电液比例移动控制器的控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压技术领域，尤其涉及电液比例移动控制器的控制装置及其控制方法。

背景技术

电液比例控制系统是以电液比例阀或电液比例变量泵为主要控制元件的电液控制系统。这种系统按输入信号的大小和极性成比例地连续控制液流的压力、流量和流向。电液比例阀是一种把连续变化的电输入信号成比例地转换成液压输出信号的电液转换元件，在液压控制中获得了十分广泛的应用，电液比例控制器是将控制信号转换为适应于比例控制阀的功率驱动信号的器件。电液比例控制器的控制精度决定了液压执行机构的执行精度，决定了液压控制的精度。然而，现有的电液比例控制器仍然存在控制精度低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的电液比例控制器存在控制精度低的问题，本发明提供一种电液比例移动控制器的控制装置及其控制方法，能够保证在无超调的基础上，提高电液比例移动控制器的控制精度和输出的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电液比例移动控制器的控制方法，包括以下步骤：

S1、初始化电液比例移动控制器；

S2、建立所述电液比例移动控制器的输入信号与输出信号之间的变化关系A；

S3、采集实际的输入信号，根据所述变化关系A,所述电液比例移动控制器形成初始输出信号OUT1；

S4、采用分段式PID自适应算法对所述初始输出信号OUT1进行调节，得到最终输出信号OUT2。

进一步的，所述输入信号为0-10V电压信号、4-20mA电流信号、阻值信号、PWM信号、CAN信号；所述输出信号为电流信号。

进一步的，所述电液比例移动控制器通过输出高电平或低电平以实现对不同输入信号的采样，采样后，将不同的所述输入信号进行滤波处理，并将不同的输入信号转换成统一的数据格式。

进一步的，步骤S2中的变化关系A的建立过程包括：

获取所述输入信号与最终控制量之间的对应关系B；

获取输入信号的多个采样点对应的输出信号点；

对所有的所述最终控制量点和输出信号点进行多点拟合，得到所述最终控制量与输出信号之间的关系曲线C；

根据所述关系曲线C以及对应关系B，得到输入信号与输出信号之间的变化关系A。

进一步的，当最终控制量不变，仅输入信号的类型改变时，所述关系曲线C不变，根据所述输入信号的类型自动切换采样点。

进一步的，所述分段式PID自适应算法包括：

按照PID默认的控制参数Kp、Ki、Kd对所述初始输出信号OUT1进行第一次PID调节，当所述初始输出信号OUT1达到稳定时，判断是否出现超调情况，若是，则将控制参数Kp减小后再次进行PID调节直至满足无超调情况；

若再次PID调节后已无超调情况，则继续判断初始输出信号OUT1的响应速度是否达到要求，若响应速度较慢，则将控制参数Ki增大后再次进行PID调节直至响应速度满足要求；

当控制参数Kp、Ki满足要求后，继续对控制参数Kd进行调整直至初始输出信号OUT1的稳定性满足要求；

当控制参数Kp、Ki、Kd均满足要求后，分段式PID自适应算法调整结束，将满足要求的控制参数Kp、Ki、Kd进行保存，当分段式PID自适应算法再次启用时，能够直接使用调整后的控制参数Kp、Ki、Kd对初始输出信号OUT1进行调节。

进一步的，还包括：

设置所述输入信号、最终输出信号OUT以及电源电压的幅值；对所述输入信号、最终输出信号OUT以及电源电压进行监测，若发现任意一者超限，则进行故障报警。

进一步的，还包括：

配置所述电液比例移动控制器的输入输出模式，所述输入输出模式包括：1路输入信号对应1路输出信号、1路输入信号分别对应2路输出信号、2路输入信号分别对应2路输出信号。

进一步的，所述初始化过程包括：驱动初始化和业务逻辑初始化，所述驱动初始化包括：PLL时钟初始化、EEPROM初始化、PWM初始化、ADC初始化、Timer初始化和CAN总线初始化；所述业务逻辑初始化包括：系统设置初始化、过程处理初始化、命令处理初始化和系统监视初始化。

