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（已结贴）-工控擂台-怎么校验仪表的回差、死区和滞环？
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发表于： 18:30:03 楼主
怎么校验仪表的回差、死区和滞环？
能结合实际例子的回答、原创最多、阐述最全的将得大奖。
下周初结贴，9个最优回帖分别获得20MP、10MP、10MP、10MP、20积分、20积分、20积分、20积分、20积分！
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加TA为好友 发表于： 07:56:57 1楼
由于仪表需要长期保持校准特性, 需要定期校验。
1：死区是指不会引起仪表输出的输入值最大变化范围。
2：回差是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间 的最大偏差。
3：滞环是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死区之差。
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加TA为好友 发表于： 08:39:05 2楼
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加TA为好友 发表于： 15:59:56 3楼
先说一下滞环、死区和回差的概念：
滞环：因为仪表内部的某些元件具有储能效应，使得仪表检验所得的实际上升曲线和实际下降曲线常出现不重合的情况；
死区：因为仪表内部的某些元件，使得仪表输入在小到一定范围后不足以引起输出的任何变化，而这一范围则称为死区；
回差：如果某个仪表既具有储能效应，又具有死区效应，其综合效应将是以上两者的结合，实际上升曲线和实际下降曲线间都存在差值，其最大的差值称为回差，也称为变差，或来回变差。
&&&&&&& 以一只机械式压力表的校验为例，就可以比较典型的体现出上述三个概念：机械式压力表的弹性金属检测元件、阻尼弹簧或硅油充入都具有储能效应，导致校验仪在施加检测压力时在单向递增和沿原检测范围单向递减时，即使校验设备施加相同的压力，被试的压力表所检测出的结果也不同，这个不同就是滞环，滞环往往是在同一测试条件下被测量沿着正反两个反向变化的趋势下反映出来，机械弹性变形元件的材料不稳定性、材料长期使用过后的弹性后效、高温和高频冲击压力检测环境下使用后的材料蠕变已经机械结构设计上使用弹性变形元件自然就会储能而其春能后释放的不均匀性等都会导致滞环；机械式压力表的机械传动部件如齿轮副、机械杠杆机构等上面，均不可避免的存在机械传动反向间隙，表中的各种轴承上面也存在机械游隙，更加上机械零部件的加工、装配不可能绝对精确，难免存在加工误差和装配误差，这些都可能导致在死区现象，即给出一个小的输入量（比如对压力表来说就是压力）的变化，这时候在被试仪表上可能根本没有反应，示数依就保持之前的状态，本应体现出来的表头示数变化，可能以传动齿轮的间隙、传动机构的误差等形式被机械式压力表的传动机构&内部消化&掉了，在较小输入量变化的情况下尤其如此；滞环和死区的综合作用下，最终被测仪表的正、反行程测试曲线体现出的曲线特性相互分离现象，就体现为回差，其整个行程范围内分离的最大值就是回差。
&&&&&&&基于机--电--流体传动系统的相似性原理，即使是气动、电动或电子式的仪表，也存在滞环、死区和回差现象。比如电子放大器线路，其频率特性不可能是平直的直线，信号放大倍数不仅仅是岁检测信号的特征频率而变化的，而且从相频特性来看，信号放大的相位也不是一成不变的，这些都会导致输入信号与输出信号之间的失真，此外系统中肯定存在电感、电容等储能元件、阻尼元件等也都可能引起滞环，而现在广泛使用的各种半导体电子元器件的重复性不良，以及其他多种因素，都会造成死区，这样就不可避免的出现仪表的校验回差.
