专利名称：基于高速电磁阀的高精度压力控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及气压测试及模拟技术领域，具体涉及一种基于高速电磁阀的高精度压力控制系统。
背景技术：
大气参数模拟器可以为航天及航空领域的飞行器提供诸如静压、总压、马赫数、空速等大气参数的模拟，尤其是航天领域对大气参数模拟器的要求更高一些，其要求高精度气压控制、较快的响应速度。现有的大气参数模拟器主要是基于压力伺服阀/比例阀的气压控制系统，该气压控制系统的优点是装置结构相对简单，具有较好的控制精度；但是相应的缺点是压力伺服阀的加工较为困难，成本很高，而且难以实现较高压力的控制，响应速度较慢。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，即克服基于压力伺服阀/比例阀的压力控制方式响应速度慢、加工困难等局限性。为此目的，本发明提供一种基于高速电磁阀的高精度压力控制系统，该压力控制系统包括压力控制模块，其用于对大气参数进行控制和测量；PID 环路控制模块，其用于执行高精度压力闭环控制；PWM控制模块，其用于执行高速电磁阀的精密控制；以及气路模块，其根据所述压力控制模块的指令实际执行大气参数的控制和测量；该压力控制系统的特征在于，所述气路模块利用高速开关电磁阀来执行大气参数的控制。在优选实施方式中，所述气路模块包括气源、气压传感器、电磁阀以及气路通道， 所述气路通道用于所述气源、气压传感器、电磁阀之间的连通。在更优选的实施方式中，所述气源包括压力泵和真空泵，所述气压传感器包括用于静压通道的静压控制传感器和静压主传感器以及用于总压通道的总压主传感器和差压控制传感器，并且所述电磁阀包括用于静压通道的第一和第二高速开关电磁阀以及用于总压通道的第三和第四高速开关电磁阀。在进一步的优选实施方式中，所述压力控制模块包括粗调部分和细调部分，所述粗调部分采用快速响应的控制传感器进行压力测量，而所述细调部分采用高精度的主传感器进行压力测量。在更优选的实施方式中，所述粗调部分具体执行如下操作控制传感器输出对应于大气压力的模拟电压V。，CPU设置更新目标值I，将模拟电压V。与更新目标值\进行比较并输出误差信号I，对Ve信号执行PID运算，并将运算结果用于控制PWM信号的脉宽。在更优选的实施方式中，所述细调部分具体执行如下操作主传感器的压力测量结果首先送入静压及总压控制电路的CPU，然后与经过模数转换的控制传感器的测量值V。T 以及CPU设定的目标更新值\进行数学运算，运算结果经过数模转换后与控制传感器的电压值V。进行比较，将比较所得的差值送入模拟PID环路进行闭环控制。
本发明根据飞行器飞行轨迹实物及半实物仿真和飞行器上气压高度表、马赫数表、空速表的现场条件下的各项功能和性能技术指标测试要求，充分融合高精度气压控制技术、PID闭环控制参数的整定技术、高速电磁阀驱动电路设计技术、气路系统的密封技术和大气参数模型转换技术，实现了大气参数模拟和测量，具有模拟功能强、适应性强、操作使用方便、通用性强等特点。本发明满足飞行器飞行轨迹实物及半实物仿真和飞行器上气压高度表、马赫数表、空速表的现场条件下的各项功能和性能技术指标测试要求。简言之，根据本发明的基于高速电磁阀的压力控制系统具有结构简单、成本低廉、 工作可靠、便于计算机控制、可实现气路的微调和微控以及响应速度快等优点。
通过结合附图描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员将能更充分地理解本发明，附图中图1是根据本发明的基于高速电磁阀的高精度压力控制系统的原理框图；图2是根据本发明的压力控制模块粗调部分的原理框图；图3是根据本发明的压力控制模块细调部分的原理框图；图4是根据本发明的PWM控制模块的原理框图；图5是根据本发明的气路模块的原理框图。
