（机械电子工程专业论文）水介质电磁阀测试系统基于综合设计法的研究.pdf

h h ， i - ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g i l llli lli ll li i l ll riii y 18 4 0 7 6 5 a r c ho nt e s t i n gs y s t e mo f e l e c t r o m a g n e t i c e sf o rw a t e rm e d i umb a s e do ni n t e g r a t i o n d e s i g n i n gm e t h o d b yz h a os h u d a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uh o n g y i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ，p j y 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：己 恧。 学位论文作者签名：起_ 嘲 日 期：口口g 午l 同加目 学位论文版权使用授权书 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i il，。t j _ 东北大学硕士学位论文 摘要 水介质电磁阀检测系统基于综合设计法的研究 摘要 本课题是以东北大学与某电磁阀厂的实际合作项目为背景进行的，此项目为“电磁 阀实验台架改造 演变成最后的电磁阀检测系统的研究与开发。因此，根据厂方的相关 要求，设计了一套系统、全面、智能、高效的电磁阀检测系统，改变了现有的手动检测 装置效率低、测量不准确等诸多缺点的现状。论文主要针对水介质电磁阀检测系统部分 进行深入的研究，使其可以在水介质下完成电磁阀的动作实验、密封实验、泄漏实验、 寿命实验、k v 值实验、流阻实验、响应时间实验和耐压强度实验。 论文对水介质电磁阀检测系统的研究是基于综合设计法进行的，从系统的广义质量 出发，对系统进行了功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计及可视优化设计，从 而得出一套完整、有效、高性能的电磁阀智能检测系统。因此，本论文从以下四个方面 进行研究： 1 根据电磁阀的国家规范和行业标准及厂方要求，对水介质电磁阀检测系统进行 功能分析和优化设计，从而进行方案确定，并最终确定每个实验的流程图。 2 对整个系统进行动态优化设计，运用图形化建模仿真软件a m e s i m 对系统进行 建模仿真，从开环系统和闭环系统两种情况分析系统压力和流量在实验过程中 随时间的变化情况，从而更深入的分析、确定实验过程，有利于程序的编写和 进一步优化，使检测更加快速和准确；并分析蓄能器在系统中的作用，使系统 更平稳和完善。 3 对系统的控制部分进行智能优化设计，包括p l c 顺序控制的优化设计，通过变 频器控制水泵，使系统达到并稳定在某一实验压力的优化设计，以及对系统压 力的控制方法设计，采用基本二维模糊控制和参数自适应模糊p i d 两种控制方 法进行仿真和比较。 4 基于l a b v i e w 的系统可视优化设计，包括对系统的操作界面、实验界面、系统 监视界面、参数设置界面和打印界面的优化设计，使系统能够提供给操作者尽 可能多的信息，且简洁、直观、易于操作的界面。 关键词：电磁阀；检测系统；综合设计法；l a b v i e w ：p l c ：仿真 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nt e s t i n gs y s t e mo f e l e c t r o m a g n e t i c v a l v e sf o rw a t e rm e d i umb a s e do n i n t e g r a t i o n d e s i g n i n g methoddesigning m e t h o d a bs t r a c t t h et h e s i sr o o t si nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c t , t h en a m eo fr e c o n s t r u c to fe l e c t r o m a g n e t i c v a l v e st e s t i n gs y s t e m , w i t ho n e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sc o ，l t d a c c o r d i n gt od e m a n d so f t h ec o m p a n y , as u i to f t e s t i n gs y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s 谢mt r a i t so fs y s t e m ，i n t e g r i t y , i n t