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加TA为好友 发表于： 16:48:52 4楼
现在已经有很多种校验仪可以用于一般的自动完成校验，校验结果输出的数据和图示、表格等能够清晰地反映出被测一般的滞环、死区和回差，使用起来非常方便、精确度高；而传统的做法是人工校验，在一定的输入量程信号范围内从小到大连续单方向对被测仪表输入一系列校验测试信号（压力、温度等信号），随后带待表头示数稳定后人工记录下示数，依次直至预定的量程尽头，记录好数据，然后再从大到小单方向地给出一系列的校验测试信号，同样记录下示数。最后根据校验记录数据绘出仪表校验特性曲线，示数过程可能要重复数次，对所记录数据要做适当的处理，剔除奇异点，对所得出的数个特性曲线进行适当的取舍选择最具有代表性的作为测试结果，如果在分辨率、精确度、重复度等指标上都满足相关标准，那么就是校验合格，否则需要采取针对性措施（如更换磨损或老化的零部件，对装配效果进行调整甚至重新装配）加以改善并再次校验，直至合格为止。
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加TA为好友 发表于： 21:22:44 5楼
&&&&&&& 死区　它是指不会引起仪表输出的输入值最大变化范围。
　　回差　它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。
　　滞环　它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死区之差。
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加TA为好友 发表于： 10:45:09 6楼
1.在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程测量时，所得仪表示值之间的差值，称为回差。回差的大小，一般用在同一被测参数数值下，正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示。它包括滞环和死区。
2.造成回差的原因很多，例如传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的弹性滞后的影响等；回差的大小反映了仪表的精密度，因此要求仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的允许误差。
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加TA为好友 发表于： 21:24:20 7楼
根据国际通用计量学基本名词的推荐&测量是以确定量为目的的一组操作&。这里的量值均指物理量而言。对于每一个物理量仅仅是一些物理对象共有的定性性质, 例如温度、质量、长度等等。每一物理量代表了一定的物理对象的某一方面性质, 而更具体的说, 每个量又有它的定量性质如温度高低、质量大小、长度长短等等。 　　测得的物理量值是一个名数, 它由表示物理量的数值和物理量的单位组成。 　　同一物理量, 由于所选择的单位不同, 得到测量结果的数值也不同。因此, 在给出测量值大小的同时一定要给出所用的测量单位。 &1-2 测量方法 　　测量方法是完成测量任务所采用的手段。一般是根据给定的原理规定出在测量中所涉及的运算和实际操作。 　　在测量过程中由于测量对象、测量环境、测量参数不同, 采用着各式各样的测量仪表和测量方法。 　　1. 简单测量　当选用适当的测量仪表即可直接完成测量任务, 即可测得足够精度的被测物理量的大小时, 常把这种测量称为简单测量。 　　2. 直接测量　任何测量都包含不同的简单测量。如果在测量过程中只包括一项简单测量和只根据一些已知数据对测量结果运算就可以得到被测物理量的大小, 常把这种测量称为直接测量。 　　3. 间接测量　如果对被测物理量的测量包括两个或两个以上的简单测量, 或包括根据若干直接测量结果来计算出最后测量结果, 这种测量称为间接测量, 也叫非直接测量。 &1-3 测量仪表的性能指标 　　仪表运行特性通常分为静态特性和动态特性两大类。 　　一、测量仪表的静态特性 　　（一） 精确度 　　与精确度有关的指标有三个: 精密度、正确度和精确度等级。 　　1. 精密度　它说明测量仪表表示值的不一致程度。即对某一稳定的被测量在相同的规定的工作条件下, 由同一测量者用同一仪表在相当短的时间内连续重复测量多次, 其测量结果的不一致程度。 　　2. 正确度　它说明表示值有规律地偏离真值大小值的程度。 　　