（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的电液伺服阀性能测试试验台系统研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于虚拟仪器的电液伺服阀性z 月, 匕g 测- 试试验台系统研究 摘要 电液伺服阀是电液伺服系统中的关键元件，其静态和动态特性测试在电液伺服系统 的理论和试验研究中具有十分重要的意义。随着计算机辅助测试( c a t ) 技术的发展， 电液伺服阀性能测试技术取得了很大进步，而虚拟仪器技术的出现，更使电液伺服阀性 能测试技术达到了一个新的高度。 本文将虚拟仪器技术和电液伺服阀性能测试技术结合起来，利用图形化编程软件一 l a b v i e w ，研制出一套基于虚拟仪器的电液伺服阀性能测试系统，并对电液伺服阀静动 态特性特性测试理论和方法进行了研究和探索。 首先，进行电液伺服阀静动态特性测试系统方案设计分析。主要介绍了电液伺服阀 静动态特性的性能指标以及测试原理、数据采集和信号处理的基本理论。对动态特性测 试进行了重点分析，决定采用两种不用的方法进行频率响应测试。 然后，进行测试系统的硬件设计。主要包括微型计算机、传感装置、信号调理装置、 数据采集设备以及测试系统抗干扰的分析与设计。重点介绍了实验过程中压力、流量、 泄漏流量的测量方法。 再之。进行了测试系统的软件设计。主要介绍了面向仪器和测控过程的图形化开发 平台- - l a b v i e w 以及本测试系统的软件结构和实现方法。通过硬件与软件的配合，成 功组建了基于虚拟仪器的电液伺服阀c a t 系统。 最后，对动态特性测试系统的主要元件进行了详细的分析，建立了各元件的数学模 型以及位移反馈系统的数学模型，基于数学模型应用m a t l a b 软件对系统特性进行了 分析研究。并对课题研究进行总结，对进一步研究做出了展望。 这套系统的软件采用的是当前最流行的虚拟仪器编程软件l a b v i e w 7 1 ，在 w i n d o w sx p 操作系统下编制。人机界面友好，程序结构清晰，易于阅读与维护。实验 过程中所需的全部信号，均由软件编制的虚拟信号源发生，测试功能全部由虚拟仪器仪 表实现，节省了实际仪器仪表，大大降低了系统成本。 关键词：电液伺服阀；虚拟仪器；计算机辅助测试；静态特性测试：动态特性测试 计算机仿真 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e s tb e ds y s t e m s t u d y o n e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v ov a l v ec h a r a c t e r i s t i ct e s tb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v ei st h ek e yc o m p o n e n to f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，t h e t e s to fi t ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci ss i g n i f i c a n ti nt h e o r i e sa n dt e s tr e s e a r c ho f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r - a i d e dt e s t ( c a t ) t e c h r f i q u e ， t h et e s tt e c h n i q u eo fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v eh a sm a d eag r e a tp r o g r e s s ，a l s og o n eu pt o an e wh i g hl e v e lw i t ht h ea p p e a r a n c eo f v i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n i q u e b yc o m b i n i n gv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n i q u ew i t l lt h et e s tt e c h n i q u eo fe l e c t r o h y d r a u l i c s e r v ov a l v e ，t h et e s ts y s t e mo fe l e c t r o h y d r a u l i cs c r v ov a l v eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t sh a s b e e nd e v e l o p e db yt h eg r a p h i c ss o t t w a r e - - l a b v i e w t h et e s tp r i n c i p l ea n dm e t h o do f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v ew e r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t , d e s i g na n da n a l y s et h es c h e m eo fe l e c t r o h y d r a u l i cs e l v ov a l v es t a t i ca n dd y n a m i c s t a t ec h a r a c t e r i s t i ct e s t s y s t e m i tm a i n l yi n t r o d u c e s t h e c a p a b i l i t y s t a n d a r do f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v es t a t i ca n dd y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n di ta l s ot e l l st h eb a s i c t h e o r yo ft e s tp