e l l i g e n c e ，h i g he f f i c i e n c yf o rw a t e rm e d i u mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s i tc h a n g e dt h e a c t u a l i t yo ft h ee x i s t e n tm a n u a lt e s ts y s t e mh a sd i s a d v a n t a g e so fl o we f f i c i e n c ya n d i m p r e c i s i o na n ds oo i lt h es y s t e mc o u l dp e r f o r ma c t i o nt e s t , s e a lt e s t , l e a kt e s t , l i f e s p a nt e s t , k vt e s t ，f l o wr e s i s t a n c em o d u l u st e s t , r e s p o n s et i m et e s ta n dr e s i s t i n gh y d r a u l i cp r e s s u r et e s t f o re l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h e t e s t i n gs y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sf o rw a t e r m e d i u mb a s e do ni n t e g r a t i o n d e s i g n i n gm e t h o d i tc a r r i e so u tf u n c t i o no p t i m i z a t i o n d e s i g n i n g ，d y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n i n g ，i t e l l i g e n c eo p t i m i z a t i o nd e s i g n i n ga n dv i s i b i l i t y o p t i m i z a t i o nd e s i g n i n gi no r d e rt oc o m p l e t eas u i to fa u t o m a t i ct e s ts y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i c v a l v e sw i t hi n t e g r i t y , h i g he f f i c i e n c y , h i g hc a p a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h et h e s i sc a r r i e so u tr e s e a r c h f r o mf o u rp a r t sa sf o l l o w ： t h ef k s tp a r ti s ，a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a lc r i t e r i o na n dt h ei n d u s t r yc r i t e r i o na n dt h e r e q u i r e m e n to ft h ec o o p e r a n tc o m p a n y , t oc a r r yo u tf u n c t i o na n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g n i n g , a n dd e s i g nt h ep r o j e c to ft h et e s t i n gs y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sf o rw a t e r m e d i u m , a n de v e n t u a l l ye d u c et h ef l o wo fe v e r yt e s t t h es e c o n dp a ni st oc a r r yo u td y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n i n gt ot h ep r e s s u r eo ft h e w h o l et e s ts y s t e m u s i n gg r a p h i cm o d e l i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea m e s i mt om o d e l i n ga n d s i m u l a t et ot