3. 精确度　它是精密度和正确度两者的总和, 即测量仪表给出接近于被测真值的能力。 　　4. 精确度等级　它是指在规定的工作条件下, 仪表最大允许误差相对于仪表测量范围的百分数也称精度等级。 　　（二） 稳定性 　　它是指在规定的工作条件保持恒定时在规定时间内仪表性能保持不变的能力。一般用精密度数值和观测时间长短表示。 　　（三） 影响系数 　　影响系数是仪表性能的重要指标。由于仪表实际工作条件要比标准工作条件差很多, 此时影响量的作用可以用影响系数来表示。它是示值变化与影响量变化之间的比值。 　　（四） 仪表静态输入-输出特性 　　仪表静态输入-输出特性由灵敏度、灵敏限、分辨率、线性度、滞环、量程等特性表示。 　　1. 灵敏度　它表征仪表在稳态输出增量与输入增量之间的比值, 是静态特性曲线上相对应的斜率。 　　2. 灵敏限　当仪表的输入量从零不断增加时, 在仪表示值发生可察觉的极微小变化时, 此时对应的输入量的最小变 化值, 称为灵敏限。 　　3. 分辨率　它表示仪表能够检测到被测量最小变化的本领。 　　4. 线性度　通常用实际校验曲线与一条通过特性曲线上、下限值的端基直线之间的最大偏差值与最大值之比来衡量。 　　5. 死区、回差和滞环 　　死区　它是指不会引起仪表输出的输入值最大变化范围。 　　回差　它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。 　　滞环　它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死区之差。 　　6. 量程　它是指测量上下限之间的代数差。 　　二、测量仪表的动态特性及动态误差 　　（一） 动态特性 　　测量仪表的动态特性是仪表在动态工作中所呈现的特性, 它决定仪表测量快变参数的精度, 通常用稳定时间和极限频率来概括表示。 　　所谓稳定时间是指给仪表一个阶跃输入, 从阶跃开始到输出信号进入并不再超出对最终稳定值规定的允许误差时的时间间隔。稳定时间又称阻尼时间。 　　极限频率是指一个仪表的有效工作频率。在这个频率以内仪表的动态误差不超过允许值。 　　（二） 动态误差 　　动态误差是仪表随时间变化的被测量时所具有的误差, 其数值是动态与静态测量结果的差值。 　　动态误差属于规律性误差。
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加TA为好友 发表于： 17:44:01 8楼
回差：它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。
&死区：它是指不会引起仪表输出的输入值最大变化范围。
滞环：它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死
1\按照回差的定义，校验仪表的回差时回差是当输入量上升和下降时，同一输入的两个相应输出值间的最大差值，并按输出量的百分数表示，把输入值固定，读上下行程的两个相应输出值。
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加TA为好友 发表于： 21:02:34 9楼
参数整定找最佳， 从小到大顺序查。
先是比例后积分， 最后再把微分加。
曲线振荡很频繁， 比例度盘要放大。
曲线漂浮绕大弯， 比例度盘往小扳。
曲线偏离回复慢， 积分时间往下降。
曲线波动周期长， 积分时间再加长。
曲线振荡频率快， 先把微分降下来。
动差大来波动慢， 微分时间应加长。
理想曲线两个波， 前高后低四比一。
一看二调多分析， 调节质量不会低。
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加TA为好友 发表于： 16:28:44 10楼
　　死区　不会引起仪表输出的输入值最大变化范围。
　　回差　在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。
　　滞环　在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死区之差。
&&&&& 利用标准仪表完成校验，在死区、会差、滞环等三区域看输入输出结果的变化。校验结果输出的数据和图示、表格等能够清晰地反映出被测。
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加TA为好友 发表于： 22:18:32 11楼