本发明还提供一种电液比例移动控制器的控制装置，采用所述的控制方法，所述控制装置包括：

初始化模块，用于初始化电液比例移动控制器；

多点拟合模块，用于建立所述电液比例移动控制器的输入信号与输出信号之间的变化关系A；

输入输出模块，用于采集实际的输入信号，根据所述变化关系A,所述电液比例移动控制器形成初始输出信号OUT1；

PID调节模块，用于采用分段式PID自适应算法对所述初始输出信号OUT1进行调节，得到最终输出信号OUT2。

本发明的有益效果是，本发明的电液比例移动控制器的控制方法及其控制装置，本发明通过建立变化关系A、采用分段式PID自适应算法对初始输出信号OUT1进行调节两个环节，能够显著提高输出信号的控制精度，改善了传统控制器存在输出信号波动大、抗干扰能力弱的问题。通过硬件电路和软件相结合的方式，可以实现单片机的同一I/O口对不同类型的输入信号进行采样，有利于减少控制芯片的I/O口的使用数量，简化电路结构，节约成本。本发明还可以提供多种配置模式，满足用户不同的使用需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电液比例移动控制器的控制方法的流程图。

图2是本发明的输入信号采集的硬件框图。

图3是本发明的输入信号采集的电路图。

图4是本发明的多点拟合的流程图。

图5是本发明的输出电流与最终控制量之间的拟合曲线图。

图6是本发明的分段式PID自适应算法的流程图。

图7是现有技术PID调节的效果图。

图8是本发明的PID调节的效果图。

图9是本发明的控制方法的整体流程图。

图10是本发明的电液比例移动控制器的控制装置的结构框图。

图中：1、初始化模块；2、多点拟合模块；3、输入输出模块；4、PID调节模块；6、信号输入模块；7、信号输出模块；8、信号处理模块；9、故障报警模块；10、配置模块；11、Flash管理模块；12、通信模块；51、第一处理电路；52、第二处理电路；53、第三处理电路；55；第四处理电路；56、主线路。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。

如图1所示，本发明的电液比例移动控制器的控制方法，包括以下步骤：

S1、初始化电液比例移动控制器。

S2、建立电液比例移动控制器的输入信号与输出信号之间的变化关系A。

S3、采集实际的输入信号，根据变化关系A,电液比例移动控制器形成初始输出信号OUT1。

S4、采用分段式PID自适应算法对初始输出信号OUT1进行调节，得到最终输出信号OUT2。

需要说明的是，输出信号即为电液比例移动控制器输出的控制信号，该控制信号用于驱动比例阀工作。本方法通过建立输入信号与输出信号之间的变化关系A能够保证输出信号与最终控制量之间保持线性关系，有利于提高控制精度；采用分段式PID自适应算法对初始输出信号OU1进行调节，可以进一步提升控制精度，还能提高电液比例移动控制器的响应速度和稳定性。换言之，本发明通过建立变化关系A、采用分段式PID自适应算法对初始输出信号OUT1进行调节两个环节，能够显著提高输出信号的控制精度(控制精度可以达到微安级别，且误差稳定在1％以内)，改善了传统控制器存在输出信号波动大、抗干扰能力弱的问题。

需要说明的是，初始化过程包括：驱动初始化和业务逻辑初始化，驱动初始化包括：PLL时钟初始化、EEPROM初始化、PWM初始化、ADC初始化、Timer初始化和CAN总线初始化；业务逻辑初始化包括：系统设置初始化、过程处理初始化、命令处理初始化和系统监视初始化。

需要说明的是，本发明的输入信号可以是0-10V电压信号、4-20mA电流信号、阻值信号、PWM信号、CAN信号等多种类型的信号，输出信号主要为电流信号。不同的输入信号可以通过硬件和软件的配合实现切换被电液比例移动控制器内的控制芯片(例如是单片机)采集。例如，如图2和图3所示，硬件电路包括第一处理电路51、第二处理电路52、第三处理电路53、第四处理电路55以及主线路56。

