基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统
专利汇可以提供基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出的是一种基于 开关 阀 体积流量拟合模 块 的 气缸 输出 力 伺服控制系统及其控制方法，其结构包括 控制器 、4个高速开关阀、带 弹簧 的双出杆双作动气缸、力 传感器 、 压力传感器 ；其中4个高速开关阀分别通过气管与带弹簧的双出杆双作动气缸的左、右腔的气孔相连，力传感器安装于气缸一侧带有弹簧的输出杆的顶端，压力传感器的2个检测终端分别连接于缸的左、右腔的气孔处；4个高速开关阀、力传感器和压力传感器分别通过 电缆 与控制器相连接。优点：采用真实数据拟合的开关 阀体 积流量模型代替了传统的数学模型，解决传统模型设计中忽略开关阀模型的问题，最大限度的降低开关阀最小开启脉冲的影响，提高气缸输出力伺服控制的响应 精度 和速度。，下面是基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统专利的具体信息内容。
1.基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统，其特征是其结构包括控制器、4个高速开关阀（1）、带弹簧的双出杆双作动气缸（2）、力传感器（3）、压力传感器（4）；
其中4个高速开关阀（1）分为2组，每组分别通过气管与带弹簧的双出杆双作动气缸（2）的左、右腔的气孔相连，力传感器（3）安装于带弹簧的双出杆双作动气缸（2）一侧带有弹簧的输出杆的顶端，压力传感器（4）的2个检测终端分别连接于带弹簧的双出杆双作动气缸（2）的左、右腔的气孔处；4个高速开关阀（1）、力传感器（3）和压力传感器（4）分别通过电缆与控制器相连接，控制器控制4个高速开关阀（1）的开启和关闭，并对力传感器（3）和压力传感器（4）反馈的数值进行测量和处理。
2.根据权利要求1所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统，其特征是所述的高速开关阀（1）为电磁三通高速开关阀，可通过控制关闭其中一个气孔作为双通电磁高速开关阀使用；其中与带弹簧的双出杆双作动气缸（2）的左腔相连的2个高速开关阀（1）分别为左腔充气阀和左腔放气阀，与带弹簧的双出杆双作动气缸（2）的右腔相连的2个高速开关阀（1）分别为右腔充气阀和右腔放气阀。
3.根据权利要求1所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统，其特征是所述带弹簧的双出杆双作动气缸（2）为最高耐压0.7MPa，最大行程0.1m的标准气缸，其一端的输出杆顶端安装有弹簧，该弹簧最大可承受力为100N。
4.根据权利要求1所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统，其特征是所述力传感器（3）采用输出0 5V电信号的平面膜盒式测力传感器，用于测量带弹~
簧的双出杆双作动气缸（2）的实测力F，并将实测力F输出到力误差计算模块（8）中进行计算；所述压力传感器（4）采用输出0 5V电信号的标准压力传感器，用于测量气缸左腔气压~
和右腔气压 ，并将测量结果输出到开关阀体积流量拟合模块（5）中。
5.根据权利要求1所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统，其特征是所述的控制器内部结构包括开关阀体积流量拟合模块（5）、力误差计算模块（8）、PID控制器（9）、开关阀开启策略模块（10）；其中力误差计算模块（8）的输入端连接力传感器（3）的输出端，力误差计算模块（8）的输出端分别连接PID控制器（9）的输入端和开关阀开启策略模块（10）的第一输入端；PID控制器（9）的输出端连接开关阀体积流量拟合模块（5）的第一输入端，开关阀体积流量拟合模块（5）的输出端连接开关阀开启策略模块（10）的第二输入端，开关阀体积流量拟合模块（5）的第二输入端连接压力传感器（4）的输出端；开关阀开启策略模块（10）的输出端分别连接4个高速开关阀（1）。