不论仪表的回差、死区、滞环还是仪表的精度、线性度、灵敏度，其实在校准过程中都可以一次性进行。校准过程产生的诸多参数记载着仪表在各个被校点的状态，通过记录这些参数然后进行相应的计算和处理就可以产生相应的数据，现在大多数校准仪器都可以自动记录被校参数并能进行计算输出校准检定证书，其中就有回差、死区和滞环的数值。
回差，就是仪表正反行程校准时产生的数值差值，其差值大小反映出仪表各机械机构间隙的大小，其相互间的摩擦大小，仪表弹性元件的弹性之后等性能。
死区，也就是灵敏限即能够引起仪表示值发生可见变化的被测参数的最小变化量，其反映了仪表传感部分的寿命和性能。
滞环，其实就是弹性元件的弹性后效，这个是由于被测参数能量的转换和传输过程中遇到的机械惯性和时间滞后引起的弹性元件的形变量不一致的最大偏差数值。
校表的过程就是取被校点的仪表显示的数值，然后通过与其真值相比较，得出仪表的性能，其主要的参数有零点、满度值、精度（误差）、线性度这些性能大部分可以调整维修，而死区、滞环之类的参数只能反映仪表的性能好坏，可以进行修正但不能消除。
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加TA为好友 发表于： 09:46:04 12楼
先来看看定义：
滞环是由输入量增大的上升段和减小的下降段构成的特性曲线所表征的现象。
死区是输入量的变化不致引起输出量有任何可察觉的变化的有限区域。
回差是当输入量上升和下降时，同一输入的两相应输出值间的最大差值。
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加TA为好友 发表于： 00:46:15 13楼
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15:11:53& 来源：&
& & 摘　要:为了改善纯水比例阀的静动态控制性能,以TIEFENBACH的PDBV型三级座式纯水比例溢 流阀为对象,研究阀的控制特性与补偿方法.阀的结构分析和静态比例调节特性试验表明,阀的开环静态特性滞环和死区大,线性可控性差;直接闭环控制的稳定性 差,极易产生入口压力振荡.根据阀的开环静态特性试验结果,基于线性拟合建立了分段线性化的迟滞逆模型,并用于阀的前馈控制回路.阀控制特性的补偿效果试 验结果表明:阀的前馈静态迟滞补偿大大减小了滞环和死区,提高了线性度,但是在正阶跃响应下易产生大幅超调和压力冲击.在直接前馈补偿中加入单边脉冲反馈 的控制方式,可以基本消除超调现象.迟滞补偿对阀的非线性的有效改善,提高阀的控制性能,进一步扩大了水液压比例压力控制技术的应用.
&&纯水液压是以过滤后的自来水为工作介质实现动力传递的新型绿色传动技术,具有环境友好、清洁安全、介质来源广泛且成本低、不可燃等优势[1].目前在 细水雾灭火、水处理、核反应堆、钢铁、舰船、采掘、水下作业、食品加工等行业已有应用[2-3].由于水的弹性模量大,比热容高,在理论上,水液压比例伺 服控制系统的动态响应快、控制刚度大、温漂小;水的低黏度,也带来了系统能量损失小,传动效率高的好处[3-6].但是,水的黏度低、润滑性差、导电性 强、汽化压力高等物理性质,除了引起微生物附着和金属锈蚀等缺点外,还产生密封、摩擦、气蚀、水击等问题[7].应对这些问题,一方面可以通过提高阀的加 工精度和质量,减小阀芯与阀套之间的配合间隙以减小泄漏,并提高摩擦副零件的表面加工质量以降低摩擦磨损;另一方面,有研究提出采用工程塑料和陶瓷等新材 料,具有良好的耐磨、自润滑性能[8].例如,丹麦Danfoss公司的Nessie部门研制了压力等级为16
MPa的纯水比例节流阀,芬兰HYTAR公司、坦佩雷工业大学以及德国的Hauhinco公司研制了球型阀芯的座式水压比例阀,压力等级为 31&5MPa,采用了工程陶瓷阀芯或表面陶瓷喷涂工艺.这些阀都是采用带有衬套的锥阀和球阀结构,可以实现微小或零泄漏,但阀的线性度差,控制精度低. 滑阀结构线性度好,但对加工要求更高,更容易出现卡死卡紧和摩擦磨损.通过设计新的结构,可以减小摩擦力和避免卡死.Takahashi等研制的三位四通 纯水比例滑阀,采用特殊的滑阀阀芯静压支撑结构,同时应用电感式阀芯位移传感器,减小摩擦力和提高控制精度[9].Urata等研制的纯水伺服阀,采用喷 嘴挡板阀与滑阀阀芯静压支撑结合的结构,阀芯和阀套采用工程陶瓷材料,获得较高的控制性能,额定压力7 MPa、额定流量80 L/min下频响可达10
Hz以上[10-12],缺陷是对污染极敏感,作用于阀芯上的摩擦力也使阀的滞环很大.
& & 纯水比例滑阀的加工成本高昂,制约了工业应用.锥阀或球阀结构的纯水比例阀成本相对降低,但仍比油压比例阀价格上高出数倍.水液压比例控制阀的非线性问题,仅从元件结构改进和提高加工要求角度出发,克服的难度大、代价高.
