采用计算流量反馈的流量控制方法及特性研究

CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

1999年　第35卷　第4期　Vol.35　No.4　1999

采用计算流量反馈的

流量控制方法及特性研究

顾临怡　王庆丰

摘要　提出了一种利用压差传感技术获得计算流量并加以反馈的流量控制方法。结果表明，该方法在获得较高的流量控制精度的同时，具有良好的流量动态控制特性。

叙词：流量控制　计算流量　压差传感

中图分类号：TH137

RESEARCH ON CALCULATED FLOW

FEEDBACK CONTROL METHOD AND

ITS CHARACTERISTIC

Gu Linyi　Wang Qingfeng

(Zhejiang University)

Abstract　A calculated flow feedback control method,which takes advantage of pressure difference sensing technique,is introduced.Results show that not only high static flow control accuracy is obtained,its dynamic characteristic is also being satisfied.

Key words：Flow control　Calculated flow　Pressure difference sensing

0　前言

　　节流阀的控制流量与其前后压差有关。为得到与压差无关的控制流量，通常采用以下四种方法。　　　　　

(1)采用定差减压阀对节流阀前后的压差进行补偿［1］。

　　但其流量—压力特性较差，且会产生很大的瞬时流量超调(一般为调定值的三倍)，使执行器产生很大的速度冲击。

(2)采用流量—力反馈的流量控制方法［2］。

　　但该方法的机械结构复杂，校正参数范围有限，其控制特性还受电—机械转换器性能的影响。

(3)采用流量—电反馈的流量控制方法［3］。

　　该方法的控制精度依赖于流量传感器的精度，且机械结构仍比较复杂，流量传感器的节流还造成了能量的浪费。

(4)采用数字压力补偿方法［4，5］。

　　但由于该补偿方法降低了对执行器运动控制时的动态阻尼比，使其抗干扰能力得以下降。

　　采用计算流量反馈的流量控制方法可以使节流阀的动态流量—压差增益与其静态增益不一致，从而在获得较高流量静态控制精度的同时，增大系统的动态阻尼比，得到良好的动态特性。

1　控制原理

　　采用计算流量反馈的流量控制方法的控制框图如图1所示。通过压差传感器与位移传感器将节流阀前后的压差和阀芯位移检测后输给控制器，由控制器根据一定的算法计算出通过节流阀的流量q*，与给定流量q0进行比较，并采用调节器g(Δq)构成流量闭环，输出阀芯位移的给定值xv0。

图1　采用计算流量反馈的流量控制方法结构框图

　　　fv (xv0)——节流阀阀芯位移 xv 与其给定值xv0的函数关系

C d (xv )——节流阀阀口流量系数，为阀芯位移xv 的函数

A d (xv )——节流阀阀口过流面积，为阀芯位移xv 的函数

q——节流阀阀口流量　　　　　　　　　　　　　　

Δp——节流阀阀口压差　　　　　　　　　　　　　

ρ——液压油的密度　　　　　　　　　　　　　　　

　　以f*q (xv )表示节流阀流量系数估计值与过流面积估计值的乘积，它们均为阀芯位移xv 的函数

　　　　　　　　　　f*q (xv )=C*d (xv ) A *(xv ) 　　　　　　　(1)

　　由图可得.

　　　　　　　　　　

　　两边对Δp求偏导有　　　　　　　　　　　　(2)　　　　　　　　　　　　　(3)

　　分别以fv

(s)与g(s)表示阀芯位移的传递函数

际流量q完全相符，则节流阀的流量—压差增益为f v (xv0)/

xv0和调节器的传递函数g(Δq)/Δq，并假定计算流量q*与实

　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

　　该增益的大小取决于调节器的传递函数g(s)。如果调节器中带有积分环节，即g(s)的稳态值为无穷大，则该增益为零，从而保证了流量的稳态控制精度。对调节器参数的调整还可以改变该增益对流量或压差变化的响应速度，以获得较好的流量控制动特性。