h es y s t e m ，a n df r o mo p e nl o o ps y s t e ma n dc l o s e dl o o ps y s t e ma n a l y z et h e p r e s s u r ea n df l o wo ft h es y s t e mi no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ep r o c e s so ft h et e s t ，w h i c hm a k ef o r p r o g r a m m i n ga n do p t i m i z i n gt h ep r o g r a m m ea n dm a k et h et e s tf a s t e ra n dp r e c i s e r a n da l s o a n a l y z et h ef u n c t i o no ft h ea c c u m u l a t o ri no r d e rt om a k et h es y s t e mm o r ec o n s u m m a t e i i i i ， a b s t r a c t a d o p t i n gt w ok i n d s o fc o n t r o lm e t h o di n c l u d i n gb a s i ct w od i m e n s i o nc o n t r o la n dp a r a m e t e rs e l f - a d a p t i v ef u z z y p i dc o n t r o lt os i m u l a t ea n dc o m p a r e t h ef o u r t hp a r ti st oc a r r yo u tv i s i b i l i t yo p t i m i z a t i o nd e s i g n i n gb a s e do nl a b v i e w , i n c l u d i n go p t i m i z a t i o nd e s i g n i n go ft h eg u i ，s t a k e o u ti n t e r f a c e ，p a r a m e t e ri n t e r c a l a t e i n t e r f a c ea n dp r i n ti n t e r f a c eo ft h es y s t e mi no r d e rt om a k et h es y s t e mc a np r o v i d et h e o p e r a t o rm o r ei n f o r m a t i o n , a n dh a v ec o m p a c t , i n t u i t i o n i s t i ca n de a s yo p e r a t i n gi n t e r f a c e k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s ；t e s t i n gs y s t e m ；i n t e g r a t i o nd e s i g n i n gm e t h o d ；l a b v i e w ； p l c ；s i m u l a t i o n l vo 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 课题的目的和意义1 1 3 国内外研究现状及发展动态一2 1 4 论文内容概要4 第2 章系统方案确定及功能优化设计5 2 1 综合设计法5 2 1 1 产品的质量和广义质量5 2 1 2 综合设计法的内涵5 2 1 3 综合设计法的优点7 2 2 设计原则和主要技术参数7 2 2 1 设计原则7 2 2 2 电磁阀基本参数8 2 2 3 系统技术参数9 2 3 实验要求9 2 3 1 出厂实验要求9 2 3 2 新产品开发性能检测实验要求1 0 2 4 测试系统方案设计及功能分析1 0 2 4 1 总体方案设计。lo 2 4 2 主要实验台结构及功能分析1 2 2 4 3 耐压强度实验台架结构及功能分析。1 3 2 4 4 实验方法的研究1 3 第3 章系统动态优化设计2 5 目录 ：1 5 i m 。2 5 1 ：1 6 3 1 3 数据库创建工具w e c u s o m 2 6 3 1 4 运行工具a m e r u n 2 7 3 2 建模仿真软件a m e s i m 的基本特性2 7 3 3 基于a m e s i m 的液压系统建模和仿真2 9 3 3 1 选择所需元件并建模2 9 3 3 2 设置子模型3 0 3 3 3 设置参数31 3 3 4 模型仿真3 3 第4 章系统智能优化设计3 9 4 1 系统总体控制方案设计3 9 4 1 1 控制过程概述3 9 4 1 2 工控机与p l c 通讯4 0 4 2 基于p l c 顺序控制4 0 4 2 1p l c 控制柜的布置。