纯水比例溢流阀是水液压比例压力控制的重要元件,其控制性能直接影响压力控制系统的功能、精度和稳定性.本文研究对象为TIEFENBACH公司的 PDBV型纯水比例溢流阀,属座式三级结构,压力等级为31&5 MPa,加工要求较低.阀的频响较慢,仅1~3
Hz,线性度和控制精度低.根据阀的结构分析和静态试验曲线,在控制上提出新的补偿方法,可以在不增加成本的前提下,大幅提高稳态精度和动态特性.对此进 行了控制器的设计和补偿效果的试验研究.
& & 1　阀的结构分析与静态特性
如图1所示为PDBV型纯水比例溢流阀的结构示意图,包括一个比例节流阀先导级和一个先导式溢流阀.比例先导级用杠杆放大比例电磁铁的输出力,通过推杆推 动陶瓷球阀芯,打开或关闭球阀阀口,调节溢流阀先导敏感腔的压力.当比例电磁铁输入信号i为零时,节流阀先导级为常开,对应比例溢流阀的最低入口压力p; 随输入信号增大,比例电磁铁输出力增大,球阀阀杆推压弹簧,阀口关小直至关闭;输入信号最大对应溢流阀最高调定压力.调整比例先导级的弹簧kp1和kp2 的预紧力,可以影响比例阀的先导压力控制性能[7].先导式溢流阀包括一个具有异型阀口的主阀和一个锥形阀口的先导阀,主阀芯和溢流阀二级之间分别有2个 固定液阻R1和R2.采用异型阀口的溢流阀主级,通过二级节流的结构和高压引流孔,抑制气蚀的产生[13-15].串联的2个孔径较大的液阻R1、R2代 替小直径阻尼孔,可以避免污染堵塞问题[14-15].先导弹簧km1的预紧力设定基本决定了整阀的最高调节压力.比例先导级为球阀节流阀口,先导式溢流 阀的先导阀口和主阀口均为锥阀结构,提高了低黏度水液压的密封性能.
测试纯水比例溢流阀的系统包括泵源单元、被测阀、并联安全阀、传感采集单元,系统工作体积流量达到100 L/min,最高压力16
MPa.被试阀采用BLS1型PID控制板,带有3个模拟输入点并内置PID控制与参数调节功能,默认使用状态为入口压力反馈闭环.为分析比例溢流阀本身 的静态特性,在控制板改为开环控制的模式下,直接将输入信号放大为Umax= + 24 V,Imax= 0&52
A驱动比例电磁铁.2种模式下阀的静态特性如图2所示.在开环模式下,阀的滞宽约为22%,线性可控段约占7%.将随输入信号从零增大到最大的一段称为 &上升段&,随输入信号逐渐从最大到零的一段称为&下降段&,如图2中箭头所示.纯水比例溢流阀的开环静态特性中,上升段只占输入信号范围约1%,使比例 阀在升压过程中基本不能连续调节,阀入口压力会突然由低压升高到最大值.除了比例电磁铁磁滞以外,阀的滞环和死区大,还与比例先导级特性、2级锥阀结构、 摩擦力及阀芯稳态液动力有关.一般摩擦力模型为[16].
式中:f(v) =sgn(v) Fco+ Fst-Fcoe-&v+Brv,其中,Br为黏滞系数,&为模型系数;v为相对运动速率,Fe,Fst,Fco分别为外力、静摩擦力和库仑摩擦力.