r i n c i p l e ，d a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g i tp a y sm o r ea t t e n t i o no i l _ d y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n du s e st w od i f f e r e n tm e t h o d si nf r e q u e n c yr e s p o n s e t e s t t h e n ，d e s i g nt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nf o rt e s ts y s t e m i tm a i n l yi n c l u d e sc h o o s h n g c o m p u t e r , s e u s o rd e v i c e ，s i g n a la d j u s t i n gd e v i c ea n dd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ea n da l s o d e s i g n i n gt h ea n t i - j a m m i n gm e a n sf o rt e s ts y s t e m i te m p h a s i z e st h et e s tt e c h n i q u eo f p r e s s u r e ， f l u xa n dl e a k i n e s s 。 n e x t ，d e s i g nt h es o f t w a r ef o rt e s ts y s t e m i tm a i n l yi n t r o d u c e st ou so n ek i n do fs o f t - w a r e b a s e do ng r a p h i c s - - l a b v i e ww h i c hi sf a c e dt oi n s t r u m e n ta n dt e s tp r o c e s sa n dp r o v i d e sar e a l m e t h o df o rt e s ts y s t e m i ts u c c e s s f u l l yb u i l d st h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e f v ov a l v ec a ts y s t e m b yc o m b i n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i n a l l y , p a r t i c u l a r l ya n a l y s et h em a i nc o m p o n e n t so fd y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i ct e s t i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s y s t e ma n db u j l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o re a c hc o m p o n e n ta n dd i s p l a c e m e n tf e e d b a c k s y s t e m a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，i tm a k e sf u t t h e rr e s e a r c h0 1 1s y s t e m s c h a r a c t e r i s t i cb yu s i n gm a t l a bs o f t w a r e i tg i v e sas u m m i n g u pf o rt h ea c h i e v e m e n ti nt h i s r e s e a r c ha n da l s op r o v i d e sad i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e t h ep r e v a i l i n gv i r t u a li n s t r u m e n t sp r o g r a m m i n gs o f t w a r e - - l a b v i e w 7 1i su s e dw i t h w i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m t h ei n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dp r o g r a ms t r u c t u r ei sc l e a ra n d e a s yt om a i n t a i n a sv i r t u a ls i g n a ls o u r c e sp r o d u c e sa l l t h es t i m u l a t i n gs i g n a l sa n dv i r t u a l i n s m m a e n t sp e r f o r m sa l lt h et e s t i n gf u n c d o n s ，t h i st e s t i n gs y s t e ms a v e sr e a li n s t r u m e n t sa n d l o w e r st h ee x p e n d i t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r o h y d r a u l i cs e l - v ov a l v e ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；c o m p u t e a i d e dt e s t ； s t a t i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i ct e s t ；d y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i ct e s t ； c o m p u t e rs i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 日期： a “ 学位论文版权使用授权书 缛：寿 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电液伺服阀是结合了机械、电子和液压技术的高度精密部件，电液伺服系统综合了 电和液压两方面的特点，具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大和 结构紧凑等优点，在军工和工业控制领域得到了广泛的应用。