4 0 4 2 2p l c 系统输入输出端子地址分配4 1 4 2 3p l c 系统软件设计4 2 4 3 变频器控制水泵4 2 4 3 1 控制系统设计4 2 4 3 2 工作原理4 3 4 4 系统压力控制方法4 4 4 4 1 模糊控制系统结构4 4 4 4 2 在l a b v i e w 中设计模糊控制器4 9 4 4 3l a b v i e w 模糊逻辑工具箱的不足及改进5 2 4 5 参数自适应模糊p i d 控制5 2 4 5 1 参数自适应模糊p i d 系统结构5 2 4 5 2 参数自适应模糊p i d 控制器的设计5 3 。 东北大学硕士学位论文 目录 4 6 控制系统仿真5 7 4 6 1 仿真程序5 7 4 6 2 基本二维模糊控制器的仿真5 9 4 6 3 参数自适应模糊p i d 控制器的仿真6 1 4 6 4 仿真时参数调整方法6 1 4 6 5 仿真结论6 3 第5 章系统可视优化设计6 5 5 1 系统操作界面设计。6 5 5 2 参数设置界面设计6 6 5 3 实验界面设计6 7 5 4 系统监视界面设计6 8 5 5 打印界面设计6 9 第6 章结论7 1 6 1 研究结论7 1 6 2 展望与探讨7 2 参考文献7 3 致谢7 6 _ll 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 本课题来源于东北大学与某电磁阀厂的合作项目，即“电磁阀实验台架改造”项目。 根据“某电磁阀有限责任公司实验台架改造技术要求”，要建立一套高性能、实用性强、 节能环保、扩展性好、自动化程度高的电磁阀检测系统。该系统可以在水、油、气介质 和真空条件下对电磁阀进行测试，可以进行电磁阀的动作实验、密封实验、泄漏实验、 k v 值实验、流阻实验、寿命实验、响应时间实验和耐压强度实验。在这个项目中，论 文作者负责设计水介质电磁阀检测系统。水介质电磁阀检测系统以清洁水为实验介质， 从检测方法上可将系统分为自动检测系统和手动检测系统两部分，自动检测系统应用 l a b v i e w 和p l c 编程在计算机上实现对整个系统的控制，从而实现动作实验、密封实 验、泄漏实验、k v 值实验、流阻实验、响应时间实验和寿命实验的测试：手动检测系 统只进行耐压强度实验。 目前该厂的两位两通阀测试实验还不能实现自动化控制，靠人工控制测试电磁阀的 密封实验、动作实验、耐压强度实验等，人为因素在测试过程中的影响很大，产品性能 测试的可靠性很难保证，还不能准确测出泄漏量，以及j b 7 3 5 2 标准要求测量的项目， 如响应时间实验、实验数据的分析和处理、记录等，而且实验装置的工作效率很低，不 能满足厂方的需求，急需改进，以适合生产发展的需要。 1 2 课题的目的和意义 电磁阀结构简单，外形尺寸小，比调节阀等其它种类执行器易于安装维护，其显著 的优点是所组成的自控系统较简单，且响应时间可以短至几个毫秒，即使是先导式电磁 阀也可以控制在几十毫秒内。并且由于电磁阀是开关信号控制，与工控计算机连接十分 方便。电磁阀使用安全，尤其适用于腐蚀性、有毒或高低温的介质。因此，电磁阀广泛 应用于汽车工业、航空工业和船舶工业等各个领域。 随着对电磁阀数量需求越来越大，对其性能指标要求越来越高。电磁阀是与企业安 全生产直接相关的重要工业产品，其安全性非常重要。我国曾因电磁阀的质量低劣，发 生锅炉爆炸、消防失灵等严重事故。这就客观地要求建立精确、高效、智能的电磁阀检 测系统。 第1 章绪论 业和船舶工业等各个领域。在一些发 较高，其在电磁阀性能综合测控系统 片制造技术和嵌入式开发技术的不断 的开发上也逐渐走向了微机化和智能 应用技术、传感技术、数字信号处理 电磁阀的综合性能，从而在电磁阀综 合性能测试系统的设计上一直处在国际领先水平。 我国在这方面的发展速度比较缓慢，整体的自动化水平不高，有些测控系统还处在 半手工半自动化的状态。国内某些厂家只生产一些单项实验测试台，如电磁阀外漏测试 台、电磁阀流量测试台，一些大型的电磁阀厂的测试系统也多是手动控制，且由于存在 某些人为因素，效率不高，很难提高整体电磁阀产品的综合技术性能指标。可以进行多 种实验且整个过程自动控制的综合测试系统并不多见。 传统的阀类测试与分析大多采用手动操作，其测试参数主要是通过压力表、流量计、 电子秒表、量杯、转矩仪、转速表、光电测速仪的读数获得，准确度( 精度) 较差，且对 其负载变化过程中表现出的流量、功率、转速转矩、效率、速度等相应性能参数的连续 测试存在相当大的难度，数据处理、图形显现也相当费时。最近几年，液压件生产厂家、 大规模液压设备使用厂家和部分高等院校相继设计并研制了液压实验台。这些实验台， 采用了目前较为先进的p l c 和计算机语言控制，测试范围广、测试精度高，但测试方 法较为复杂，要求操作人员的计算机程序语言水平较高，故普及性较差。 计算机控制的电磁阀测试技术，其先进性首先表现在其准确性和数据管理的方便性 上。目前使用的压力传感器最小分辨率可达几十帕，流量传感器最小分辨率可达m l s 量级，其精确度和分辨率基本上可以达到测量要求。其次，由于计算机采样频率高，测 试结果能如实地反映电磁阀的动态特性，模拟实际工况。超大存储量的计算机硬盘使保 存和建立实验数据库、查询及总结变得非常方便。