& & 阀芯、电机械转换部分及杠杆处的摩擦力对阀的滞环影响最大.阀芯稳态液动力为
& & Ff=-&qv2cos&. & & & & & (2)
式中:&为介质密度,q为阀口平均体积流量,v2为阀口出射流速,?为阀芯锥顶半角.对于比例溢流阀,阀口水的流动速度v2方向都是由入口到出口, 而不与阀芯位移方向相关.速度v2的大小与阀口压差相对应,因此也增大了阀的滞环.随输入信号增大的&上升段&线性可控宽度明显小于&下降段&,一方面的 原因是被试阀主阀的先导级弹簧预紧力较大,被试阀的先导阀口需达到足够压力才能开启,加上旁通的安全阀限定压力,试验曲线仅体现了拐点压力前的特性;另一 方面,力放大杠杆随比例电磁铁输出力增大转动时,倾角逐渐减小,杠杆与比例先导级阀杆接触点向支点移动或具有相应的趋势,阀杆和杠杆间摩擦力与正压力的合 力在垂直阀杆移动方向上的分力随倾角减小而减小.在闭环模式下,采用PI控制,比例增益kp= 2,积分增益kI=
0&5,阀的线性段扩大到56%左右,死区大大减小,滞环减小到17%.由于阀开环静态特性的大滞环,不仅降低了阀的线性度和稳态精度,而且大大降低了闭 环稳定性,极易引起振荡,如图3所示为入口压力随时间t变化的试验曲线.纯水比例溢流阀直接在闭环模式下工作,入口压力在输入信号较小和较大时,需经过大 幅度振荡后才能稳定,而在40%左右输入值时振荡严重,无法稳定.这样的性能显然无法满足实际应用.
& & 2　迟滞非线性的补偿
& & 2.1　一般迟滞系统的补偿方法
迟滞非线性是一类广泛存在于物理系统中的影响实际系统控制性能的现象,如压电陶瓷、记忆合金、磁致伸缩等[17-19].迟滞系统具有多映射和记忆性,即 对相同的输入x(t)可能产生不同的输出y(t),或者在相同的输出下可以有不同的输入;输出y(t)在初始时刻t0开始,不仅依赖于输入x(t)
(t&t0),还依赖于系统的历史状态w=w(t0)[20-21].描述迟滞非线性系统的模型很多,主要有Preisach模型、Tao等的线性 模型、Duhem模型、Prandtl-Ish-linskii模型等[20-24].迟滞非线性的控制关键在于消除滞环,可以通过建立逆迟滞模型来抵 消.迟滞非线性控制方法分为静态和动态补偿2种,其中静态补偿是首先进行迟滞模型的离线识别,然后把相关数据存到存储器,在系统工作时利用存储的数据直接 产生逆模型数据对系统进行补偿,具有控制器设计简单、精度高的优点[25-27].基于Preisach模型的前馈静态补偿方案是最常用的,还可与常规 PID控制等相结合,通过前馈与反馈的复合控制减小由于模型失配带来的误差,补偿了迟滞系统特性的动态变化[25].
& & 2.2　阀滞环特性的静态补偿
基于Preisach模型的静态补偿的直接实现,一方面需要建立一个大量的一阶回转曲线数据库,随着控制精度要求的提高,数据存储量变大,并且难以在线建 模;另一方面,通过Preisach模型求预测输出yr(k),对数字系统计算速度和存储量都有一定的要求.根据阀的控制特性和控制目标,结合迟滞非线性 静态补偿方法,可以通过线性拟合获取近似的分段线性模型,再求得分段逆模型,并将模型参数存入存储器直接进行补偿,算法简单,实现方便.
& & 在图2中的开环静态模型可以表示为
用最小二乘线性拟合,对分段点x0、x1的选取根据总变差最小的原则,
& & e = eA+&eB+eC, & & &(4)
式中:(-xA,-yA)为A段拟合直线段上点的坐标,(xAi,yAi)为A段试验数据 点,n为数据点的数量;eB、eC与eA计算相同,&为中间B段总变差的权重.如图4所示为&下降段&静态特性曲线分段一元线性回归的总变差e对各分段点 的分布图,分段点x0&x1,因此e只分布于x0x1平面的半个象限.对应图2的静态特性曲线,小于x0的部分为A段,x0与x1之间的部分为B 段,大于x1的部分则为C段.图4中分布点越高,越接近于e=
0平面,总变差e越小,最高点即最小总变差emin,对应的x0和x1值为选定的最佳分段点,并且得到A、B、C各段的拟合参数.&下降段&的拟合直线段 为
式中:xI、xII、xIII、xIV分别为直线段A、B、C、x轴及y=ymax的交点,xmax、ymax分别为静态曲线上最大,横、纵坐标值.其反函数为
式中:yII、yIII为xII、xIII对应交点的纵坐标.阀的迟滞逆模型为
式中:&为逆模型输入死区,H-1k-1为y=yk-1时保存下来的映射关系.如表1所示 和如图5所示分别给出了主要模型参数和纯水比例溢流阀的迟滞补偿算法的流程图.在用PLC实现时,将拟合参数、初始值和状态等,以及计算得到的逆模型参数 存储在寄存器内,控制过程中根据期望输出值的变化确定逆模型状态,选定&上升段&或&下降段&进行补偿.