电液伺服阀是电液伺服系 统的核心，在电液伺服系统中，将电气部分和液压部分连接起来，实现电液信号的转换 和放大，它的性能直接影响甚至决定整个系统的性能。 由于电液伺服阀的高度精密性和在电液伺服控制系统中的关键地位，伺服阀的检测 对于保证伺服阀的性能指标及保证电液伺服系统准确、快速、稳定的工作有重要的意义。 本课题来源于东北大学液压实验室原有电液伺服阀测试试验台的改造”。原有测试 系统利用信号发生器、超低频频率特性测试仪、晶体管电压表、记录仪、示波器等来实 现，测试成本高、结构复杂、测试时受人为因素影响大、测试精度低。随着信号处理技 术和计算机技术的发展，出现了一种新型的测试系统，即计算机辅助测试( c a t ) 系统。 它是由计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各实 验参数，如压力、流量、转速、温度、扭矩等参数进行数据采集、量化和处理并输出测 试结果。c a t 的优点是测试精度高、测试速度快、数据处理能力强、可开展综合研究等。 本课题旨在原有伺服阀测试试验台的基础上，引入计算机辅助测试技术，实现电液 伺服阀测试过程的自动化，充分发挥计算机的优势，提高电液伺服阎测试的效率，增加 实验结果的准确度。测试方法严格依据电液伺服阀的测试标准，完成伺服阀的静态和动 态测试，得到其各项性能指标，并以适当的方式自动的显示和输出实验结果。 与液压c a t 密切相关的是测控仪器。其发展经历了模拟仪器、带g p i b 接口的智能 仪器到全部可编程的虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的历程。虚拟仪器的出现 与应用，使液压c a t 技术进入一个崭新的发展阶段。将l a b v i e w 应用在电液伺服阀计 算机辅助测试系统中，简化测试系统、提高测试系统的开发效率、增强系统的可扩展性、 大大降低实验成本，从而加快电液伺服阂计算机辅助测试系统的研制开发速度，是电液 伺服阀测试试验的重要分支，也是未来电液伺服阀试验的发展趋势。 1 2 电液伺服阀c a 丁技术的发展与现状 微型计算机的出现和普及，极大的推动了液压c a t 技术的应用和发展。国外，早 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在二十世纪六十年代中期开始，许多液压公司就开始了液压c a t 技术的研究。m o o g 公司于1 9 7 6 年发布了伺服阀计算机控制测试( c o m p u t e r c o n t r o l l e d t e s t i n g ) 的成果，该 系统能够在微机的控制下自动完成控制流量试验、压力增益试验、负载流量试验和频率 响应试验，还能够保存实验数据、打印实验曲线和数据。 国内，计算机辅助测试技术在液压系统测试中的应用已经十分广泛。我国从七十年 代后期就开始了液压泵、液压马达和液压阀的c a t 技术的应用研究，上海煤机所、上 海工业大学、中船7 0 4 所、北京工业学院等很多单位都曾做过这方面的研究。浙江大学 也在八十年代中后期开始了液压c a t 方面的研究，当时使用a p p l e i i 型微机开发了一 套通用液压元件的c a t 系统，到了九十年代，又在w i n d o w s9 8 平台上开发出s d t h 液 压元件c a t 系统。 由于电液伺服阀在电液控制系统中的重要地位，电液伺服阀的性能测试一直受到重 视。在c a t 的应用研究方面，许多单位已做了很多的工作，实现形式也是多样的。有 的系统使用微型计算机和单片机组成的主从结构，微机完成信号编排、信号处理、绘图 输出功能，单片视完成发信和数据采集功能。有的系统是计算机和g p i b 接口仪器组成 的c a t 系统，模拟信号的采集和处理在d s p 板上进行，x - y 记录仪用于绘制静态特性 曲线，相位分析仪和多通道示波器用于动态特性试验。最近，国内已经开始应用v x i 总线仪器结合虚拟仪器开发软件研制伺服阀的c a t 系统。还有就是“工控机十数据采 集卡+ 虚拟仪器软件”的模式，这种模式具有测试精度高，功能扩展灵活，结构简单、 成本低的优点，常作为c a t 系统的首选方案。 c a t 技术的研究是跟随计算机技术、电子技术和测试仪器的发展与时俱进的。微型 计算机的操作系统已经历过d o s 、w i n d o w s9 x 、w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 等升级 过程。c p u 也从最初的8 0 2 8 6 到现在的p e n t i u mi v 系列。计算机总线从x t 总线、i s a 总线、p c i 总线、到最新的p x i 总线。自动测试仪器也有了数据采集插卡、g p i b 、v x i 、 p 等多种类型。 特别是微型计算机操作系统的不断升级，促使c a t 技术为了适应新的要求而不断 改进。近些年来由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p ，简称n i ) 提出的虚拟 仪器的概念，为液压c a t 技术提供了新的发展方向和模式。本课题就是在虚拟仪器思 想的指导下，在w i n d o w s 操作系统上进行电液伺服阀的c a t 的开发与研究。 1 3 虚拟仪器概述 1 3 1 虚拟仪器的概念 - 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在过去的2 0 年中，p c 机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新， 其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现和发展。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简 称) 是计算机技术、现代测控技术和电子仪器技术相互结合的产物。