阀体控制策略开发及验证

1、1比例继动阀的控制比例继动阀是一种能使所输出油液的参数（压力、流量和方向）随输入电信号参数（电流、电压）的变化而成比例的液压控制阀，从而实现连续的比例控制。它是一种集开关式电液控制元件和伺服式电液控制元件的优点于一体的新型液压控制元件。这种阀既可以开环控制，也可以加入反馈环节构成闭环控制，有良好的静态性能和能满足一般工业控制要求的动态性能。比例继动阀是非常复杂的非线性机构。基于比例继动阀的内部结构、工作原理及特性测试结果，采用脉宽调制PWM对比例继动阀的阀芯动作进行控制。具体地，通过改变芯片输入电压的大小来改变阀芯控制电流的大小，从而改变阀门开度和压力。1.1 比例继动阀的特性比例继动阀是用来

2、控制前桥制动压力输出的作动件。它由比例电磁阀，继动阀和压力传感器组成，是包含电控回路及气控回路的双回路机构。电控回路系统的执行和监控由整车中央ECU 完成，气控系统的控制通过电控制动总阀来实现。在电控回路中，中央ECU 确定的控制电流通过比例继动阀转化为它的继动阀的控制压力，然后比例继动阀输出与该控制压力成比例关系的制动压力。图1.1 比例继动阀结构简图1- 行车制动踏板，2-两个电气开关，3-触片，4-制动阀，5-球阀，6-弹簧7-限位块，8-阀体，9-比例阀阀芯，10-弹簧，11-电磁铁芯，12-弹簧，13-继动阀座14-行车制动气室，15-压力传感器，16-弹簧，17-继动阀活塞比例继动

3、阀及结构简图如图1.1所示。图1.1 中，AE 是根据工作原理和功能划分的气体工作空间，这些气室的具体组成如下：A-控制气体气室：由控制气体入口、球阀5及电磁铁芯11 的空间组成；B-供气输入气室：由气体输入口和比例阀阀芯9的下部与阀体及继动阀阀座13 与阀体构成的一个空腔；C-排入大气的气体气室：由活塞17 的下部与阀座13 及排气口组成，通往外部大气压；D-气体流通的气室：由阀体8、比例阀芯9 及活塞17 组成；E-输出气体的气室：由活塞17、阀体及阀座13 和气体输出口组成。电控回路正常工作的情况下比例继动阀气控回路的工作原理如下：当制动踏板 1 踩下时，在电气回路正常工作时，两个电气开

4、关2 闭合，接通与EBS 控制模块的电线，驾驶员的制动力矩需求被转化成电信号传递到EBS 的ECU 后，触片3通电，EBS 的控制单元通过电线a 向电磁铁供电，在电磁力的作用下电磁铁芯11克服弹簧6的阻力下移，当电磁铁芯的前端球阀5与比例阀芯9结合后，形成一个密闭的气室D，电磁铁芯11 继续下移，推动比例阀芯向下移动，使气室B 与D连通，压缩气体由V2 通过输入口经由阀体进入气室D 后，D 气室的压缩气体使活塞17 克服弹簧16 的阻力下移，直到活塞17 的下端顶靠在阀座13上，形成气室E；此时活塞17继续下移，推动阀座13 克服弹簧12的阻力也下移，这样压缩气体能从气室B进入气室E，由输出口

5、进入制动器制动气室，比例继动阀输出口的压力增加。随着输出压力的增加，气室D的气体作用于球阀5及比例阀9 上的向上推力也增加，比例阀芯9在弹簧6及气体向上的推力的作用下上移，使气室B与D 之间的相隔离，气室D成为一个密闭的气室（由于时间变化较短，可以考虑成一个绝热的过程）。此时的球阀还与比例阀芯紧密接合，气室D的压缩气体不能由比例阀芯9的中间通道出去。此时气室E、D 的压力和弹簧16、12的作用下，阀座13 和活塞17都开始回升，使阀座13又顶靠在阀体左端的限位块上，关闭了气室B 与气室E的通道，此刻，气室E的气体就能被保持到这个压力值。在这状态下，比例阀的阀芯和继动阀的阀芯都维持平衡状态，此时