计算机辅助测试系统主要由信号采集、 信号调理、i 0 接口、数据采样处理和结果输出五大部分组成，其中应用了智能控制、 数据采集与分析等理论与技术，提高了电磁阀测试系统的效率及可靠性，对理论研究及 实际应用具有重要的意义。解决测试系统压力、流量控制的应用p l c 的智能控制是目 前先进的智能控制方向，虚拟仪器技术及l a b v i e w 软件在测试领域中也应用广泛。 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 长期以来，我国一些企业和科研院所在这方面作了大量的研究和设计工作，并取得 了一定的成果。现在，随着我国经济的飞速发展，一些设计技术得到了成熟和完善，如 计算机技术、微电子技术、现代新型传感器技术等。这些技术也逐渐被我国的科研人员 运用并自行研发和设计了一系列的测控系统，大大提高了我国在研制测控系统领域的整 体自动化水平。北京理工大学用c + + 语言开发了的宝钢综合液压实验台比例阀测试系 统，浙江大学用t u r b oc 语言开发了杭州液压件厂比例阀测试系统。在这些系统中，都 采用“微机+ a d d a 采集卡”及相应传感、变换电路组成信号发生和采集的硬件系统， 结合编制的专用软件组成比例阀测试系统，以替代信号发生器和x y 记录仪。目前国内 常见的电磁阀辅助测试系统基本上是采用c 语言设计的专用软件，用户可以按照程序中 预先设计的项目进行实验。近年来，应用组态软件、美国f i x 工业过程自动化测控软 件及美国n i 公司开发的l a b v i e w 虚拟仪器软件的测试系统越来越多。在国际上，测试 系统中虚拟仪器的应用非常先进且应用广泛。美国h r 公司的伺服阀测试台，应用了国 际上先进的测试技术，是具有国际先进水平的自动化测试设备。该系统采用世界上先进 的v x i b u s 技术完成实现了传统测试设备的虚拟化，系统通过软件技术实现了所有测 试过程的虚拟化，充分体现了虚拟仪器技术的先进性，同时也实现了测试过程的自动化。 水介质电磁阀测试系统应用了以p l c 为基础的智能控制方法和虚拟仪器技术，并 结合现代的综合设计法对系统进行设计。可编程控制器( p l c ) 是一种新型的通用自动 控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通讯技术融为一体，专门为 工业控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用 方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点，因此，在工业控制中的应用越来越广 泛，近年来发展很快。在压力控制上，融现代电子技术和微机控制技术为一体的p l c 系统和变频调速系统在供水系统中的应用广泛，通过两者的共同作用，实现了对系统精 确的稳压控制，这对提高水介质测试系统的检测精度十分重要。虚拟仪器技术应用成熟 的主流计算机技术，配合革新性的灵活软件和模块化高性能硬件产品，让使用者能够建 立功能强大的基于计算机的仪器解决方案。随着现场总线技术和计算机测控技术的飞速 发展，利用虚拟仪器技术实现对p l c 控制系统及大型控制系统的状态监测和故障诊断， 对于工业生产和设备制造都具有重要的意义。 随着现代科学技术的快速发展与市场竞争的日益激烈，对产品的质量( 这里指广义 质量) 要求越来越高，而产品的质量在很大程度上决定于设计方法，长期以来，科技工 作者试图通过各种设计方法来满足用户对产品广义质量的要求，尽最大努力来提高所研 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制产品的质量。到目前为止，己提出了数十种设计方法，诸如概念设计、可靠性设计、 动态设计、优化设计、智能设计、虚拟设计和绿色设计等，这些设计方法可以从不同角 度来满足用户对产品广义综合质量的要求。但是在产品设计中全面采用所有这些设计方 法是不现实的，只能选择对产品广义质量有重要影响的少数几种方法进行产品设计，而 对其它设计方法所能实现的对产品质量的要求，只能在设计过程中进行适当的考虑，对 产品质量影响不大的设计方法甚至不予考虑。而综合设计法作为一种现代的设计方法， 以产品的广义质量( 即产品的全部功能和性能) 为目标，以多学科( 即现代机械科学和 技术、线性和非线性动力学、线性和非线性控制理论等) 的理论与技术为基础，以功能 设计、动态设计、智能设计和可视设计为内容，是对产品全功能和全性能的优化综合设 计，可以在较大范围内满足用户、企业及社会对产品广义质量的要求。论文所研究的水 介质电磁阀检测系统就采用综合设计法，对整个系统进行全功能与性能的优化设计。 1 4 论文内容概要 本课题是水介质电磁阀测试系统基于综合设计法的设计和研究，要求利用综合设计 法对系统进行综合设计，以达到使该系统能完成动作实验、密封实验、泄漏实验、k v 值实验、流阻实验、寿命实验、响应时间实验和耐压强度实验，整个系统包括机械( 液 压) 和控制两个部分，在后面章节中论文将对其具体介绍。以下是论文的章节安排： 第一章概述课题的研究背景来源与当前发展状况。 第二章确定水介质电磁阀检测系统方案，并进行功能分析和优化设计，最终确定实 验方法及绘制流程图。 