主线路56包括输入端口IN1、电容C52、电阻R24、电阻R25、电阻R34、二极管D14B、二极管D14A和输出端口INPUT1，电容C52的一端与输入端口IN1连接，C52的另一端接地，电阻R24的一端与输入端口IN1连接，电阻R25的一端与输入端口IN1连接，电阻R25的另一端与输出端口INPUT1连接，电阻R34的一端与电阻R25的另一端连接，电阻R34的另一端接地，二极管D14A的阴极与3.3V电源连接，二极管D14A的阳极与二极管D14B的阴极连接，二极管D14B的阳极接地，二极管D14A的阳极与输出端口INPUT1连接。

第一处理电路51包括：三极管Q3B、电阻RN8A和电阻RN8B，三极管Q3B的发射极与3.3V电源连接，三极管Q3B的集电极与电阻R24的另一端连接，三极管Q3B的基极通过电阻RN8A与控制芯片连接，电阻RN8B的一端与三极管Q3B的发射极连接，电阻RN8B的另一端与三极管Q3B的基极连接。第二处理电路52包括：电容C53和NMOS管Q5B，电容C53的一端与输入端口IN1连接，电容C53的另一端与NMOS管Q5B连接，NMOS管Q5B与控制芯片连接。第三处理电路53包括：电阻R27和NMOS管Q4B，电阻R27的一端与输入端口IN1连接，电阻R27的另一端与NMOS管Q4B连接，NMOS管Q4B与控制芯片连接。第四处理电路54包括：电阻R26、电阻R28、三极管Q2B、电阻RN8C和电阻RN8D，电阻R26和电阻R28之间串联，电阻R26与输入端口IN1连接，电阻R28与三极管Q2B的集电极连接，三极管Q2B的发射极接地，三极管Q2B的基极通过电阻RN8C与控制芯片连接，电阻RN8D的一端与三极管Q2B的发射极连接，电阻RN8D的另一端与三极管Q2B的基极连接。

当输入信号为模拟量信号(0-10V电压信号、4-20mA电流信号、阻值信号)时，第二处理电路52被激活，电容C53可以过滤模拟量信号中的高频噪声；当输入信号为数字量信号(PWM信号、CAN信号)时，第二处理电路52关闭，防止电容C53对数字量信号中的高频信号产生干扰。

三极管Q3B为PNP型，三极管Q2B为NPN型，三极管Q3B、三极管Q2B、NMOS管Q5B和NMOS管Q4B相当于“开关”，当控制芯片发送高电平时，三极管Q3B关闭，三极管Q2B、NMOS管Q5B和NMOS管Q4B打开；当控制芯片发送低电平时，三极管Q3B打开，三极管Q2B、NMOS管Q5B和NMOS管Q4B关闭。二极管D14A和D14B对输入控制芯片的电压起限制作用，确保进入控制芯片的电压在-0.6V～3.9V之间，从而对I/O口起到保护作用。C52是滤波电容，用于给输入信号进行高频滤波。

当输入信号为阻值信号时，第一处理电路51和第二处理电路52被导通，输入的阻值信号可以转变为电压信号，通过电阻R24、R25和R34分压后，使得进入控制芯片的I/O口的电压范围为0～1V(符合控制芯片的AD采样要求)。例如，电阻R25的阻值为10KΩ，电阻R24的阻值为22.1KΩ，电阻R34的阻值为15KΩ。

当输入信号为0～10V的电压信号时，第三处理电路53和第二处理电路52被导通，输入的电压信号经过电阻R25、R27和R34的分压后，使得进入控制芯片的I/O口的电压范围为0～3V(符合控制芯片的AD采样要求)。例如，电阻R27的阻值为5.6KΩ。