& & 3　补偿方法的试验研究
阀静态特性线性可控宽度小,B段斜率大,导致迟滞线性模型的精度低,对于期望输出连续波动的情况,补偿器会在&上升段&和&下降段&之间不断切换,引起小 幅振荡.特别是纯水比例溢流阀的&上升段&B部分线性宽度仅占1%不到,接近开关控制,直接补偿容易产生大幅超调和冲击.直接静态补偿方式下,正阶跃输入 响应的试验曲线如图6所示.对幅度较大的阶跃输入,阀的入口压力都产生了接近甚至超过12
MPa的冲击,并且在迟滞补偿器的作用下切换到&下降段&,对应出现了负阶跃下的阀固有超调特性,8 MPa以下的期望输出产生了超过26%的稳态误差.
针对阀静态特性&上升段&可控性差的特点,采用单边脉冲反馈的控制方式,如图7所示,其中&k=y(k)
-y(k-1),ey=ym-y.在原静态迟滞补偿的基础上,比较输出反馈y与期望输出ym,当ey&0时,按&上升段&补偿,当ey&
0时,设定&k&
-&为补偿状态且不可逆,按&下降段&补偿.按&上升段&补偿后,补偿输出信号通过脉冲发生程序的转换,调制成一定频率和占空比的脉宽调制(PWM),其 幅值由前向通道kupH-1up决定.补偿后的阀静动态特性如图8所示.
由图8(a)的静态特性曲线,纯水比例溢流阀的线性控制区域达到90%以上,滞环减小约3%,比较图2中的阀开环静态特性,基于线性拟合迟滞逆模型的前馈 补偿有效改善了阀的静态特性,提高了阀的可控性.从图8(b)的阶跃响应曲线可以看出,加入脉冲反馈,并改进了迟滞补偿方式后,基本消除了入口压力冲击和 超调,期望输出在8 MPa以下时的稳态误差减小至6%以下.但是,加入脉冲反馈增大了延迟时间,由直接前馈静态补偿的0&5 s增大到1&6
s以上,期望输出为8 MPa与6 MPa时达到了td& 2&3 s和td& 3&2
s,随着期望输出压力的降低延迟时间增长.可以通过改变脉冲反馈的PWM波的占空比缩短延迟时间,随期望输出减小,增大占空比,在不产生超调的范围内,提 高低压控制区的频响.
& & 4　结　论
& & (1)纯水比例溢流阀开环静态特性的滞宽和死区大,随输入信号减小的&下降段&线性可控宽度明显大于&上升段&.在直接闭环控制模式下,死区和滞环减小,但稳定性差,极易产生入口压力振荡.
& & (2)基于线性拟合得到阀的迟滞分段线性模型,并离线求取分段逆模型参数,减小了模型误差,并且前馈静态补偿算法简单,实现方便.迟滞静态补偿下的阀的滞环和死区大大减小,线性度明显提高.
(3)阀的直接前馈静态补偿容易产生大幅超调和冲击,同时降低了低压调节段的稳态精度.采用单边脉冲反馈的控制方式,将&上升段&补偿输出调制成脉冲信 号,基本消除了入口压力冲击和超调.阀的阶跃响应延迟时间有所增大,需进一步动态调整脉冲反馈PWM波的占空比,提高低压控制区的频响.
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