6、比例继动阀的输出压力和输入电流有一定的比例关系。如果有制动踏板信号的变化，或者车辆状态的变化，由EBS的ECU计算所需目标压力，目标压力变化使得比例继动阀的输入电流变化，各个阀体的力平衡状态被破坏，按上述的原理，阀芯重新进入平衡状态。电磁铁芯在控制单元的作用下向上回升，此时，球阀5脱离比例阀芯9，气室D 的气体压力降低，活塞17两边的动态平衡被破坏，活塞17上移，使活塞17的下端脱离阀座13。因此，气室E的压缩气体就从排气口排到大气中，比例继动阀的输出压力下降。电磁铁芯11下移又使球阀5和比例阀芯9接合，气室D的气压保持不变，气室E的气体在减压过程中从排气口排出一些，这样，气室E的压力降低，由

7、于此时气室D的压力大于气室E的压力，活塞17下移，又关闭了气室E与气室C的连通口，气室E的压力保持不变，这就是新的平衡状态；当驾驶员松开制动踏板时，EBS控制单元检测到此时的信号，停止对电磁铁通电，在弹簧6的作用下电磁铁芯上升，使球阀离开比例阀芯，这样气室D的气体由球阀座的通道进入大气，此时气室D的压力降为大气压，活塞17在弹簧的作用下上升，使活塞17的端与阀座13分离，气室E的气体进入到气室C，而气室C的气体由排气口排入大气。这就是恢复初期状态的过程。压力传感器15可以测量进入制动气室的压力值，并通过线b传递到EBS控制单元。通过对阀内部结构及工作原理的分析，决定采用PWM 方式控制阀芯动作

8、。使用MCS12DG128 芯片的PWM 控制接口，通过改变输出电压大小来改变阀芯控制电流的大小，从而改变阀门开度，实现压力可变控制。比例继动阀有五根引线，2 根为阀门控制线，3 根为压力传感器接线，其中压力传感器的接线中2 根为电源线（24v），另一根为返回值信号线（5V）。1.2 比例控制阀迟滞特性补偿控制1） 迟滞特性分析比例阀的输出信号与输入信号是成比例的。但实际上，由于阀芯结构等原因，输入信号是一条确定的曲线，但输出信号在上升和下降过程中的曲线不完全重合。也就是说，即使输入信号是某一个确定值，但对应的输出信号在上升和下降时是两个不同的数值，这两个数值的差值就是迟滞。比例继动阀的迟滞特

9、性非常明显，迟滞特性测量曲线如图1.2所示。迟滞特性产生的原因主要是：1、气压系统具有可压缩性；2、电磁阀阀芯的结构及运动时阀芯上的径向不平衡力的存在所导致的摩擦力。图1.2 比例继动阀的滞环特性曲线2） 补偿方法研究由于比例继动阀迟滞特性的存在，所以必须对其进行补偿，才能实现稳定精密的控制。根据过程控制的原理，前馈补偿对这种有明确偏移量的系统补偿效果较好，所以本文选用前馈补偿的方法补偿比例继动阀的迟滞特性。前馈控制方法有如下特点：（1） 前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故前馈控制又称为“功补偿”；（2）扰动发生后，前馈控制器“及时”功作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏

10、差比较有效；（3）前馈控制属于开环控制所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；（4）适合用来克服可测而不可控的扰动。滞环补偿环节的基本思路：将升压过程及降压过程简化为两条独立的曲线，升压过程中使用升压近似曲线来确定控制电流；降压过程中使用降压近似曲线来确定输出电流。对图1.2中稳态时的升压曲线和降压曲线进行近似的线性化，得到如下结果：a) 升压过程：P=10*(I-0.47)，当I=1.17 时，P 达到最大值不再上升；b) 降压过程：P=10*(I-0.09)，当I=0.79 时，P 达到最大值不再上升。从理论上来说，控制比例继动阀时，可以直接给相应的目标压力对应的控制电流。但是根