当输入信号为4mA～20mA的电流信号时，第四处理电路54和第二处理电路52被导通通，输入的电流信号被分为两路，一路经过电阻R26、R28流入GND(接地)，另一路经过电阻R25、R34，控制芯片的I/O口读取电阻R34的电压值进行采样，输入控制芯片的电压范围为0～3V(符合控制芯片的AD采样要求)。例如，电阻R26和R28的阻值均为100Ω。

当输入信号为PWM信号或CAN信号时，三极管Q3B、三极管Q2B、NMOS管Q5B和NMOS管Q4B均被关闭，此时，控制芯片的I/O口需要配置为PWM输入捕获模式或CAN信号捕获模式，对输入的PWM信号或CAN信号进行采集。

由此，电液比例移动控制器可以通过硬件电路和软件(输出高、低电平，模式切换)相结合的方式，可以实现单片机的同一I/O口对不同类型的输入信号进行采样，有利于减少控制芯片的I/O口的使用数量，简化电路结构，节约成本。控制芯片对输入信号进行采样后，可以对输入信号进行滤波处理(例如卡尔曼滤波、均值滤波、中值滤波等方式)，减少干扰项；并且，将滤波后的输入信号进行数据格式转换，将不同类型、不同量程的输入信号转换成统一的数据格式，有利于提高后续处理的效率。

如图4所示，步骤S2、建立电液比例移动控制器的输入信号与输出信号之间的变化关系A，具体包括：获取输入信号与最终控制量之间的对应关系B；获取输入信号的多个采样点对应的输出信号点；对所有的最终控制量点和输出信号点进行多点拟合，得到最终控制量与输出信号之间的关系曲线C；根据关系曲线C以及对应关系B，得到输入信号与输出信号之间的变化关系A。

需要说明的是，最终控制量例如是压力值，在实际应用中，液压阀的流量-电流关系、压力-电流关系并不是绝对线性的，但是输入信号与最终控制量之间是按照线性关系处理的，因此，需要将输入信号与输出信号之间进行拟合，使得输入信号与最终控制量之间满足线性关系的条件下，提高输出信号的精度。首先，获取输入信号与最终控制量之间的对应关系B，例如，0-10V的输入信号对应控制压力值0-20Mpa(该对应关系可根据实际数据获取，不同的输入信号与控制压力值之间的对应关系可以不同)，根据线性换算，可以得到多个坐标点(1,2)、(2,4)、(3,6)、(4,8)、(5,10)、(6,12)、(7,14)、(8,16)、(9,18)、(10,20)，横坐标表示输入信号，纵坐标表示控制压力值，即，0-10V的输入信号与控制压力值之间的对应关系B为：控制压力值＝2*输入电压值。得到对应关系B后，根据输入信号的采样点开环调整输出电流，并观察最终控制量的变化，当最终控制量达到该采样点对应的数值时，记录此时的输出电流，以此类推，直至得到所有的采样点对应的输出电流。例如，输入信号为1V，开环调整输出电流，当最终的控制压力值达到2Mpa时，记录1V所对应的输出电流I

换言之，本方法先建立输入信号与最终控制量之间的线性关系，然后拟合输出电流与最终控制量之间的变化关系，最后再得到输入信号与输出信号之间的对应关系，由此，可以在满足输入信号与最终控制量之间的线性关系的前提下，提高输出信号的控制精度。如果不采取拟合方式，那么输出电流与最终控制量之间也会默认成线性关系，那么输出电流的控制误差会非常大。

此外，本发明的输入信号的类型可以是多样的，当最终控制量不变，仅输入信号的类型改变时，关系曲线C不变，根据输入信号的类型自动切换采样点。例如，输入信号从0-10V变为4-20mA时，多个坐标点切换为(5.6,2)、(7.2,4)、(8.8,6)、(10.4,8)、(12,10)、(13.6,12)、(15.2,14)、(16.8,16)、(18.4,18)、(20,20)，对应关系B为：控制压力值＝1.25*输入电流值-5。用户无需重新拟合关系曲线C，可以根据新的对应关系B和关系曲线C得到4-20mA的输入信号与输出信号之间的变化关系A。由此，可以为用户节省运算时间，提高信号输出的效率。