第三章进行系统动态优化设计，运用图形化建模仿真软件a m e s i m 对系统进行建 模仿真，从开环系统和闭环系统两种情况分析系统压力和流量在实验过程中随时间的变 化情况，从而更深入的了解实验过程，有利于程序的编写和优化，使检测更加快速和准 确：并分析蓄能器在系统中的作用，使系统更完善。 第四章进行系统智能优化设计，确定系统的控制方案，介绍了p l c 的顺序控制、 变频器控制水泵，使系统达到并稳定在某一实验压力的优化设计，及压力控制方法的选 择、建立与仿真。 第五章进行系统可视优化设计，利用l a b v i e w 对系统的操作界面及监控界面进行设 计，使整个系统达到可视化，利于操作者操作的目的。 第六章是论文的总结，对论文的工作做了总结，并提出了一些不足之处。 4 东北大学硕士学位论文第2 章系统方案确定及功能优化设计 第2 章系统方案确定及功能优化设计 2 1 综合设计法 水介质电磁阀检测系统属于液压机械系统，具有复杂、多因素时变，功能众多的特 点，为了使其更完善、更加系统化，且有好的发展前景，以满足用户的需求，对本系统 采用综合设计法进行多方面的优化设计，使其在功能和性能上达到最优。 2 1 1 产品的质量和广义质量 一般我们所说的产品的质量是指产品的使用质量，这是因为产品是为用户所使用和 服务的，所以，产品的使用质量或产品的质量可以定义为执行或完成使用的工作要求所 能表现的能力或水平。而产品的广义质量和产品的质量是不同的，产品的质量是从产品 的使用角度出发，而产品的广义质量是从产品的设计出发，也称为产品的设计质量，它 不仅包含用户提出的质量要求，也包括企业和社会对产品设计工作提出的质量要求，它 应以用户、企业及社会对产品设计、制造、销售、使用及废品回收的全过程提出的所有 质量要求是否在设计中予与体现为原则。产品的广义质量包括两方面：一是产品的功能 ( 包括主要功能和辅助功能) ，二是产品的综合性能( 结构性能、工作性能和工艺性能 等) 。因此，还可以说产品的广义质量是“产品功能与性能的综合体现 。 2 1 2 综合设计法的内涵 综合设计法是一种面向产品广义质量的设计法，它以顾客需求为驱动，以获得优良 功能与性能( 产品设计的质量或广义质量) 为目标，以现代机械设计和制造先进理论、 线性与非线性动力学理论、线性与非线性控制理论、动态仿真理论、优化理论、材料科 学等学科为基础，以产品功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计 为手段的一种多学科融合交叉的全功能和全性能优化的设计理论与方法。 综合设计法如图2 1 所示，即综合功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和 可视优化设计四种设计方法为一体对产品进行设计，四种方法的涵义及对水电磁阀检测 系统作用如下： 功能优化设计：产品的设计方案和机构形式是由设计者根据产品的功能来确定的， 也就是通过产品的功能分析或功能优化设计来完成的，所以功能分析和功能优化设计是 产品设计工作的必不可少的环节。对于水介质电磁阀检测系统其主要功能是完成标准要 东北大学硕士学位论文 第2 章系统方案确定及功能优化设计 求的各项实验，辅助功能是完成夹阀等准备工作。 动态优化设计：针对于机械产品来说，动态优化设计是对机械产品的动力学问题以 及与此相关的运动学、动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题进行分析和计 算，以保证所研究和开发的设备具有良好的结构性能和工作性能。由于水介质电磁阀检 测系统为液压机械系统，主要功能是通过程序完成各实验项目，试验的准确性与快速性 由程序编写的好坏决定，因此，需要对系统进行建模仿真，从而进行流量及压力的动态 优化设计达到优化程序的目的。 智能优化设计：它是以非线性控制理论为基础，以使机械获得最优工作参数和最优 工作过程为基本内容的一种方法，其目的是获得良好的工作指标( 或技术性能) ，即产 品的工作稳定性、工效实用性、性能优越性和操作宜人性等。在水介质电磁阀检测系统 中智能优化设计是设计的重点，主要完成系统中控制部分的优化，包括p l c 开关量顺 序控制；变频器控制泵式系统达到并稳定在某一实验压力下；以及系统压力控制方法的 选择与仿真，最终实现系统的自动与智能特性。 可视优化设计：它是一种数字化设计方法，强调在整个设计过程中全面应用计算机 技术，对机械及系统进行模型构建、功能模拟和过程仿真等。在水介质电磁阀检测系统 中可视优化设计用于完成系统最后的实验界面的优化设计，包括界面功能、可操作性、 简易性等诸多方面，最终提供给操作者一个操作简单、功能齐全、操作灵活的交互界面。 + l 动态优化设计 运动学设计 动力学设计 动强度设计 可靠性设计 i 智能优化设计 状态测试分析 工作参数控制 工作过程控制 设备故障诊断 可视优化设计 制造工作可视化 装配过程可视化 动力学可视化 工作过程可视化 + 图2 1 面向产品广义质量的综合设计法 f i g 2 1i n t e g r a t i o nd e s i g n i n gm e t h o df o rg e n e r a lq u a l i t yo fp r o d u c t 6 东北大学硕士学位论文第2 章系统方案确定及功能优化设计 综合设计法不同于其它方法，它能克服单一设计方法的局限性，在现有的一些主要 设计方法中找出产品的广义质量，包括结构性能( 可靠性、安全性与耐久性) 、工作性 能( 实用性、稳定性与指标优越性) 和制造性能( 5 1 2 艺性、制造成本和生产周期) 等有 决定性影响或有重要影响的几种方法，在设计中加以综合的考虑与实施，这就是我们所 称的综合设计法。