6.根据权利要求5所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统，其特征是所述的开关阀体积流量拟合模块（5）包括高压气源、调压阀（6）、1个高速开关阀（1）和体积流量计（7），其中调压阀（6）的进气口接入外部高压气源，调压阀（6）的排气口通过1个高速开关阀（1）连接体积流量计（7）的进气口，体积流量计（7）的排气口与大气相连；
所述调压阀（6）也称为减压阀，可降低高压气源压力，输出给定的压力；所述体积流量计（7）采用输出0 5V电信号的微小气体热式体积流量计。
~
7.如权利要求1所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统的控制方法，其特征是包括如下步骤：
1）开关阀体积流量特性测试：通过调节调压阀（6）调节与其连接的高速开关阀（1）的输入气压，并调节在多组控制频率下的高速开关阀（1）的开启脉宽，记录体积流量计（7）输出的平均体积流量 ，最后对采集数据进行拟合处理，得到开关阀体积流量拟合模块（5）的拟合模型；
2）通过力传感器（3）测量双出杆双作动气缸输出杆的实测力F，并通过力误差计算模块（8）根据其内部设定的给定力 的数值与实测力 的差值计算力误差 ，即 ；
3）PID控制器（9）根据力误差计算模块（8）输出的力误差 的大小，计算输出开关阀体积流量百分比 ；PID控制器的计算公式为 ，其中 ， 和
都是PID控制器的参数；
4）开关阀体积流量拟合模块（5）对开关阀体积流量百分比 和压力传感器（4）采集的左腔气压 和右腔气压 进行计算处理，输出各开关阀对应的开启脉宽；
5）通过开关阀开启策略模块（10），进而通过数字量输出卡输出数字信号控制4个高速开关阀（1）的开启和关闭，最终带动带弹簧的双出杆双作动气缸（2）中的输出杆运动，使气缸输出实测力 的数值与给定力 的误差保持最小并保持稳定。
8.根据权利要求7所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统的控制方法，其特征是所述的步骤1）得到开关阀体积流量拟合模块（5）的拟合模型的具体方法包括：
首先设定50Hz的脉宽调制频率，调节调压阀（6），改变高速开关阀（1）的输入气压大小 ，由于开关阀的输出气压为定值大气压 ，故改变输入气压即为改变进出口气压差 ；
在50Hz和0.1、0.3、0.5、0.7、1、1.5、2、3bar的进出口气压差下分别进行以下测试：在开关阀开启占空比小于10%时，按照1%的步长调整占空比，记录每一步的体积流量，在体积流量接近最小值时按0.1%的步长调整占空比，找到最小开启占空比，在开关阀开启占空比大于10%时，按照10%的步长调整占空比，记录每一步的体积流量，在体积流量接近最大值时按
0.1%的步长调整占空比，找到最大开启占空比；其次改变脉宽调制频率为100Hz和150Hz，得到3组频率下的开关阀体积流量特性测试数据；根据采集的数据，去除部分不准确的数据，并对10%占空比左右的数据进行优化处理，对占空比0 10%和10% 100%的数据进行4阶多项~ ~
式分段拟合，最终得到开关阀体积流量拟合模块（5）对应的拟合模型关系图。
9.根据权利要求7所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统的控制方法，所述的步骤4）中，根据得到的开关阀体积流量拟合模块（5）体积流量百分比、占空比和阀进出口压差之间的拟合模型关系图，在选定100Hz为控制频率之后，由于仅测试了
0.1、0.3、0.5、0.7、1、1.5、2、3bar这8个阀进出口压差下的体积流量百分比和占空比的关系，所以需要对非测试曲线上的值采用插值法进行计算；
首先按如下公式对4个高速开关阀（1）进行压差计算：左腔充气阀： ，左腔
放气阀： ，右腔充气阀： ，右腔放气阀： ；其次假定需
要计算 下的占空比 ，则在开关阀体积流量拟合模型上找到 左右相邻的 和
两条曲线，根据PID控制器（9）给出的开关阀体积流量百分比 ，计算出对应的占空比和 ，最后按照如下插值法公式进行计算得到占空比 ：
。
10.根据权利要求7所述的基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统的控制方法，所述的步骤5）中开关阀开启策略模块（10）根据误差的大小，设定不同的阀开启占空比，如下表所示，表中 和 分别表示在该模式下计算出的该阀对应的开启占空比。