如图6所示，分段式PID自适应算法包括：按照PID默认的控制参数Kp、Ki、Kd对初始输出信号OUT1进行第一次PID调节，当初始输出信号OUT1达到稳定时，判断是否出现超调情况，若是，则将控制参数Kp减小后再次进行PID调节直至满足无超调情况。若再次PID调节后已无超调情况，则继续判断初始输出信号OUT1的响应速度是否达到要求，若响应速度较慢，则将控制参数Ki增大后再次进行PID调节直至响应速度满足要求。当控制参数Kp、Ki满足要求后，继续对控制参数Kd进行调整直至初始输出信号OUT1的稳定性满足要求。当控制参数Kp、Ki、Kd均满足要求后，分段式PID自适应算法调整结束，将满足要求的控制参数Kp、Ki、Kd进行保存，当分段式PID自适应算法再次启用时，能够直接使用调整后的控制参数Kp、Ki、Kd对初始输出信号OUT1进行调节。

需要说明的是，PID控制器(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器)，由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成，通过Kp、Ki和Kd三个参数设定。因此，PID调节的关键在于Kp、Ki和Kd三个参数的选择。在液压控制领域中，超调量、响应速度、稳定性共同构成了对控制器的评判指标，其中，超调量是最关键的一个指标，无论是压力控制还是流量控制，在大部分应用场景是不允许出现超调的(即调整后输出的控制量不能超过幅值)，否则可能出现对液压系统不可逆的损伤。但是，现有的PID调整算法，对于输出信号的调整趋势是上下波动然后逐渐趋于稳定(如图7所示)，这种调整方式在某一些时刻仍然是超调的，因此无法适用于本发明的场景。

本发明的分段式PID自适应算法，先按照默认的控制参数Kp、Ki、Kd对初始输出信号OUT1进行第一次PID调节，当输出信号趋于稳定后，判断是否存在超调情况，如果有，则将控制参数Kp进行减小一个微量(该微量例如是Kp的默认值的1％)，用减小后的Kp以及默认的Ki、Kd再次进行PID调节，当输出信号趋于稳定后，再次判断是否出现超调情况，若仍有超调情况，则继续减小Kp，若此时已无超调情况，则保持最后一次调整的Kp不变，然后对控制参数Ki进行调整，按照最后一次调整的Kp以及默认的Ki、Kd进行PID调节，当输出信号趋于稳定后，判断输出信号输出的响应速度是否满足要求，如果响应速度较慢，则将Ki增大一个微量(该微量例如是Ki的默认值的1％)，用最后一次调整的Kp、增大后的Ki以及默认的Kd再次进行PID调节，当响应速度满足要求后，记录此时的Ki。当控制参数Kp、Ki满足要求后，继续对控制参数Kd进行调整直至初始输出信号OUT1的稳定性满足要求。换言之，本发明依次对控制参数Kp、Ki、Kd进行自适应调整，使得经过PID算法调节的输出信号能够满足无超调、响应速度快、稳定性好三个要求。，每一个控制参数调整后，都会使得控制压力值的曲线发生变化，如果直接同时对这三个控制参数进行调整，那就导致无法通过曲线形态的变化得到每个控制参数的最优值。因此，本发明采用对控制参数Kp、Ki、Kd一个一个依次进行调整的方式进行，可以提高参数调整的精度。采用本实施例的分段式PID自适应算法调节的输出信号变化趋势如图8所示。当控制参数Kp、Ki、Kd均满足要求后，分段式PID自适应算法调整结束，将满足要求的控制参数Kp、Ki、Kd进行保存，当下一次调用分段式PID自适应算法时，能够直接使用调整后的控制参数Kp、Ki、Kd对初始输出信号OUT1进行调节。在大部分工况下，调整后的控制参数Kp、Ki、Kd是能够满足使用需求的，无需多次重复调整。并且，本申请在调整时，均是微量调整(每次的调整量均为默认值的1％)，在调整过程中不会损坏阀。