2　计算流量的精确性

　　保证流量稳态控制精度的条件是调节器带有积分环节和计算流量的精确性，即对阀口流量系数、过流面积的精确估计。

　　为了精确获得流量系数和过流面积与阀芯位移xv 、油温T的函数关系，可以采用如图2所示的试验系统。图中，节流阀3为被试的节流阀。为了保证其前后压差在阀口开度较大时仍可控，采用串联的节流阀5对其压差进行控制。由压差传感器6检测该压差并进行压差反馈，以维持该压差不变，同时改变节流阀3的阀芯位移，即可得到在各个油温及压差下流量系数和过流面积的乘积与阀芯位移xv 的函数关系f*q (xv ,T)。为适合于实时控制，通过对xv 与T的均匀分段，将拟合得到的f*q (xv ,T)曲线制成一个二维表；实时控制时，只需根据位移传感器2检测到的阀芯位移值与油温直接查表得到f*q (xv ,T)，并根据压差传感器6测得的节流阀前后压差，即可得到阀口流量的精确估计。

图2　试验系统原理图

1.控制器　2.位移传感器　3.节流阀

4.流量计　5.节流阀　6.压差传感器

3　试验结果与分析

　　采用计算流量反馈的流量控制试验仍可以采用图2所示的系统。这时节流阀3作为负载用。其控制算法在控制器1上实现。算法的步骤如下。

　　(1)从主控程序得到节流阀流量的给定值q0和经采样、滤波后的油温T、阀芯位移xv 及其前后的压差Δp。

　　(2)由xv 与T值查表得到f*q (xv ,T)的值。 　　(3)计算。

　　(4)选择适当的调节器g(Δq)对阀口流量进行闭环控制，输出阀芯位移的给定值xv0。(在本文中仅采用常规的PID控制算法)

　　(5)返回主控程序。

　　图3为采用计算流量反馈的流量控制方法后节流阀的静态流量—压差曲线。由图可知，该控制方法具有较高的静态控制精度。

图3　静态流量—压差曲线

　　选择合适的调节器参数，即可得到较为满意的流量阶跃响应曲线，其流量超调很小，如图4所示。图5为节流阀流量对压差的阶跃响应曲线。虽然由

图4　流量阶跃响应曲线 图5　流量对压差的阶跃响应曲线

于流量动态控制精度的降低和阀芯位移的调节过程引起了阀口流量暂时的变化，但其恢复时间很短，且恢复后仍保持了原有的静态控制精度。因此可以说，该控制方法不仅可以任意调节流量的动态控制特性，而且对节流阀前后压差的变化也具有较强的抗干扰能力。

4　结论

　　采用计算流量反馈的流量控制方法，具有很高的流量静态控制精度；同时，选择合适的调节器g(Δq)，可获得超调较小的动态控制特性；并且对节流阀前后的压差变化也具有较强的抗干扰能力。并且该控制方法的算法简单，可实现性和实时性好，可广泛应用于采用微机控制的电液控制系统中。

作者简介　顾临怡，男，1973年出生。浙江大学教师，工学博士。主要从事电液控制工程研究，已申请国家专利一项，两项科研成果通过鉴定，发表了论文9篇。

作者单位：浙江大学流体传动及控制国家重点实验室　杭州　310027

参考文献

1. 路甬祥，胡大　. 电液比例控制技术. 北京∶机械工业出版社，1988.

2. 吴根茂等. 采用流量位移力反馈新原理的电液比例调速阀. 液压与气动，1983(1)∶1～7

3. 吴根茂等. 实用电液比例技术. 杭州∶浙江大学出版社，1993.

