比例ASCO世格电磁阀开环-闭环复合控制算法

ASCO世格电磁阀为研究对象，以快速建立具有良好性能的通用控制算法为目标，以充分利用电磁阀的响应特性为途径，提出了将开环控制和闭环控制相结合的开环-闭环复合控制算述了控制算法的模型结构和设计过程。不同于将误差作为输入的常规控制算法，复合控制算法同时将目标值和误差作为控制器的输入。以电磁阀响应特性实验为基础，根据电磁阀的稳态特性建立开环控制表，消除系统的稳态非线性;根据电磁阀的瞬态特性设计闭环控制器和滞后特性预估修正模块，降低模型误差和滞后特性的影响，提高动态响应性能。实验结果验证了复合控制算法的控制精度、响应速度和鲁棒性。

在施肥、灌溉、喷药、驱动、变速器等设备中广泛应用比例电磁阀对压力或流量进行控制。由于比例阀在主要工作区间内具有良好的线性，当控制性能要求不高时，采用简单的PID 控制算法即能基本满足要求。随着精准农业对控制精度、动态性能、全工况调节性能和稳定性的要求逐渐提高，则需要设计性能更加的控制器。

提高控制性能的措施主要包括优化电磁阀结构和改进控制算法两个方面。在控制算法方面，之前也发布的很多文章中针对具体应用场合设计了不同的控制算法。为了在提高控制算法性能的同时，促进控制算法的模块化和通用化，本文提出一种针对比例电磁阀控制算法的设计流程，按照该流程即可获得具有良好控制性能的控制算法，以某反比例溢流阀为例，论述控制算法的设计过程和控制效果。

1、电磁阀特性实验与建模

　　1.1、电磁阀特性实验

　　以某反比例溢流阀作为控制对象，油泵由发动机驱动，通过调节占空比控制液压缸的压力。电磁阀特性实验包括稳态特性实验和瞬态特性实验。稳态压力主要影响因素为占空比和油泵转速，部分实验结果如图1a 所示。稳态压力在主要压力范围内线性度良好，具有明显的饱和特性和回滞特性。占空比一定时，油泵转速越高，压力越大，当转速超过3000r/min时，其对压力的影响已不明显。将相互对应的两条回滞曲线进行平均，并做平滑处理，得到平均稳态压力特性，如图1b 所示。

(a)部分稳态压力实验结果 (b)平均稳态压力特性图

　　瞬态特性实验是测试不同转速下占空比阶跃变化时的压力响应过程，包括阶跃上升和阶跃下降两个过程，结果如图2 所示。可以看出，瞬态压力变化过程有3 个特点：

　　①压力的响应延迟时间约为0.03s，并且与转速无关。

　　②响应过程中存在压力波动，可近似为二阶系统。

　　③不同转速下的压力上升过程略有差别，转速越高，响应速度越快，但不同转速下的压力下降过程则基本重合。

(a)阶跃上升 (b)阶跃下降

4、结论

　　(1) 对比例ASCO世格电磁阀的稳态和瞬态响应特性进行实验，将电磁阀的响应特性分为稳态饱和特性、二阶动态响应特性和滞后特性，建立电磁阀的简化传递函数模型。

　　(2) 结合以目标值为输入的开环控制和以误差为输入的闭环控制，形成开环-闭环复合控制，可更有效地利用系统信息。根据稳态特性建立开环控制表，闭环控制器根据误差对控制量或控制目标进行修正，不同于以误差作为输入的常规控制方法，复合控制同时将目标值和误差作为控制器的输入。

　　(3) 将复合控制算法应用于电磁阀压力控制，根据电磁阀的3 个特性分别设计了开环控制表、闭环控制器和滞后特性预估修正模块，制定了控制算法的设计流程。实验和应用结果验证了开环-闭环复合控制算法的控制精度、响应速度和鲁棒性。

电控单体泵应用于柴油机上，是可满足排放法规和改善燃油经济性的时间控制式燃油喷射系统。高速电磁阀是其关键部件之一，它的快速响应直接影响了喷油系统的喷油量、喷油定时等关键特性。电磁阀的电磁力大小决定了其快速响应性能。目前研究只限于对电磁阀电磁力的单因素影响分析，未分析全工况平面内各种因素变化对电磁力的影响和对电磁力的贡献程度。本文在Ansoft软件环境下建立电控单体泵高速电磁阀三维有限元仿真计算模型，并试验验证了仿真模型的准确性，然后应用仿真模型研究了电控单体泵高速电磁阀全工况平面内铁芯磁极长度、线圈匝数、线圈位置、衔铁厚度、阻尼孔位置和大小等参数变化对电磁力的影响，并对电磁力的变化进行量化分析，得出各参数对电磁力影响的百分比量化指标，从而得到全工况平面内影响电磁力的关键参数，为电磁阀的优化设计提供理论指导。

1、电磁阀结构组成和工作原理

　　电控单体泵电磁阀主要包括电磁铁、衔铁、控制阀杆、衔铁复位弹簧、出油堵头等零部件。其中，电磁铁主要由铁芯、励磁线圈、封装外壳等组成。通电后，电磁铁吸合衔铁，拉动控制阀杆，关闭密封锥面，切断燃油回路，从而在泵腔内建立起燃油喷射所需的高压;断电后，复位弹簧迫使衔铁推动控制阀杆复位，密封锥面被开启，卸载泵腔内的高压燃油，停止燃油喷射。该方式实现了对燃油喷射过程的数字控制，改变了传统喷油泵的机械控制方式，对喷油量和喷油定时的控制通过调节控制阀杆的闭合时间长度和闭合时刻来实现。

电控单体泵及其电磁阀结构图

5、结论

　　(1)验证了Ansoft建立的高速电磁阀三维有限元模型的准确性，利用仿真模型得到了电控单体泵电磁阀全工况平面内各参数对电磁力的影响规律。