也就是说，本发明通过多点拟合提高输出信号的控制精度，在此基础上，通过分段式PID自适应算法进一步提高输出信号的控制精度，由此，可以保证控制器的控制误差在1％以内。另外，分段式PID自适应算法还能够避免超调现象、提高输出信号的响应速度和稳定性。

如图9所示，本控制方法还包括：设置输入信号、最终输出信号OUT以及电源电压的幅值；对输入信号、最终输出信号OUT以及电源电压进行监测，若发现任意一者超限，则进行故障报警。例如，故障报警信息可以通过CAN总线报文输出或者指示灯形式输出，故障报警程序中共设置了输入信号超限报警、输出信号超限报警、电源电压超压报警等8种故障报警，如果通过指示灯报警，可以采用改变灯光闪烁频率和灯光颜色的方式传递报警信息。指示灯的数量可以是多个。当电液比例移动控制器出现故障时，程序会自动切断输出，保证后端设备、工作人员的安全。

本发明的控制方法还包括：配置电液比例移动控制器的输入输出模式，输入输出模式包括：1路输入信号对应1路输出信号、1路输入信号分别对应2路输出信号、2路输入信号分别对应2路输出信号。每一路输入均可以接收不同类型的输入信号，多路输出信号可以分别驱动不同的比例阀。由此，本方法可以提供多种配置模式供用户选择，适应不同的需求。

本发明的控制方法，采用多点拟合、分段式PID自适应算法，在保证输出信号无超调的基础上，提高了电液比例移动控制器的控制精度和信号输出的稳定性，输出电流的控制精度可以达到微安级别且电流稳定裕度在1％以内。并且，本发明还可以兼容多种类型的输入信号，满足用户现场多样化的使用需求。

如图10所示，本发明还提供一种电液比例移动控制器的控制装置，采用上述的控制方法。控制装置包括：初始化模块1，用于初始化电液比例移动控制器；多点拟合模块2，用于建立电液比例移动控制器的输入信号与输出信号之间的变化关系A；输入输出模块3，用于采集实际的输入信号，根据变化关系A,电液比例移动控制器形成初始输出信号OUT1；PID调节模块4，用于采用分段式PID自适应算法对初始输出信号OUT1进行调节，得到最终输出信号OUT2。本控制装置还包括：信号输入模块6，用于不同类型的输入信号的输入；信号输出模块7，用于输出信号的输出；信号处理模块8，用于对输入信号进行格式转换、滤波处理；故障报警模块9，用于故障信息报警、输出；配置模块10，用于配置输入信号的类型、输入信号的限幅、输出信号的限幅、斜坡设置、颤振频率设置、信号频率设置等；Flash管理模块11，用于存储bootloader部分、配置参数、程序运行日志等，bootloader在本发明中是通过CAN总线实现的，用户通过报文即可将固件程序下发到控制芯片中，升级结束后软件再跳出bootloader环节，执行主控制程序；通信模块12，用于与上位机、下位机进行通信。

本发明实施例提供的控制装置的相关部分的说明请参见本发明实施例提供的控制方法对应部分的详细说明，在此不再赘述。

综上所述，本发明的电液比例移动控制器的控制方法及其控制装置，本发明通过建立变化关系A、采用分段式PID自适应算法对初始输出信号OUT1进行调节两个环节，能够显著提高输出信号的控制精度(控制精度可以达到微安级别，且误差稳定在1％以内)，改善了传统控制器存在输出信号波动大、抗干扰能力弱的问题。通过硬件电路和软件相结合的方式，可以实现单片机的同一I/O口对不同类型的输入信号进行采样，有利于减少控制芯片的I/O口的使用数量，简化电路结构，节约成本。本发明还可以提供多种配置模式，满足用户不同的使用需求。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。