4. 王庆丰等. 比例节流控制的流量数学压力补偿(特性校正) 研究. 机床与液压，1995(4)∶187～191

5.Backe W,Feigel H J.Neue moglichkeiten beim elektrohydralischen load-sensing.O+P,1990,34(2)∶106～114

作者单位：19980324收到初稿，

19981110收到修改稿

采用计算流量反馈的流量控制方法及特性研究

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

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被引用次数：顾临怡， 王庆丰， Gu Linyi， Wang Qingfeng浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027机械工程学报CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING1999，35(4)11次

1. 路甬祥. 胡大 电液比例控制技术 1988

2. 吴根茂 采用流量位移力反馈新原理的电液比例调速阀[期刊论文]-液压与气动 1983(01)

3. 吴根茂 实用电液比例技术 1993

4. 王庆丰 比例节流控制的流量数学压力补偿(特性校正)研究 1995(04)

5. Backe W. Feigel H J Neue moglichkeiten beim elektrohydralischen load-sensing 1990(02)

1.学位论文 顾临怡 大惯性负载进、出口独立调节数字控制及多执行器复合控制研究 1998

大惯性负载给工程机械的操作性能带来了很大的影响。其上主要包括大性负载阀控系统中分行器加速、制动以及减速过程的平衡性、多执行器负载敏感系统中复合控制各联之间的相互干涉三个问题。该论文对此进行了较为深入分析和研究。首先提出了压差传感的进、出口独立调节单元结构，并在此基础上提出了计算流量反的流量控制方法对其进口节流阀阀口流量进行控制;其次，提出了对大惯性负载的加、减速和制动过程采用了基于执行器速度观测和参数在线估计的分段控制方法，以兼顾其稳态控制精度和动态过程的快速平稳性，并针对节流阀控制执行器两侧压力环节中的非线性提出了相应的非线性补偿方法:最后，提出了基于进、出口独立调节单元的多执行器复合控制系统结构，并在此基础上对其分流控制方法以及复合控制各联的相互干涉进行了研究。

2.学位论文 钱明锋 基于ARM和μC/OS-II的挤出机控制系统的研究 2007

本文研究了基于ARM和μC/OS-II的挤出机控制系统。全面分析了目前常用的微处理器和实时操作系统，详细研究了ARM和μC/OS-II的性能和特点，分析了当今挤出机的一般控制方法，将ARM和μC/OS-II引入挤出机的控制。该系统充分利用了ARM微处理器高性能、低功耗、低成本的优势，发挥了μC/OS-II可移植性好、开发成本低的优点。

实现了流量的精确控制。本文基于失重式喂料，提出了“移位算流量”的算法，有效解决了计算流量时，实时性和精确性不能同时得到保证的矛盾；采用了有效的抗干扰算法，大大增强了喂料系统的抗干扰能力。

实现温度的有效控制。针对挤出机的温度控制，本文研究了一般温度控制的方法。采用一种模糊变系数PID的控制方法。利用模糊控制的原理在线地调整PID控制器的参数，从而获得模糊控制器鲁棒性强的优点，同时又保证了PID控制器的算法简单、实时性强且没有静差的优点。

开发了一套基于ARM和μC/OS-II的挤出机控制系统，开发了管理及监控系统，有效实现了喂料控制、温度和压力控制、用户管理、配方管理和历史记录管理等功能。

3.期刊论文 谭宗柒. 戴浩林 基于AMESim的双阀芯控制液压缸研究 -起重运输机械2008,""(10)

介绍了双阀芯控制技术及其控制原理,阐述了双阀芯控制液压缸的流量、压力控制方法,并使用AMESim软件对双阀芯控制液压缸进行运动仿真.仿真结果表明利用计算流量反馈的流量控制方法能够对双阀芯系统进行准确的控制.

