号，并以q
ref
为目标流量，执行步骤s9；
[0013]
s5、进行故障类型ⅱ的容错控制：此时数字阀关闭正常，完全开启失效，不能完全输出整阀流量q0，即故障类型ⅱ的数字阀输出流量q
(ii)
满足0≤q
(ii)
＜q0，无需重构控制信号，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比τ进行第一操作；
[0014]
s6、进行故障类型ⅲ的容错控制：此时数字阀开启正常，完全关闭失效，故障类型ⅲ的输出流量q
(iii)
不能为零，即满足0＜q
(iii)
≤q0，无需重构控制信号，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比τ进行第二操作；
[0015]
s7、进行故障类型ⅳ的容错控制：此时数字阀完全开启和完全关闭均正常，故障类型ⅳ的输出流量q
(iv)
满足0＜q
(iv)
＜q0，无需重构控制信号，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比τ进行第一操作或第二操作；
[0016]
s8、进行故障类型
ⅴ
的容错控制：此时数字阀完全关闭失效，故障类型
ⅴ
的输出流量q
(v)
满足q
(v)
＝q0，通过给定此类故障阀常闭信号，并以q
ref
′
＝q
ref-q
(v)
为新的目标流量，执行步骤s9；
[0017]
s9、重构数字阀组控制信号：根据流量区间确定数字阀开启数量i，得到新的控制信号分类u
′
n＝i
，再以最少切换次数|j|为目标，确定u
′
n＝i
中开启组合u，将重构后的开关控制信号给到5-bit等编码数字阀组对其他数字阀的控制信号进行重构，以满足流量需求。
[0018]
进一步，所述第一操作为补偿完全开启与无法完全开启的流量差q
0-q
(j)
，所述第二操作为消除完全关闭与无法完全关闭的流量差q
(j)-0，j取ⅱ、ⅲ、ⅳ。
[0019]
优选的，所述步骤s9中最少切换次数j为：
[0020]
j＝sum|u
i 1-ui|
ꢀꢀꢀ
(3)
[0021]
其中，ui表示新的控制信号分类u
′
n＝i
中第i列组合。
[0022]
优选的，所述常闭信号是将对应数字阀的控制信号设为常闭状态0，即将式(1)和式(2)中对应行均设为0，避免进一步线圈损坏。
[0023]
优选的，所述步骤s4中若不能满足最大流量需求时，则在构型匹配时通过增加一个数字阀实现硬件冗余来补偿最大流量需求缺口；若出现多个此类阀故障，则停机维修或更换。
[0024]
优选的，所提方法适应于单个数字阀的不同故障类型和多个数字阀的不同故障模式；若故障阀过多，超过0.5n(n为数字阀的总个数)时，根据故障信息对数字阀组进行维修或更换，以保证系统性能。
[0025]
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
[0026]
1、本发明设计的一种数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法，无需硬件冗余，利用故障定位与诊断信息，通过目标信号、控制信号、控制策略的重构，实现ⅰ、
ⅴ
型故障类型主动容错控制；其他类型故障无需重构过程，仅通过pid参数调节pwm占空比进行补偿或消除流量差。
[0027]
2、本发明设计的一种数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法，相较于容错控制前，除最大最小流量需求之外，能保证系统性能不降级，使系统正常运行，提高系统可靠性；具有很强的扩展性，不局限于数字阀组的数量，可以是任意多个，同时也不局限于一个阀组的情况，可以同时对数个阀组进行容错，节约时间。
附图说明
[0028]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
[0029]
图1是本发明的数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法流程图；
[0030]
图2a是本发明的所应用数字阀组示意图；
[0031]
图2b是本发明的所应用数字阀组三维示意图；
[0032]
图3是本发明的数字阀故障类型信号图；
[0033]
图4是本发明的容错控制实验流量跟随图；
[0034]
图5是本发明的容错控制阀组信号图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0037]
图1示出了本发明的数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法，该方法包括以下步骤：
[0038]
该方法所应用的数字流量阀组，如图2a和2b所示，其包括进油口p、卸出油口a、压力传感器4、第一流量传感器3、第二流量传感器5、控制器2和开关阀1。其中，进油口p接油源，出油口a接执行器。
[0039]
s1、建立数字阀组正常情况的控制信号库：按分别开启1个数字阀、2个数字阀、i个数字阀和n个数字阀时的控制信号分类为u
