閥體控制策略開發(fā)及驗證

1、1比例繼動閥的控制比例繼動閥是一種能使所輸出油液的參數(shù)（壓力、流量和方向）隨輸入電信號參數(shù)（電流、電壓）的變化而成比例的液壓控制閥，從而實現(xiàn)連續(xù)的比例控制。它是一種集開關(guān)式電液控制元件和伺服式電液控制元件的優(yōu)點于一體的新型液壓控制元件。這種閥既可以開環(huán)控制，也可以加入反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)控制，有良好的靜態(tài)性能和能滿足一般工業(yè)控制要求的動態(tài)性能。比例繼動閥是非常復(fù)雜的非線性機構(gòu)?；诒壤^動閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及特性測試結(jié)果，采用脈寬調(diào)制PWM對比例繼動閥的閥芯動作進行控制。具體地，通過改變芯片輸入電壓的大小來改變閥芯控制電流的大小，從而改變閥門開度和壓力。1.1 比例繼動閥的特性比例繼動閥是用來

2、控制前橋制動壓力輸出的作動件。它由比例電磁閥，繼動閥和壓力傳感器組成，是包含電控回路及氣控回路的雙回路機構(gòu)。電控回路系統(tǒng)的執(zhí)行和監(jiān)控由整車中央ECU 完成，氣控系統(tǒng)的控制通過電控制動總閥來實現(xiàn)。在電控回路中，中央ECU 確定的控制電流通過比例繼動閥轉(zhuǎn)化為它的繼動閥的控制壓力，然后比例繼動閥輸出與該控制壓力成比例關(guān)系的制動壓力。圖1.1 比例繼動閥結(jié)構(gòu)簡圖1- 行車制動踏板，2-兩個電氣開關(guān)，3-觸片，4-制動閥，5-球閥，6-彈簧7-限位塊，8-閥體，9-比例閥閥芯，10-彈簧，11-電磁鐵芯，12-彈簧，13-繼動閥座14-行車制動氣室，15-壓力傳感器，16-彈簧，17-繼動閥活塞比例繼動

3、閥及結(jié)構(gòu)簡圖如圖1.1所示。圖1.1 中，AE 是根據(jù)工作原理和功能劃分的氣體工作空間，這些氣室的具體組成如下：A-控制氣體氣室：由控制氣體入口、球閥5及電磁鐵芯11 的空間組成；B-供氣輸入氣室：由氣體輸入口和比例閥閥芯9的下部與閥體及繼動閥閥座13 與閥體構(gòu)成的一個空腔；C-排入大氣的氣體氣室：由活塞17 的下部與閥座13 及排氣口組成，通往外部大氣壓；D-氣體流通的氣室：由閥體8、比例閥芯9 及活塞17 組成；E-輸出氣體的氣室：由活塞17、閥體及閥座13 和氣體輸出口組成。電控回路正常工作的情況下比例繼動閥氣控回路的工作原理如下：當制動踏板 1 踩下時，在電氣回路正常工作時，兩個電氣開

4、關(guān)2 閉合，接通與EBS 控制模塊的電線，駕駛員的制動力矩需求被轉(zhuǎn)化成電信號傳遞到EBS 的ECU 后，觸片3通電，EBS 的控制單元通過電線a 向電磁鐵供電，在電磁力的作用下電磁鐵芯11克服彈簧6的阻力下移，當電磁鐵芯的前端球閥5與比例閥芯9結(jié)合后，形成一個密閉的氣室D，電磁鐵芯11 繼續(xù)下移，推動比例閥芯向下移動，使氣室B 與D連通，壓縮氣體由V2 通過輸入口經(jīng)由閥體進入氣室D 后，D 氣室的壓縮氣體使活塞17 克服彈簧16 的阻力下移，直到活塞17 的下端頂靠在閥座13上，形成氣室E；此時活塞17繼續(xù)下移，推動閥座13 克服彈簧12的阻力也下移，這樣壓縮氣體能從氣室B進入氣室E，由輸出口

5、進入制動器制動氣室，比例繼動閥輸出口的壓力增加。隨著輸出壓力的增加，氣室D的氣體作用于球閥5及比例閥9 上的向上推力也增加，比例閥芯9在彈簧6及氣體向上的推力的作用下上移，使氣室B與D 之間的相隔離，氣室D成為一個密閉的氣室（由于時間變化較短，可以考慮成一個絕熱的過程）。此時的球閥還與比例閥芯緊密接合，氣室D的壓縮氣體不能由比例閥芯9的中間通道出去。此時氣室E、D 的壓力和彈簧16、12的作用下，閥座13 和活塞17都開始回升，使閥座13又頂靠在閥體左端的限位塊上，關(guān)閉了氣室B 與氣室E的通道，此刻，氣室E的氣體就能被保持到這個壓力值。在這狀態(tài)下，比例閥的閥芯和繼動閥的閥芯都維持平衡狀態(tài)，此時