它是全新概念 的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现使测量仪器与计算机之间的界线消失， 开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革命i 粥i 。 所谓虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面 板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，用来完成传统仪器的功能。使用 者用鼠标点击虚拟面板，就可以操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用电 测量仪器。虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机问的界线模糊了。虚拟仪器是利 用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测试结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，用i o 接口设备完成信 号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。常见的虚拟仪 器组建方案如图1 1 ： 图1 1 常见的虚拟仪器组建方案 f i g 1 1s t r u c t u r es c b e m eo fc o m m o nv i r t u a li n s t r u m e n t “虚拟”二字包含两方面的含义： ( 1 ) 虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是 相同的。如由各种开关、按键等实现仪器电源的“通”、“断”；被测信号“输入通道”、 “放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件部是实物，而且是用手动和接触进行操作的，而虚拟仪器面 板控件是外形与实物相像的“图标”、“通”、“断”、“放大”等，对应着相应的软件程序。 这些软件已经设计好了，用户不必设计，只需选用代表该种软件程序的图形控件即可， 由计算机的鼠标来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口中摆 放所需的控件，然后编写相应的程序。可以利用虚拟仪器的软件开发工具，l a b v l e w 、 l a b w i n d o w s c v i 等编程语言，在短时间内轻松完成美观而又实用的虚拟仪器面板的设 计。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以计算机为核心的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的测试功能，而且 可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能，因此有在硬件平台确定 后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计算机深层次的结合。 1 3 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可吐利用p c 机组建灵活的虚拟仪器，更重要的是它可 以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以通过与不同的接口总 线的通讯，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元调配并组建成为中 小型甚至大型的自动测试系统。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软 件”。传统仪器与虚拟仪器的比较如表1 1 所示【4 1 = 表1 1 传统仪器与虚拟仪器比较 t a b l e l 1c o m p a r i s o no f t r a d i t i o n a la n dv i r t u a li n s t r u m e n t s 1 3 3 虚拟仪器的发展状况 电子测量仪器发展至今，大体经过了四代发展历程。模拟仪器、数字化仪器、智能 仪器和虚拟仪器 卯。 第一代：模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。如 指针式万用表、晶体管电压表等。 第二代：数字式仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这 d 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快 速响应和较高准确度的测量。 第三代：智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据 处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但是它的功能块全部都是 以硬件( 或固化的软件) 形式存在，无论是在开发还是应用中，都缺乏灵活性。 第四代：虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它 对传统仪器观念进行了一次巨大变革，是将来仪器产业发展的重要发展方向之一。 虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司于1 9 8 6 年提出的。8 0 年代以来，n i 公司研 制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类新型仪器世界第一大生产大户。此后， 美国的惠普( 1 i p ) 公司，t e k t r o n i x 公司，r a c a l 公司等也相继推出了许多此类仪器，并 在短短的1 0 余年便占有了世界仪器市场的1 0 左右。目前，虚拟仪器在发达国家已经 十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门 必修课。据“世界仪表及自动化”杂志预测，2 1 世纪初叶，世界虚拟仪器的生产厂家将 超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率达到5 0 左右。