11、据主挂车制动一致性的要求，牵引车前轴增压的速度与牵引车后轴及挂车轴的增压速率应匹配，否则前轴增压速率过快将导致主挂车制动不协调。所以比例继动阀的增减压过程采用阶梯增减压法。本文中经过测试将阶梯增减压的控制电流步长设定为0.1A。滞环补偿环节的控制流程图如图1.3所示：图1.3 前馈补偿控制图其中：Pa 为气室目标压力（单位bar），Pt为气室实际压力，为目标气室压力对应的控制电流，为实际气室压力对应的控制电流，i 为比例继动阀控制电流。1.3 比例控制阀的闭环控制当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，

12、与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。本系统中采用PID控制算法，利用PID闭环控制的优点，可以获得良好的控制效果。从前馈控制的原理及其特点可以看出，前馈控制虽然对可测不可控的扰动有很好的抑制作用，但同时亦存在很大的局限，主要有（1）不能实现完全补偿；（2）只能克服可测不可控的扰动，对多扰动输入系统则无法消除其它扰动对被控参量的影响。所以单纯的前馈控制不能满足比例继动阀输出压力精密控制的要求。为克服前馈控制的局限性，可以选用前馈结合反馈的复合控制系统对比例继动阀进行控制。这样既

13、能发挥前馈控制可及时克服主要扰动对被控参量影响的特点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点，同时也降低了系统对前馈补偿器的要求。由于PID控制是闭环控制中的一种经典的方法，在工业控制中得到了广泛的应，所以本文选用PID 控制作为闭环控制方法，从而构建具有滞环补偿功能的比例继动阀前馈PID 闭环控制方法。因此，本文采用前馈结合PID控制的方法进行比例控制阀的控制，整体控制框图如下图所示。图1.4 PID控制框图输出压力的大小由压力PI环节决定，PID 调节可以使实际压力稳定在目标压力左右。合理确定PID 参数是得到好控制效果的前提，为了确定合理的PID 参数，用上面搭建的比例控制阀模型，调试

14、PID 参数，评价指标有压力控制稳定性、压力上升时间、超调、压力稳定化时间等。仿真结果表明在能够满足全控制压力范围的PID 参数不存在，而且考虑比例继动阀的阶跃响应特性，用切换控制来调整PID 参数就是对比例继动阀的合理的控制方法。分析有关仿真结果最终决定目标压力在00.3MPa 和0.30.7MPa 的两个范围内PID 参数分别5、3.8、0 和 0.1、10、0。此时平均压力稳定时间、压力上升时间、超调分别是在00.3MPa里0.4s、0.015、34.6%，在0.30.7MPa 里0.28s、0.184s、0。1.4 比例控制阀控制算法验证1. PID控制算法仿真验证运用搭建的仿真模型对

15、客车EBS系统比例控制阀的PID控制算法进行了离线仿真验证，离线仿真系统如图1.2所示。图1.5 Simulink验证模型目标压力 0.3MPa时有迟滞特性补偿控制和没有迟滞补偿控制的比例继动阀的压力响应特性仿真结果如图1.6所示。图1.6 比例继动阀补偿控制离线仿真结果从图1.6可以看出，有迟滞补偿的控制算法比没有补偿的控制算法明显的提高了比例继动阀响应时间，进而提高压力控制质量。2.控制算法的HIL试验验证为了确定本文的分段PID 参数并验证该组参数能否适用于不同的目标压力，在电控制动系统硬件在环实验台上进行了“不同压力下的响应时间测试”试验。“不同压力下的响应时间测试”实验台试验选取三种不同目标压力和工况：0.3MPa 的轻微制动工况、0.5MPa 的中等强度制动和0.7MPa 的紧急制动工况。首先让车辆模型加速到一定值，然后踩下控制踏板并保持，这时EBS 控制器根据踏板开度及踏板开度变化率确定目标制动减速度和相应的制动气室压力。根据目标气室压力和气室压力传感器实时测得的当前实际压力，比例继动阀前馈PID控制策略就可以控制底层阀体的动作，从而输出制动压力。这样就可以得到压力响应时间，从而确定该