具体实施例方式下面对本发明的优选实施方式的描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用或用途。应当指出的是，尽管该优选实施方式披露了本发明的各种具体结构和细节，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围不限于这些结构和细节，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域技术人员能够对这些结构和细节做出修改或等同替换，修改或替换后的实施方案也将落入本发明的保护范围之内。如本申请中使用的，术语“模块”意指下列各项专用集成电路(ASIC)、电子电路、 组合逻辑电路、场可编程门阵列(FPGA)、执行编码的处理器(共享的、专用的或成组的)、提供所述功能的其他适当部件；或者上述部分或所有部件的组合。术语“模块”可包括存储器 (共享的、专用的或成组的)，所述存储器存储由处理器执行的编码。首先参阅图1，该图示出了根据本发明的基于高速电磁阀的高精度压力控制系统的原理框图。本发明的基于高速电磁阀的高精度压力控制系统包括压力控制模块、PID环路控制模块、PWM控制模块以及气路模块。压力控制模块用于对气压等大气参数进行控制和测量。PID环路控制模块用于执行对压力的高精度闭环控制。PWM控制模块用于实现对高速电磁阀的精密控制。气路模块是实现对气压等大气参数进行控制和测量的气动执行机构。如图所示，当本发明的压力控制系统接收到来自主控制模块(即上位机)的目标压力值后，控制传感器先参与环路控制，其将测量电压值V。与CPU产生的目标电压值\进行比较，其差值V。被送入PID控制环路，所产生的PID控制误差与三角波发生器进行比较， 比较结果即为驱动高速电磁阀的PWM信号，该信号控制高速电磁阀进行充放气。当控制压力接近目标值时，主传感器参与环路控制。在这个闭环控制电路中，关键环节在于系统精度与响应时间的控制、PID环路设计以及PWM控制。现在参阅图2和3，其中示出了压力控制模块的原理框图。该压力控制模块将高精度传感器与低精度传感器相结合，采用粗调与细调两个部分的压力控制来满足系统的对高精度及快速响应指标的要求。如图2所示，压力控制模块粗调部分的具体过程如下为了保证系统的响应时间指标，采用响应时间较短的控制传感器进行压力测量，控制传感器将压力测量结果(模拟电压量)直接送入到模拟PID环路进行闭环控制，使其控制精度接近目标值。在图中，V。为控制传感器输出的模拟电压(对应大气压力)，t为CPU设置的更新目标值，Ve为误差信号输出。\信号经过PID运算之后用来控制脉宽调制(PWM)信号的脉宽。如图3所示，压力控制模块细调部分的具体过程如下当系统精度快速调节接近目标值时，控制传感器感受不到高于其测量精度范围的微小变化，此时为了保证系统的控制精度指标，需采用高精度主传感器来进行压力测量。主传感器的压力测量结果首先送入静压及总压控制电路的CPU，然后与经过模数转换之后的控制传感器的测量值V。T以及CPU 设定的目标更新值\进行数学运算，其结果经过数模转换后与控制传感器的电压值V。进行差值比较，其结果送入模拟PID环路进行闭环控制，使系统的气压控制精度达到要求。尽管没有在附图中示出，但是如上所述，PID环路控制模块用于实现对压力的高精度闭环控制，这种闭环控制是本领域中已知的，因而此处不再赘述。接下来参阅图4，该图示出了 PWM控制模块的原理框图。如上所述，PWM控制模块用于实现对高速电磁阀的精密控制。具体而言，控制传感器输出的模拟电压V。与CPU设置的更新目标值\之间的差值\被送入PID控制环路进行运算，所产生的PID控制误差与三角波发生器的输出值进行比较，比较结果即为驱动高速电磁阀的PWM信号。最后参阅图5，图中示出了气路模块，该气路模块是用于对气压等大气参数进行控制和测量的气动执行机构，其包括气源，例如压力泵和真空泵；气压传感器，例如静压控制传感器、静压主传感器、总压主传感器以及差压控制传感器；电磁阀，例如高速开关电磁阀1-4 ；以及气路通道，例如上述各部件之间的气路通道。仅作为示例，压力气源-即压力泵的最高压力为0. 5Mpa (绝压)，真空气源-即真空泵的真空度为2. Okpa (绝压)；电磁阀为直动式电磁阀，工作压力范围为2. Okpa-O. 5Mpa(绝压)；气压传感器要求为精度0.01% FS， 输出为数字量，自带温度补偿，气压范围3. 