基于开关阀体积流量拟合模块的气缸输出力伺服控制系统
技术领域
背景技术
发明内容
2）通过力传感器测量双出杆双作动气缸输出杆的实测力F，并通过力误差计算模块根据其内部设定的给定力 的数值与实测力F的差值计算力误差 ，即 ；
3）PID控制器根据力误差计算模块输出的力误差 的大小，计算输出开关阀体积流量百分比K；PID控制器的计算公式为 ，其中 ， 和 都
是PID控制器的参数；
4）开关阀体积流量拟合模块对开关阀体积流量百分比K和压力传感器采集的左腔气压和右腔气压 进行计算处理，输出各开关阀对应的开启脉宽；
5）通过开关阀开启策略模块，进而通过数字量输出卡输出数字信号控制4个高速开关阀的开启和关闭，最终带动带弹簧的双出杆双作动气缸中的输出杆运动，使气缸输出实测力F的数值与给定力 的误差保持最小并保持稳定。
0.1%的步长调整占空比，找到最大开启占空比；其次改变脉宽调制频率为100Hz和150Hz，得到3组频率下的开关阀体积流量特性测试数据；通过Matlab2018软件根据采集的数据，去除部分不准确的数据，并对10%占空比左右的数据进行优化处理，对占空比0 10%和10% 100%~ ~
的数据进行4阶多项式分段拟合，最终得到开关阀体积流量拟合模块对应的拟合模型关系。
首先按如下公式对4个高速开关阀进行压差计算：左腔充气阀： ，左腔放
气阀： ，右腔充气阀： ，右腔放气阀： ；其次假定需要
计算 下的占空比 ，则在开关阀体积流量拟合模型上找到 左右相邻的 和
两条曲线，根据PID控制器（9）给出的开关阀体积流量百分比 ，计算出对应的占空比和 ，最后按照如下插值法公式进行计算得到占空比 ：
。
具体实施方式
力传感器3与带弹簧的双出杆双作动气缸2连接，测量双出杆双作动气缸输出杆的实测力F，并将实测力F输出到力误差计算模块8中进行计算；压力传感器4与带弹簧的双出杆双作动气缸2连接，测量气缸左腔气压 和右腔气压 ，并将测量结果输出到开关阀体积流量拟合模块5中；开关阀体积流量拟合模块5的第一个输入为开关阀体积流量百分比K，来自PID控制器9，第二个输入为左腔气压 和右腔气压 ，来自压力传感器4，输出与开关阀开启策略模块10连接；开关阀体积流量拟合模块5由高压气源、调压阀6、高速开关阀1、体积流量计7组成的测试系统测试的数据拟合而成，其中调压阀6一端与高压气源相连，一端与1个高速开关阀相连，体积流量计7一端与1个高速开关阀相连，一端与大气相连，通过调节高速开关阀的开启脉宽和控制频率，采集体积流量计的体积流量，最终将数据拟合为开关阀体积流量拟合模块5；力误差计算模块8计算力误差 ，力误差 为给定力与实测力F的差值，即；PID控制器9的输入为力误差 ，来自力误差计算模块8，输出为开关阀体积流量百分比K；开关阀开启策略模块10的第一个输入为力误差 ，来自力误差计算模块8，第二个输入为开关阀体积流量拟合模块5输出的阀开启脉宽，输出控制4个高速开关阀1的开启和关闭，进而控制带弹簧的双出杆双作动气缸的输出杆运动。
50Hz和0.1、0.3、0.5、0.7、1、1.5、2、3bar的进出口气压差下分别进行以下测试：在开关阀开启占空比小于10%时，按照1%的步长调整占空比，记录每一步的体积流量，在体积流量接近最小值时按0.1%的步长调整占空比，找到最小开启占空比，在开关阀开启占空比大于10%时，按照10%的步长调整占空比，记录每一步的体积流量，在体积流量接近最大值时按0.1%的步长调整占空比，找到最大开启占空比；其次改变脉宽调制频率为100Hz和150Hz，得到3组频率下的开关阀体积流量特性测试数据；根据采集的数据，去除部分不准确的数据，并对
10%占空比左右的数据进行优化处理，对占空比0 10%和10% 100%的数据进行分段拟合，拟~ ~
合方法为4阶多项式拟合，最终得到开关阀体积流量拟合模型关系图，如图3所示。
拟合模型上找到 左右相邻的 和 两条曲线，根据PID控制器（9）给出的开关阀体积流量百分比 ，计算出对应的占空比 和 ，最后按照如下插值法公式进行计算得到占空比 ： 。图4和图5为从开关阀体
积流量拟合模块5中归纳出来的开关阀最小/最大开启脉宽（ms）与阀进出口压差（bar）之间的关系，通过使用上述方法计算出来的占空比，不会超过开关阀最小、最大开启脉宽限制，保证了控制的精度。
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