虚拟仪器将成为下一世纪 仪器发展的方向，而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者 利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器系统，并编制测试软件。最 早和最具影响的开发软件，是n i 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d o w s c v l 开发软件。 l a b v l e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的，w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀开 发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i x 公司的e z - t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e m d a t a 公司的s n a p m a s t e r 平台软件，也是国际上公认 的优秀虚拟仪器开发平台软件。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步阶段。从9 0 年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学以及中 科泛华电子科技公司、东方震动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟仪 器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收n i 等公司产品方面做出了大量工作，其成果 已在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得到应用。其中，成果比较显著的是重 庆大学测试中心所研究的虚拟仪器，其研制的产品己包括示波器、f f t 分析仪、噪声测 试分析仪、小波变换信号分析仪、多通道数据采集器等2 0 多个品种，并且可以根据客 户需求进行个性化设计。这些虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试结果表明，其产品 - 5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 性能完全达到同类硬件仪器的技术指标。重庆大学进行的开发工作与国外的n i 公司在 技术路线上最大的区别在于：直接提供仪器本身，而不需要操作人员有较高的计算机软 硬件知识，因此可广泛使用在教育、科研、工业生产等领域。在国内，已有部分院校的 实验室引入了虚拟仪器系统，其中包括上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、 华中科技大学、四川联合大学等等。近年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新 的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中科技大学机械学院信息所开发出的i n v e n t o r 可重构虚拟试验台，深圳市蓝津信息技术有限公司开发出了d r v i 可快速重组虚拟仪器 平台，可广泛用于实验室、工程测控等场合。另外，上海仪器仪表研究所承担了上海市 科委下达的虚拟仪器科技攻关项目，该项目在w i n d o w s 9 5 9 8 平台上创建了七十余种的 仪器控件，并应用这些控件组件了虚拟仪器面板，充分体现了虚拟仪器的优越性。该课 题“接近国际先进水平，达到国内领先水平”。浙江大学仪器系在“九五”期间也开发 了中文v p p ( 可视化平台) ，它们为实现仪器编程提供了便捷的途径。此外，国内已有 几家企业在研制虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司的产品已达到一定的批量。 其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形 记录仪系列。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。国内将 有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行情况进行实时监测。随着微型计算机的 发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 以h l t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及其相关技术的日益完善，使传统的通 讯方式突破了时空限制和地域限制，大范围的通信变的越来越容易。i n t e m e t 相关技术， 己被广泛应用于各行各业，对测控系统的组件也产生了越来越大的影响。 一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位鼍，仅有 一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整 个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”的 出现成为必然。“网络就是仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发战略， 促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。 1 。3 4 虚拟仪器的构成及分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。 1 3 4 1 通用仪器硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： ( 1 ) 计算机；一般为一台工控机或者工作站，它是硬件平台的核心。 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际 情况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集卡板( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器、串口仪器等。