n＝1
,u
n＝2
,u
n＝i
,u
n＝n
，由此组成控制信号库u：
[0040]
u＝[u
n＝1 u
n＝2
ꢀ…ꢀun＝i
ꢀ…ꢀun＝n
]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0041][0042]
其中，n表示数字阀组中数字阀的个数；表示从n中随机取i个数的组合数。
[0043]
以四个pcm控制数字阀与pwm控制数字阀组成的5-bit等编码数字阀组中一个pcm
控制阀发生为例，则有：
[0044][0045][0046]
s2、明确数字阀组的故障类型：根据pcm控制信号和阀芯所在位置，将故障类型分为阀芯卡住未开启(ⅰ)、阀芯未完全开启(ⅱ)、阀芯未完全关闭(ⅲ)、阀芯卡在中间位置(ⅳ)和阀芯卡住未关闭(
ⅴ
)五种，如图3所示。
[0047]
s3、根据故障类型进行相应的容错控制：若故障类型为ⅰ，则执行步骤s4，若故障类型为ⅱ，则执行步骤s5，若故障类型为ⅲ，则执行步骤s6，若故障类型为ⅳ，则执行步骤s7，若故障类型为
ⅴ
，则执行步骤s8。
[0048]
s4、进行故障类型ⅰ的容错控制：此时数字阀开启失效，无流量输出，即故障类型ⅰ的数字阀输出流量q(i)＝0，通过给定此类故障阀常闭信号，将对应数字阀的控制信号设为常闭状态0，即将式(1)和式(2)中对应行均设为0，避免进一步线圈损坏，并以q
ref
为目标流量，执行步骤s9；若不能满足最大流量需求时，则在构型匹配时通过增加一个数字阀实现硬件冗余来补偿最大流量需求缺口；若出现多个此类阀故障，则停机维修或更换。图4和图5是模拟故障类型ⅰ发生在第三个阀的位置时的实验数据图。
[0049]
在一个具体实施例中，基于式(3)和式(4)，假设故障发生在2号位置的数字阀，则此时有：
[0050][0051][0052]
s5、进行故障类型ⅱ的容错控制：此时数字阀关闭正常，完全开启失效，不能完全输出整阀流量q0，即故障类型ⅱ的数字阀输出流量q
(ii)
满足0≤q
(ii)
＜q0，无需重构控制信号，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比τ进行第一操作，即补偿完全开启与无法完全开启的流量差q
0-q
(ii)
。
[0053]
s6、进行故障类型ⅲ的容错控制：此时数字阀开启正常，完全关闭失效，故障类型ⅲ的输出流量q
(iii)
不能为零，即满足0＜q
(iii)
≤q0，无需重构控制信号，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比τ进行第二操作，即消除完全关闭与无法完全关闭的流量差q
(iii)-0。
[0054]
s7、进行故障类型ⅳ的容错控制：此时数字阀完全开启和完全关闭均正常，故障类型ⅳ的输出流量q
(iv)
满足0＜q
(iv)
＜q0，无需重构控制信号，通过pid调节pwm控制的数字阀占空比τ进行第一操作即补偿完全开启与无法完全开启的流量差q
0-q
(iv)
，或第二操作即消除完全关闭与无法完全关闭的流量差q
(iv)-0。
[0055]
s8、进行故障类型
ⅴ
的容错控制：此时数字阀完全关闭失效，故障类型
ⅴ
的输出流量q
(v)
满足q
(v)
＝q0，通过给定此类故障阀常闭信号，常闭信号是将对应数字阀的控制信号设为常闭状态0，即将式(1)和式(2)中对应行均设为0，避免进一步线圈损坏，并以q
ref
′
＝q
ref-q
(v)
为新的目标流量，执行步骤s9。
[0056]
s9、重构数字阀组控制信号：根据流量区间确定数字阀开启数量i，得到新的控制信号分类u
′
n＝i
，再以最少切换次数|j|为目标，确定u
′
n＝i
中开启组合u，将重构后的开关控制信号给到5-bit等编码数字阀组对其他数字阀的控制信号进行重构，以满足流量需求。
[0057]
最少切换次数j为：
[0058]
j＝sum|u
i 1-ui|
ꢀꢀꢀ
(7)
[0059]
其中，ui表示新的控制信号分类u
′
n＝i
中第i列组合。
[0060]
该发明适应于单个数字阀的不同故障类型和多个数字阀的不同故障模式；若故障阀过多，超过0.5n(n为数字阀的总个数)时，根据故障信息对数字阀组进行维修或更换，以保证系统性能。
[0061]
本发明设计的一种数字阀组多故障模式下的主动容错控制方法，无需硬件冗余，利用故障定位与诊断信息，通过目标信号、控制信号、控制策略的重构，实现ⅰ、
ⅴ
型故障类型主动容错控制；其他类型故障无需重构过程，仅通过pid参数调节pwm占空比进行补偿或消除流量差；相较于容错控制前，除最大最小流量需求之外，能保证系统性能不降级，使系统正常运行，提高系统可靠性；具有很强的扩展性，不局限于数字阀组的数量，可以是任意多个，同时也不局限于一个阀组的情况，可以同时对数个阀组进行容错，节约时间。
[0062]
最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。