5Kpa-135Kpa (静压)，3. 5Kpa-350Kpa(总压)。具体到静压通道，当工作于控制模式下时，高速开关电磁阀1、高速开关电磁阀2 用于静压通道的充放气控制，静压控制传感器和静压主传感器测量气容I(Ps)的压力值，测量结果被送入PID控制环路，然后产生PWM信号，所述PWM信号控制高速开关电磁阀1和2 对气容1进行动态压力控制，当压力控制值即将接近目标值时采用控制传感器达到气路的快速响应，之后进入气路稳定时，用主传感器工作以获得满足指标要求的控制精度。类似地，当工作于控制模式下时，高速开关电磁阀3、高速开关电磁阀4用于总压通道的充放气控制，总压控制传感器和总压主传感器测量气容2 (Pt)的压力值，测量结果被送入PID控制环路，然后产生PWM信号，所述P丽信号控制高速开关电磁阀3和4对气容2进行动态压力控制。尽管已参照优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些具体实施方式
，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征进行拆分、组合和改变，拆分、组合和改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于高速电磁阀的高精度压力控制系统，包括压力控制模块，其用于对大气参数进行控制和测量；PID环路控制模块，其用于执行高精度压力闭环控制；PWM控制模块，其用于执行高速电磁阀的精密控制；以及气路模块，其根据所述压力控制模块的指令实际执行大气参数的控制和测量；其特征在于，所述气路模块利用高速开关电磁阀来执行大气参数的控制。
2.如权利要求1所述的高精度压力控制系统，其特征在于，所述气路模块包括气源、气压传感器、电磁阀以及气路通道，所述气路通道用于所述气源、气压传感器、电磁阀之间的连通。
3.如权利要求2所述的大气参数模拟器，其特征在于，所述气源包括压力泵和真空泵， 所述气压传感器包括用于静压通道的静压控制传感器和静压主传感器以及用于总压通道的总压主传感器和差压控制传感器，并且所述电磁阀包括用于静压通道的第一和第二高速开关电磁阀以及用于总压通道的第三和第四高速开关电磁阀。
4.如权利要求1至3中任一项所述的高精度压力控制系统，其特征在于，所述压力控制模块包括粗调部分和细调部分，所述粗调部分采用快速响应的控制传感器进行压力测量， 而所述细调部分采用高精度的主传感器进行压力测量。
5.如权利要求4所述的大气参数模拟器，其特征在于，所述粗调部分具体执行如下操作控制传感器输出对应于大气压力的模拟电压V。，CPU设置更新目标值Vp将模拟电压V。 与更新目标值1进行比较并输出误差信号\，对\信号执行PID运算，并将运算结果用于控制PWM信号的脉宽。
6.如权利要求5所述的大气参数模拟器，其特征在于，所述细调部分具体执行如下操作主传感器的压力测量结果首先送入静压及总压控制电路的CPU，然后与经过模数转换的控制传感器的测量值ν。τ以及CPU设定的目标更新值\进行数学运算，运算结果经过数模转换后与控制传感器的电压值V。进行比较，将比较所得的差值送入模拟PID环路进行闭环控制。
全文摘要
本发明涉及气压测试及模拟技术领域，旨在解决基于比例阀的压力控制方式响应速度慢、加工困难等问题。为此目的，本发明提供一种基于高速电磁阀的高精度压力控制系统，该压力控制系统包括压力控制模块，其用于执行对大气参数的控制和测量；PID环路控制模块，其用于执行对压力的高精度闭环控制；PWM控制模块，其用于执行对高速电磁阀的精密控制；以及气路模块，其根据所述压力控制模块的指令实际执行大气参数的控制和测量；其特征在于，所述气路模块利用高速开关电磁阀来执行大气参数的控制。采用本发明的压力控制系统，能够获得结构简单、成本低廉、响应速度快等有益效果。
文档编号G05D16/20GK102385397SQ20111029070
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者杨水旺 申请人:北京振兴计量测试研究所