虚拟仪器的构成主要有五种类型f 6 ，如图1 2 所示： f 被测信号l 图1 2 虚拟仪器的构成方式 f i g 2c 6 m p o s e df o r m sd fv i r t u a 】i n s l r u m e a t ( 1 ) p c d a o 插卡式 这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和 虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于 a i d 转换技术。这种方式受p c 机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电 平较高、无屏蔽、插槽数目不足、尺寸较小等缺点。不过，随着基于p c 的工业控制计 算机技术的发展，p c - - d a q 方式存在的缺点已经和正在被克服。 因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适用 于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 ( 2 ) 串口总线式 r s 2 3 2 总线是早期采用的通用串行总线，最初多用予数据通信上，但随着工业测 控行业的发展，许多测量仪器都带有r s 2 3 2 串口总线接口。将带有r s 2 3 2 总线接口的 仪器作为i o 接口设备，r s 一2 3 2 串口总线与p c 组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪 器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。与g p i b 总线、v x i 总线、p x i 总 线相比，它的接口简单，使用方便。当今，p c 已更多地采用了u s b 总线和i e e e1 3 4 9 总线。尤其是i e e e1 3 4 9 总线，它是一种高速串行总线，由它构建的虚拟仪器系统的数 据传输速率已经达到1 0 0 m b s 。 ( 3 ) g p i b 总线方式的 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的v i 早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的 单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c 机，块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下，一块g p i b 接口 卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 r n 。 一7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很 方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g p i b 测试系统的结构和命令简 单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求 和总线控制实时性要求不高的传输场合应用。 ( 4 ) v x i 总线方式的v i v x i 总线是高速计算机总线v m e 在v i 领域的扩展，具有稳定的电源、强有力的 冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力 强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到了广泛的应用。 经过多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势， 适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但v x i 总线要求 有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 ( 5 ) p x i 总线方式的v i p x i 这种新型模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要 求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块问高速通讯的局部总线 以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 由上可知，无论哪种系统都是将硬件设备搭载到台式p c 、工作站或笔记本电脑 等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了用计算机的全数字化的采集测试 分析。因此v i 的发展完全跟计算机的发展步伐同步，显示出的灵活性和强大的生命 力。 1 3 4 2 软件结构 虚拟仪器系统的软件结构有三个层次 8 1 ，如图1 3 所示： 刁 一应用程序开发环境厂7 | 一驱动程序 l 工，o 接口软件 图1 3 虚拟仪器软件结构 f i g 1 3s t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e ( 1 ) i o 接口软件 i o 接口软件是测试系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的底层通 讯协议。当今优秀的虚拟仪器软件都建立在个标准化i o 接口软件组建的通用内核上， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口( a p i ) ，使用户的测试系统能够 自由灵活的选择不同的计算机平台和仪器硬件。 ( 2 ) 驱动程序层 仪器驱动层是对仪器硬件进行通讯和控制的软件层。在过去，这部分都是由用户编 写，对每一个仪器硬件编制特殊的驱动代码，使测试系统的开发周期变得很长。今天， 仪器驱动程序都是以模块化、与设备无关的方式向用户释放，供用户迅速将仪器连入自 己的测试系统。另外，标准化的驱动程序还可以在不同的系统和配置中重复使用，节省 了大量的开发费用。 驱动程序的实质是为用户提供一个用于控制仪器操作的函数集。对于应用程序来 说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。对于应用程序设计人员来说，有了 驱动程序，即是是在不很了解仪器内部操作的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计 工作。 ( 3 ) 应用程序开发环境 应用程序开发环境是用于编写应用开发程序的编程工具，与仪器的硬件系统无关， 可因开发人员的喜好而选择，但最终都必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用 程序。 