4.学位论文 陈意琳 转炉氧枪冷却供水系统智能控制策略研究 2006

如何节约能源，合理利用有限的资源越来越受到社会各界的关注，并且这个问题随着科技进步以及社会经济的发展越发明显。节约能源从眼前的利益来说有利于提高企业的经济效益，减少不必要的浪费，从长远的角度来讲是保护环境，为人类的后代造福。

氧枪是转炉炼钢的关键设备，它的性能好坏与使用寿命直接关系到炼钢的质量与效率。水冷氧枪的发明，大大提高了氧枪的使用寿命，也为更好的利用氧枪合理吹炼提供了条件。但是目前水冷氧枪还存在一些弊端，供水工况不合理的情况在许多炼钢企业中普遍存在，造成了不必要的资源浪费和设备的过度损耗。如何合理控制氧枪冷却供水系统，使其始终工作在最佳节能状态成为一个值得重视的问题。

随着计算机的发展及各种先进控制方法的出现，为企业的节能问题提供了解决方案。针对水冷却氧枪存在的供水工况不合理的共性问题，本文对氧枪冷却供水系统进行了结构设计，采用模糊控制与PID控制技术相结合的模糊自调整PID控制算法，对氧枪冷却水系统的流量进行控制。在冶炼过程中，根据系统的检测量以及经验数据值，由计算机实时算出合理的冷却水流量作为控制系统的给定量，并由计算机采样，实时计算流量的偏差和偏差变化量，通过模糊控制器进行模糊推理，得出PID控制器的参数调整量，对PID的三个控制参数进行在线自整定，以适应氧枪冷却水系统在不同工况下的工作要求。最后进行仿真设计和分析，说明模糊自调整PID控制系统具有良好的静、动态特性，与常规PID控制比较在稳定性和鲁棒性上都有了很大的改善。

此外，本文对氧枪的传热机理和冷却水特性进行了充分的分析，目的是找出氧枪在整个冶炼过程中的传热特性，为在保证氧枪使用寿命的同时，提供合理的冷却水流量提供理论依据。同时，介绍变频调速水泵的原理和运行工况，并与通过控制阀门大小的节流方法比较，作了节能分析。

5.期刊论文 刘英杰. 徐兵. 杨华勇. 曾定荣. Liu Yingjie. Xu Bing. Yang Huayong. Zeng Dingrong 电液比例负载口独立控制系统压力流量控制策略 -农业机械学报2010,41(5)

介绍了电液比例负载敏感负载口独立控制系统组成结构和工作原理,建立了该系统的数学仿真模型;针对执行元件的不同工况,分别设计了基于计算流量反馈的速度控制器和基于压力闭环控制的压力控制器,实现了系统的压力流量复合控制;仿真和实验结果表明,该控制系统有较高的速度控制精度和良好的节能效果.通过变参分析,研究负载口独立阀单元频响和阻尼及死区对系统控制性能的影响,为负载口独立阀单元的开发和应用提供理论指导.

6.学位论文 陈娟 基于软件计算的流量反馈液压电梯速度控制系统的研究 2003

该论文进行基于软件计算的流量反馈液压电梯速度控制系统的研究.主要针对软件计算流量反馈这种新型的流量控制技术,研究其在液压电梯控制领域中应用.通过建模仿真和模拟负载实验,分析了电梯液压系统的稳态和动态性能,讨论了系统流量的软件计算反馈方法及其影响因素.

7.期刊论文 郭晓松. 姚晓光. 祁帅. 于传强. 冯永保. GUO Xiaosong. YAO Xiaoguang. QI Shuai. YU Chuanqiang. FENG Yongbao 基于流量补偿的非定差调速方法研究 -机床与液压2010,38(5)

针对传统的压差补偿调速液压系统结构复杂、动态特性差的不足,提出了一种基于压差传感计算流量反馈的流量控制方法.给出了流量控制原理图,并利用AMESim中的HCD模型库构建了带阀芯位移传感器节流阀的模型,进而建立了基于AMESim和Simulink平台的液压控制系统模型.仿真结果表明,阀口流量对压差的阶跃响应特性较好.