6、比例繼動閥的輸出壓力和輸入電流有一定的比例關(guān)系。如果有制動踏板信號的變化，或者車輛狀態(tài)的變化，由EBS的ECU計算所需目標壓力，目標壓力變化使得比例繼動閥的輸入電流變化，各個閥體的力平衡狀態(tài)被破壞，按上述的原理，閥芯重新進入平衡狀態(tài)。電磁鐵芯在控制單元的作用下向上回升，此時，球閥5脫離比例閥芯9，氣室D 的氣體壓力降低，活塞17兩邊的動態(tài)平衡被破壞，活塞17上移，使活塞17的下端脫離閥座13。因此，氣室E的壓縮氣體就從排氣口排到大氣中，比例繼動閥的輸出壓力下降。電磁鐵芯11下移又使球閥5和比例閥芯9接合，氣室D的氣壓保持不變，氣室E的氣體在減壓過程中從排氣口排出一些，這樣，氣室E的壓力降低，由

7、于此時氣室D的壓力大于氣室E的壓力，活塞17下移，又關(guān)閉了氣室E與氣室C的連通口，氣室E的壓力保持不變，這就是新的平衡狀態(tài)；當駕駛員松開制動踏板時，EBS控制單元檢測到此時的信號，停止對電磁鐵通電，在彈簧6的作用下電磁鐵芯上升，使球閥離開比例閥芯，這樣氣室D的氣體由球閥座的通道進入大氣，此時氣室D的壓力降為大氣壓，活塞17在彈簧的作用下上升，使活塞17的端與閥座13分離，氣室E的氣體進入到氣室C，而氣室C的氣體由排氣口排入大氣。這就是恢復(fù)初期狀態(tài)的過程。壓力傳感器15可以測量進入制動氣室的壓力值，并通過線b傳遞到EBS控制單元。通過對閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，決定采用PWM 方式控制閥芯動作

8、。使用MCS12DG128 芯片的PWM 控制接口，通過改變輸出電壓大小來改變閥芯控制電流的大小，從而改變閥門開度，實現(xiàn)壓力可變控制。比例繼動閥有五根引線，2 根為閥門控制線，3 根為壓力傳感器接線，其中壓力傳感器的接線中2 根為電源線（24v），另一根為返回值信號線（5V）。1.2 比例控制閥遲滯特性補償控制1） 遲滯特性分析比例閥的輸出信號與輸入信號是成比例的。但實際上，由于閥芯結(jié)構(gòu)等原因，輸入信號是一條確定的曲線，但輸出信號在上升和下降過程中的曲線不完全重合。也就是說，即使輸入信號是某一個確定值，但對應(yīng)的輸出信號在上升和下降時是兩個不同的數(shù)值，這兩個數(shù)值的差值就是遲滯。比例繼動閥的遲滯特

9、性非常明顯，遲滯特性測量曲線如圖1.2所示。遲滯特性產(chǎn)生的原因主要是：1、氣壓系統(tǒng)具有可壓縮性；2、電磁閥閥芯的結(jié)構(gòu)及運動時閥芯上的徑向不平衡力的存在所導(dǎo)致的摩擦力。圖1.2 比例繼動閥的滯環(huán)特性曲線2） 補償方法研究由于比例繼動閥遲滯特性的存在，所以必須對其進行補償，才能實現(xiàn)穩(wěn)定精密的控制。根據(jù)過程控制的原理，前饋補償對這種有明確偏移量的系統(tǒng)補償效果較好，所以本文選用前饋補償?shù)姆椒ㄑa償比例繼動閥的遲滯特性。前饋控制方法有如下特點：（1） 前饋控制器是“基于擾動來消除擾動對被控量的影響”，故前饋控制又稱為“功補償”；（2）擾動發(fā)生后，前饋控制器“及時”功作，對抑制被控量由于擾動引起的動、靜態(tài)偏

10、差比較有效；（3）前饋控制屬于開環(huán)控制所以只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定；（4）適合用來克服可測而不可控的擾動。滯環(huán)補償環(huán)節(jié)的基本思路：將升壓過程及降壓過程簡化為兩條獨立的曲線，升壓過程中使用升壓近似曲線來確定控制電流；降壓過程中使用降壓近似曲線來確定輸出電流。對圖1.2中穩(wěn)態(tài)時的升壓曲線和降壓曲線進行近似的線性化，得到如下結(jié)果：a) 升壓過程：P=10*(I-0.47)，當I=1.17 時，P 達到最大值不再上升；b) 降壓過程：P=10*(I-0.09)，當I=0.79 時，P 達到最大值不再上升。從理論上來說，控制比例繼動閥時，可以直接給相應(yīng)的目標壓力對應(yīng)的控制電流。但是根