1 4 本文研究的主要内容 本文的研究对象为电液伺服阎计算机辅助测试系统以及虚拟仪器技术在电液伺服 阀c a t 中的应用，目的是研制出套基于虚拟仪器的电液伺服阀静、动态特性测试试 验台，研究电液伺服阀静、动态特性测试的相关理论。因此，研究工作包括电液伺服阀 静动态特性测试方法的理论分析、实验硬件的配置及虚拟仪器测试软件的编程。 首先，进行了电液伺服阀静动态特性测试系统方案设计分析。主要介绍了电液伺服 阀静动态特性的性能指标、测试原理、数据采集和信号处理的基本理论。对动态特性测 试进行了重点分析分析，决定采用两种不用的方法进行频率响应测试。 然后，进行测试系统的硬件设计。主要包括微型计算机、传感装置、信号调理装置、 数据采集设备以及测试系统抗干扰的分析与设计。重点介绍了实验过程中压力、流量、 泄漏流量的测量方法。 再之，进行了测试系统的软件设计。主要介绍了面向仪器和测控过程的图形化开发 平台- - l a b v i e w 以及本测试系统的软件结构和实现方法。通过硬件与软件的配合，成功 组建了基于虚拟仪器的电液伺服阎c a t 系统。 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 最后，对动态特性测试系统的主要元件进行了详细的分析，建立了各元件的数学模 型以及位移反馈系统的数学模型，基于数学模型应用m a t l a b 软件对系统特性进行了 分析研究。并对课题研究进行总结，对进一步研究做出了展望。 一1 0 东北大学硕士学位论文第二章电液伺服阀静动态特性测试原理分折 第二章电液伺服阀静动态特性测试原理分析 2 1 电液伺服阀的特性及主要性能指标 从试验角度出发考核一个液压元件，主要是看其各种输入输出特性是否满足预定的 要求或规定的指标。为了全面、科学地评价其性能，人们根据科学研究及生产实际中对 液压元件的各种性能要求，规定了一些能表征这些性能的参数及获得这些参数的实验方 法与实验数据处理方法，并把它们制定成标准，作为人们进行试验研究及产品检验的依 据。 电液伺服闵是非常复杂而又精密的液压元件，其性能参数和指标非常繁多，要求也 十分严格网。电液伺服阎主要的静态特性有：负载流量特性、空载流量特性、压力特性 和内泄漏特性。主要的动态特性有：频率响应特性。此外因为伺服阀经常在零位区域工 作，所以零区特性特别重要。 2 1 1 电液伺服阀静态特性 2 。1 。1 。1 负载流量特性 以力反馈两级电液伺服阀为例，以伺服阀位移血。为输出量，以伺服放大器电压“ 为输入量，传递函数可近似表示为 墨：堡垒 哮邶唔+ 鲁川， 若以电流f 为输入量，则上式可写成 在稳态工作时s = o ，由式( 2 2 ) 可得阀芯位移与输入电流f 关系式 = k 。 把其代入电液伺服阀的流量方程可得伺服阀流量特性方程 绕= c a w a i k 。托f i 沥 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 东北大学硕士学位论文第二章电液伺服阀静动态特性测试原理分析 其中，渺表示阀口的面积梯度。 式( 2 4 ) 表示在p ，为定值情况下，对不同的a i 可得一簇负载流量曲线，如图2 1 所示。 l 骁 念一 心 0 n 图2 1 负载流量特性曲线 f i g 2 1c u r v eo fl o a d f l o wc h a r a c t e r i s t i c 负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性，要测量出这簇曲线比较困难，特 别是在零位附近很难测出精确的数值，而伺服阀却正好是在零位工作，因此这簇曲线主 要是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力 相匹配。 2 1 1 2 空载流量特性 伺服闽的空载流量特性曲线通常简称流量曲线，它是指在供油压力见为定值、负载 压力p ，= 0 时，输出流量q 与输入电流t ( 一般情况下舡用表示) 之间的函数关系曲 线。由式( 2 4 ) 可知在满足上述条件的情况下，空载流量特征方程为 厅一 q l = c d w ki 。1 e 见 ( 2 ，5 ) vp 式( 2 5 ) 表示的空载流量特性曲线是条经过坐标原点的直线。但是由于力矩马达 的磁滞现象和伺服阀有滞环，故实际的越线如图2 2 所示。 匕 l 一 t c 图2 2 流量特性曲线 f i g ，2 2c u r v eo ff l o wc h a r a c t e i i s t i c 1 2 东北大学硕士学位论文第二章电液伺服问静动态特性测试原理分析 它是输入电流在一个周期内变化的过程中，记录输出流量和输入电流所得到的曲 线，根据此曲线可以确定出伺服阀的额定流量、流量增益、滞环、对称度、零偏等参数。 最重要的是它能提示出零位特性的类型( 如零开口、正开口、负开口) 。 2 ，1 1 3 压力特性 伺服阀的压力特性表示在供油压力p 。为定值，两个负载口关闭，即q ：c0 时，负载 压力与输入电流的关系。压力特性曲线一般由实验测定，曲线如图2 3 所示。 c 纩 ， d 如 二 图2 3 压力特性曲线 f i g 2 3c u r v eo ff l o wc h a r a c t e r i s t i c 压力特性曲线的测试要求供油压力为伺服阀的额定压力，负载口关闭，电流在正负 额定值之间一个循环周期内，测出负载压力与电流关系曲线。由曲线可求出在最大负载 压降4 0 之间压力特性曲线的平均斜率，即为压力增益。如果伺服阀压力增益高，那 么伺服系统刚度大，克服负载的能力强。 2 ，1 1 4 内泄漏特性 伺服阀的内泄漏是指伺服阔输出流量为零时，扶回油口流出的全部流量，也州静耗 流量，用q 表示。它随输入电流的变化而变化，当阕芯处于零位时泄漏量最大。 图2 , 4 内泄漏特性曲线 f i g 2 4c u r v eo fi n n e ri c a k a g r c h a r a c t e r i s t i c 内泄漏特性需要通过测量得到，当供油压力p ，为额定值，输出流量鲮= 0 时，在 半个输入电流周期内，记录下回油口流量对输入电流的关系曲线。对于两级电液伺服阀 1 3 东北大学硕士学位论文第二章电液伺服阀静动态特性测试原理分析 来说，内泄漏包括前置级泄漏量和输出级泄漏量q 两部分组成。如图2 4 所示，其 中q c 表示零位时泄漏量。最大泄漏量是制造新阀质量的标准和评价旧阀磨损情况的指 标。 2 1 2 电液伺服阀动态特性 电液伺服阀的动态特性通常用它的频率特性( 或称频率响应特性) 来表示。电液伺 服阀的频