实际上，综合设计法也是面向产品全部功能与性能的设计方法，或称 产品全部功能和全部性能优化设计法。 2 1 3 综合设计法的优点 综合设计法与其它单一设计法的区别主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 综合设计法的目标是使产品具有良好的设计质量或广义质量。 ( 2 ) 综合设计法的具体内容是以功能优化、动态优化、智能优化和可视优化等为 核心内容，普遍公式是l + 3 + x 。 ( 3 ) 综合设计法以多学科的交叉融合作为理论基础。即以先进的设计与制造理论、 线性与非线性动力学理论、可靠性理论、线性与非线性控制理论、现代仿真理论等为基 础。 ( 4 ) 综合设计法以广义集成优化和现代仿真技术为手段，来完成产品全功能和全 性能的优化设计。 因此，根据以上综合设计法的优点，本论文采用综合设计法对水介质电磁法检测系 统进行全面的功能和性能优化设计。 2 2 设计原则和主要技术参数 2 2 1 设计原则 首先，保证设计本系统的初衷：高度自动化、先进性及可扩展性。其次，在方案设 计过程中，严格遵循国家规范和行业标准，并充分结合鞍山电磁阀厂的实际情况，参考 的规范和标准如下： ( 1 ) g b 3 8 3 6 8 3 爆炸环境用电气设备 ( 2 ) g b 9 2 2 3 9 8 执行器术语 ( 3 ) j b 厂r 7 3 5 2 9 4 工业过程控制系统用电磁阀 ( 4 ) z b y0 0 2 8 1 仪器仪表运输、贮存环境条件及实验方法 ( 5 ) q a d f0 2 0 1 2 0 0 1 工业过程控制系统用电磁阀 ( 6 ) 鞍山电磁阀有限责任公司产品设计图样及文件要求 7 ( 7 ) 鞍山电磁阀有限责任公司质量体系文件要求 2 2 2 电磁阀基本参数 ( 1 ) 公称通径d n 电磁阀的公称通径从表2 1 中选取。 表2 1 电磁阀公称通径( 毫米) t a b l e2 1d i a m e t e r so fs o l e n o i dv a l v e ( r a m ) 公称通径 1 01 62 03 04 05 06 08 0 1 0 01 2 01 5 02 0 0 j 表2 1 ( 续) t a b l e2 1 ( c o n t i n u e ) 公称通径 2 5 0* 3 2 04 0 0 5 0 0* 6 5 08 0 010 0 012 5 015 0 02 0 02 5 03 0 0 注：带“ 的公称通径一般不推荐使用。 ( 2 ) 公称工作压力p n 电磁阀的公称工作压力应从表2 2 中选取。 表2 2 电磁阀的公称工作压力( m p a ) t l b l e2 2w o r kp r e s s u r eo fs o l e n o i dv a l v e ( m p a ) 公称： 作压力 0 0 1 0o 0 1 60 0 2 5 0 0 4 00 0 6 00 1 0 00 1 60 2 50 4 00 6 01 0 01 6 表2 2 ( 续) t a b l e2 2 ( c o n t i n u e ) 公称工作压力 2 5 0 04 0 0 0 6 3 0 0宰6 4 0 01 0 0 0 01 6 0 0 0 1 7 5 0 02 0 0 0 02 5 0 0 0 注：带“扣的工作压力一般不推荐使用。 ( 3 ) 最小工作压差范围和最大工作压差 最小工作压差范围为0m p a 1 0m p a ； 最大工作压差应不大于它的公称工作压力。 ( 4 ) 额定电压 电磁阀的额定电压应从表2 3 中选取。 表2 3 电磁阀的额定电压( 伏特) t a b l e2 3r a t i n gv o l t a g eo fs o l e n o i dv a l v e ( v o l t a g e ) 交流 6 1 22 4 3 61 2 72 2 0 一 直流61 22 4 3 64 8l1 02 2 0 注l ：交流电压频率为5 0 h z ： 注2 ：其他电压等级及频率，由用户和制造厂商定。 8 东北大学硕士学位论文第2 章系统方案确定及功能优化设计 2 2 3 系统技术参数 根据资料中提供的阀参数可知，所要检测的电磁阀通径有很大差别，最大可达 3 0 0 m m ，最小只有l m m ，不适于将所有阀放在一个实验台上进行实验，因此，将系统 分成多条支路分别进行不同通径的阀的实验是十分必要的，具体分配如下： 水介质实验台架： 1 0 通径支路( 检测通径d n l o n 叫n 的电磁阀) ； 2 5 通径支路( 检测通径1 0 d n _ 2 5 m m 的电磁阀) ； 5 0 通径支路( 检测通径2 5 d n 5 0 m m 的电磁阀) ； 1 0 0 通径支路( 检测通径 5 0 d n 1 0 0 m m 的电磁阀)