8.学位论文 魏蔚 基于流量分析与控制的DDoS攻击防御技术与体系研究 2009

由于易于实施、危害严重且难于防御，拒绝服务攻击(Denial of Service，DoS)已成为目前互联网面临的最为严重的威胁之一，作为其分布式形式的分布式拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service，DDoS)危害更大，因此已经成为互联网安全研究亟待解决的重点问题之一。
　　

在对国内外当前的DDoS攻击的分类和DDoS防御技术研究现状综述的基础上，本文提出了根据DDoS攻击的特定网络流量特征，进行DDoS攻击检测的系列方法。本文主要针对DDoS洪泛攻击，并将其分为连接阻塞攻击和普通洪泛攻击。针对连接阻塞攻击流量存在周期性突发的特点，本文提出了以字节速率作为采样方法，通过频域分析，以功率谱密度作为统计手段，以低频功率和作为检测指标的检测方法，对连接阻塞攻击具较低的误差和可行的效率；利用普通洪泛攻击破坏服务器出入口双向流量的相关性的特点，本文提出了使用扩展的第一次连接密度作

为采样指标，采用互相关函数作为相关性表征指标，通过模糊逻辑分类器学习和检测普通洪泛攻击的方法，具较低的误报率和漏报率；由于普通洪泛攻击中多个攻击源因采用相同或相似工具和参数发起攻击，因而产生的攻击流量具有相似性，流量内部相关性也要大于合法流量，本文的方法采用统计距离来衡量流量问相似性，采用哥洛夫复杂度计算流量的内部相关性，从而能更有效地区分单个攻击流和单个合法流，实现细粒度的攻击识别。
　　

在DDoS攻击响应方面，本文提出了基于流量控制的DDoS攻击响应技术。由于连接阻塞攻击流量具有周期性突发，流量均衡将能有效降低其攻击效果，因此本文提出了多入口流量均衡的响应方法，将受害主机上游链路带宽在路由器多个入口链路之间分配，以极低的代价保证合法流量的合理的吞吐量；连接阻塞攻击中的周期性突发流量可以通过增大路由器缓存大小得到平滑，因此本文提出了在受害主机上游路由器处通过漏桶和包队列结合的方式，在不明显增加传输延时的情况下平滑攻击流量，实现对连接阻塞攻击的防御；在普通洪泛攻击方面，本文提出了以自治域为单位的基于多资源最大最小公平的分布式流量均衡机制，在该机制中，自治域边界路由器负责根据流量对受害机的资源的消耗，对流向受害机的流量进行限流，且周期性接收受害机的反馈信息以调整限流阈值，从而能够有效保护受害机的带宽和处理器资源。
　　

在DDoS攻击预防方面，本文提出了基于自治域验证的动态权证机制，通过基于自治域的两级权证机制，降低了现有权证体系的开销；针对现有权证体系中大流量连接需要频繁申请资源，传输效率较低的问题，采用结合历史信息的权证资源动态分配机制，从而可以在满足安全性要求的前提下提高传输效率；针对现有权证体系无法有效预防连接阻塞攻击的问题，采用控制权证状态存活时间上限的流量验证机制，来抑制连接阻塞攻击产生的突发流量，实现对其的预防。实验表明该预防体系比原有权证体系具更低的传输开销并能有效防御更多DDoS攻击的变种。
　　

最后，基于以上技术，本文提出了以自治域为单位的防御体系。自治域内各种元素能有效交互以检测和响应攻击，且自治域间积极交互提升防御效果，体系支持递增部署，实验证明其具有比当前最新体系更好的防御效果，并能适应更加恶劣的场景。
　　

未来的研究方向包括：针对新一代DDoS攻击的检测技术，新颖的DDoS抑制手段，新的安全体系架构以及本文中的研究成果、思路和方法在其他大规模网络攻击中的应用。

9.期刊论文 汪跃龙 工控软件iFIX的数据链路结构及其应用 -化工自动化及仪表2004,31(5)

分析iFIX的数据链路结构和链路中数据点的处理进程调度方式,针对流量补偿计算、流量累积计算和流量控制组态,采用编写用户程序的方式解决数字PID算法及其手动/自动切换的组态问题,采用多数据链路的方法解决流量补偿和累积计算时的数据链路分支问题.