11、據(jù)主掛車制動一致性的要求，牽引車前軸增壓的速度與牽引車后軸及掛車軸的增壓速率應(yīng)匹配，否則前軸增壓速率過快將導(dǎo)致主掛車制動不協(xié)調(diào)。所以比例繼動閥的增減壓過程采用階梯增減壓法。本文中經(jīng)過測試將階梯增減壓的控制電流步長設(shè)定為0.1A。滯環(huán)補償環(huán)節(jié)的控制流程圖如圖1.3所示：圖1.3 前饋補償控制圖其中：Pa 為氣室目標壓力（單位bar），Pt為氣室實際壓力，為目標氣室壓力對應(yīng)的控制電流，為實際氣室壓力對應(yīng)的控制電流，i 為比例繼動閥控制電流。1.3 比例控制閥的閉環(huán)控制當今的閉環(huán)自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)鍵的是被控變量的實際值，

12、與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中采用PID控制算法，利用PID閉環(huán)控制的優(yōu)點，可以獲得良好的控制效果。從前饋控制的原理及其特點可以看出，前饋控制雖然對可測不可控的擾動有很好的抑制作用，但同時亦存在很大的局限，主要有（1）不能實現(xiàn)完全補償；（2）只能克服可測不可控的擾動，對多擾動輸入系統(tǒng)則無法消除其它擾動對被控參量的影響。所以單純的前饋控制不能滿足比例繼動閥輸出壓力精密控制的要求。為克服前饋控制的局限性，可以選用前饋結(jié)合反饋的復(fù)合控制系統(tǒng)對比例繼動閥進行控制。這樣既

13、能發(fā)揮前饋控制可及時克服主要擾動對被控參量影響的特點，又保持了反饋控制能克服多個擾動影響的特點，同時也降低了系統(tǒng)對前饋補償器的要求。由于PID控制是閉環(huán)控制中的一種經(jīng)典的方法，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)，所以本文選用PID 控制作為閉環(huán)控制方法，從而構(gòu)建具有滯環(huán)補償功能的比例繼動閥前饋PID 閉環(huán)控制方法。因此，本文采用前饋結(jié)合PID控制的方法進行比例控制閥的控制，整體控制框圖如下圖所示。圖1.4 PID控制框圖輸出壓力的大小由壓力PI環(huán)節(jié)決定，PID 調(diào)節(jié)可以使實際壓力穩(wěn)定在目標壓力左右。合理確定PID 參數(shù)是得到好控制效果的前提，為了確定合理的PID 參數(shù)，用上面搭建的比例控制閥模型，調(diào)試

14、PID 參數(shù)，評價指標有壓力控制穩(wěn)定性、壓力上升時間、超調(diào)、壓力穩(wěn)定化時間等。仿真結(jié)果表明在能夠滿足全控制壓力范圍的PID 參數(shù)不存在，而且考慮比例繼動閥的階躍響應(yīng)特性，用切換控制來調(diào)整PID 參數(shù)就是對比例繼動閥的合理的控制方法。分析有關(guān)仿真結(jié)果最終決定目標壓力在00.3MPa 和0.30.7MPa 的兩個范圍內(nèi)PID 參數(shù)分別5、3.8、0 和 0.1、10、0。此時平均壓力穩(wěn)定時間、壓力上升時間、超調(diào)分別是在00.3MPa里0.4s、0.015、34.6%，在0.30.7MPa 里0.28s、0.184s、0。1.4 比例控制閥控制算法驗證1. PID控制算法仿真驗證運用搭建的仿真模型對

15、客車EBS系統(tǒng)比例控制閥的PID控制算法進行了離線仿真驗證，離線仿真系統(tǒng)如圖1.2所示。圖1.5 Simulink驗證模型目標壓力 0.3MPa時有遲滯特性補償控制和沒有遲滯補償控制的比例繼動閥的壓力響應(yīng)特性仿真結(jié)果如圖1.6所示。圖1.6 比例繼動閥補償控制離線仿真結(jié)果從圖1.6可以看出，有遲滯補償?shù)目刂扑惴ū葲]有補償?shù)目刂扑惴黠@的提高了比例繼動閥響應(yīng)時間，進而提高壓力控制質(zhì)量。2.控制算法的HIL試驗驗證為了確定本文的分段PID 參數(shù)并驗證該組參數(shù)能否適用于不同的目標壓力，在電控制動系統(tǒng)硬件在環(huán)實驗臺上進行了“不同壓力下的響應(yīng)時間測試”試驗。“不同壓力下的響應(yīng)時間測試”實驗臺試驗選取三種不同目標壓力和工況：0.3MPa 的輕微制動工況、0.5MPa 的中等強度制動和0.7MPa 的緊急制動工況。首先讓車輛模型加速到一定值，然后踩下控制踏板并保持，這時EBS 控制器根據(jù)踏板開度及踏板開度變化率確定目標制動減速度和相應(yīng)的制動氣室壓力。根據(jù)目標氣室壓力和氣室壓力傳感器實時測得的當前實際壓力，比例繼動閥前饋PID控制策略就可以控制底層閥體的動作，從而輸出制動壓力。這樣就可以得到壓力響應(yīng)時間，從而確定該