10.学位论文 裴大权 基于小波分析的DDOS入侵检测研究 2007

DDoS（分布式拒绝服务）攻击是一种分布、协作的大规模攻击方式。通过联合或控制网络上若干主机同时发动DoS攻击，制造数以百万计的数据分组流入欲攻击的目标，大量消耗目标系统资源，从而造成合法用户无法获得服务。DDoS攻击给网络的正常运行带来了极大的危害，具有隐蔽性和分布性，难以进行检测和防范，这使得近年来研究DDoS攻击的检测与防范方法成为入侵检测领域的一个研究热点。本文主要基于流量的自相似性，利用小波方法来研究DDoS攻击的检测和防范。

本文首先概述了入侵检测相关技术的研究现状、采用的一般原理与方法，结合大量资料分析了DDoS方面的国内外研究进展。

其次，本文简要介绍了近年来理论界和工程界采用较多的一种方法――小波变换，其具有的多尺度分析特性可以对信号进行更为准确的分析。学术界的研究成果以及本文实测数据均表明：网络流量具有自相似性。利用小波方法分析自相似性可以取得很好的效果，本文推导了利用小波来分析网络流量的方法，作为本文的理论基础。

再次，本文描述了DoS攻击的一般步骤，对DoS攻击的机理进行了分析，尤其是结合TCP拥塞控制机制对弱DoS攻击机理进行了较为深入的研究。弱DoS攻击并不产生很大的总流量，因而难以用常规的流量控制手段加以遏制。为了比较好地检测到弱DoS攻击，本文设计了一种DDoS检测与防范模型。该模型采集IP包头获得流量信息；利用小波方法计算流量的Hurst参数，以是否超出阈值来判断是否遭受DoS攻击；采用数字滤波的方案对作为判决基准的Hurst参数对不同网络情况进行自适应；当认为受到攻击后，结合连接信任域来进行响应。实验表明：该模型可以检测到弱DoS攻击。

在DDoS检测模型的实现上，对性能要求较高的两项技术是流量采集和流量分析。本文先对现有流量采集技术进行了回顾，然后设计并应用了两种基于Linux系统的流量采集方案。在流量分析中，采用了一些技巧以提高效率。为了验证模型，本文采用了比较权威的MIT Lincoln Laboratory的DDoS攻击数据集进行实验。

最后，本文探讨了该DDoS检测模型的应用环境。描述了DDoS检测模型可能应用的网络环境；考虑到信息安全发展的趋势是各信息安全模块应该具有联动的功能，对DoS检测模型与防火墙系统、与安全审计系统的联动进行了一定的探讨。

1. 谭宗柒. 戴浩林 基于AMESim的双阀芯控制液压缸研究[期刊论文]-起重运输机械 2008(10)

2. 俞兴民 真空吸渗挤压复合材料工艺测控系统的设计与实现[学位论文]硕士 2006

3. 赵卫良. 王庆丰. 张彦廷. 钟天宇 多执行器电液分流控制系统的试验研究[期刊论文]-机械工程学报 2005(1)

4. 燕宏伟 基于小波变换的电液比例阀的故障诊断分析[学位论文]硕士 2005

5. 储世玉. 李兴城 基于远程测控模块的物料流量控制系统[期刊论文]-计算机仿真 2003(11)

6. 赵卫良. 王庆丰. 顾临怡 工程机械多执行器电液分流控制研究[期刊论文]-机床与液压 2003(3)

7. 顾临怡. 王庆丰. 路甬祥 液压驱动的大惯性负载加减速特性研究[期刊论文]-机械工程学报 2002(10)

8. 姜洪洲. 曾祥荣 数字式多功能泵的实现策略研究[期刊论文]-中国机械工程 2001(5)

9. 王庆丰. 顾临怡. 路甬祥 基于压差传感的电液进、出口节流独立调节原理及控制特性研究[期刊论文]-机械工程学报 2001(4)

10. 姜洪洲 数字式多功能泵的研究[学位论文]博士 2001

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