（机械电子工程专业论文）电磁阀测试系统压力控制方法的研究.pdf

a 。s s e r t a t 。n n 僵e c h a n c a la n de l e c t r 。n i c e n g i n e e r i n g 笔丝缪渤 t h e s t u d yo f p r e s s u r ec o n t r o l l i n go f e l e c t r o m a g n e t i c v r a l v et e s ts y s t e m b yl i ug a n g s u p e r v i s o rp r o f e s s o r ：l 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 锣 j a n u a l y2 0 0 8 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 ：也 恧。 学位论文作者签名：刍一7l 锣7 日 期：口子们 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： 六 q 东北大学硕士论文 摘要 电磁阀测试系统压力控制方法的研究 摘要 电磁阀是液压系统中一关键的控制元件，对整个设备性能的可靠性和自动化程度都 有决定性的作用，所以，电磁阀工作的可靠性和各项性能的测试是至关重要的，基于此， 我们设计出了电磁阀测试系统，该测试系统可以对电磁阀进行动作实验、密封实验、泄 漏实验及寿命实验等。在各项测试中，有一关键的要求就是控制某特定压力值一定时间， 针对此要求，进行了本课题的研究。 研究了电磁阀测试系统工作过程和控制系统，设计选择了该系统的关键元器件。并 在对其工作原理进行详细分析的基础上，在对系统进行适当简化后建立了该测试系统压 力的数学模型。利用a m e s i m 仿真软件对该测试系统整体进行了可视化建模，并用该 模型对该测试系统进行了分析。 针对本测试系统变压力的特殊要求，本文吸取模糊控制和p i d 控制各自的优点，采 用了模糊p i d 控制策略对其进行控制。用模糊控制和p i d 控制的不同组合形式，得出模 糊增益自调整p i d 控制和模糊p i d 复合控制两种不同的模糊p i d 控制器，并分别介绍 了其工作原理和特点。模糊增益自调整p i d 控制能够根据系统的误差和误差变化率自动 调整p i d 控制器的三个参数，使其适应系统参数变化；模糊p i d 复合控制是通过模糊控 制器和p i d 控制器的综合输出来提高系统的精度和响应速度，并能适应参数的一定变 化。 依照上述理论建立了本测试系统的模糊控制、p i d 控制以及两种模糊p i d 控制器， 并通过联合m a t l a b s i m u l i i l l ( 和a m e s i m 进行仿真实验，分别给定5 b a r 、1 5 b a r 、2 5 b a r 这三个比较有代表性的目标值进行变压力仿真实验，最终分析比较得出适合本测试系统 压力控制的最佳控制策略。 关键词：电磁阀测试系统；压力控制；模糊p i d 控制；a m e s i m 冬、。厂j卜 l l ，一r ， 、 - t h e s t u d yo f p r e s s u r ec o n t r o l l i n go f e l e c t r o m a g n e t i c v a l v et e s ts y s t e m a bs t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ei sak e yc o m r o le l e m e mo fh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hp l a y sa d e c i s i v er o l ei nt h er e l ia _ b i l i 坶a n dt h el e v e lo fa u t o m a t i o no ft h ee q u i p m e n t s o 也er e l i a b l e 肌dt h ep r o p e n i e s t e s to fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea r eo fg r e a ti m p o r t a l l c e ，m e r e f o r ew ed e s i g n t l l ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v et e s ts y s t e m 1 1 1 i ss y s t e mc a nt e s tt h e i ra c t i o np e r f b n n a n c e ，s e a l i n g p e r f - o 肌a n c e ，l e a k a g ea n dl i f e ak e yr e q u i r e m e n ti 1 1 a l l t h et e s ti st ok e 印t h eg i v e np r e s s u r e f o rac e n ；a i nt i m e ，t l l et e x tc 秭e so nt l l er e s e a r c ht om i sp r o b l e m t h em e c h a i l i c a ls t r u c t u r e ，、0 r k i n gp r o c e s s 锄dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i c v a l v et e s ts y s t e ma r es t u d i e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft l l et e s ts y s t e mi sb u i l ta r e r i 印o m g 也eu i l i m p o r t 锄f a c t o r s 1 1 1 ev i s 吼lm o d e l i n gi sb u i l t 晰t l l 也ea m e s i ms o 肭a r e ， 趾dt h es y s t e mi s 锄a l y z e d 埘t l lt h em o d e l a c c o r d i n gt ot t l eu n c e r t a i np r e s s u r e ，t l l i sp a p e ra b s o r b sm ea d v a n t a g e so f 如z 巧锄d p i d c o n t m l l e r s 锄dl l s e sac o n t r o lm e m o do ff h 2 z yp i dc o n t r o l l e r ( f p c ) f p ch 嬲s o m e 蛐r u c t u r e f 0 咖s ，s u c h 嬲舵z ) ，t u n l i n gp i dc o n 仃o l l e r s ，舵z ) ra l l dp i dc o n 乜d l l e rc o m b i n a t i o n 1 1 1 i s p 印e rr e f e r st 1 1 e 、o r k i n gp r i n c i p l e 强dd e c i s i o no f t l ：l i sf p ci nk e e p i n gp r c s s u r ep r o c e s sf o r t h et e s ts y s t e m f u 五可t u n l i n gp i dc o n t r o l l e ri st 1 1 ec o n t r o l l e rw m c hc h a n g e st l l em r e e p a 阳m e t e r so fp l dc o n t r 0 1 l e rb ym e e r r o ra i l de r r o r sv 撕e t i e so fs y s t e m s ，s oi tc a na d a p ts o m e p a r a m e t e r s v a r i e t i e sf o rs y s t e m f u z z ya n dp i dc o n 仃0 l l e rc o m b i n a t i o na l s oc 锄a d a p ts o m e p a r a m e t e r s v a r i e t i e sb yc o 印o r a t eo u t p u to fm z z ) rc o n t r o l l e r 锄dp i dc o n t r o l l e r ，a n d i t i m p r o v e ss y s t e m sp r e c i s i o na n dr e s p o n s e t h e 矗忆戮p i d 觚dm i st w ol d n d so f 如z z ) rp i dc o n t r o l l e r sa r eb u i l ta c c o r d i n gt o t h i s t 1 1 e o r y b ys i m u l a t i n g 诵也c o m b i n e dm a t l a b s i m u l i n k 锄da m e s i m ，w ec a ng e t t h e p er ：f b 咖a n c eo fs y s t e mb yp i dc o n t r o l l e ra 1 1 df p i d c i i lt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n g ，5 b 甄 l5 b a ra 1 1 d2 5 b a ra r eg i v e n 舔t h et a r g e tv a l u e ，a tl a s tw ew i l lc o n f i r mt 1 1 eb e s tc o n t r o l l i n g s t r a t e g ya r e ra n a l y s i sa n dc o m p 撕s o n 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 t e s t s y s t e m ； p r e s s e c o n t r o l ；f u z z yp i dc o n t r o l ； a m e s i m 。r 0 -_1“，-r 东北大学硕士论文 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l 章绪论。1 1 1 课题的背景一1 1 2 课题的意义1 1 3 国内外研究现状2 1 4 本文主要研究内容2 第2 章电磁阀测试系统原理及设计4 2 1 测试系统结构组成4 2 2 测试系统工作过程5 2 3 测试系统压力调节原理及关键元件的选择6 2 3 1 压力调节控制原理6 2 3 2 液压泵与电机的选定7 2 3 3 蓄能器的选定9 2 3 4 压力传感器的选定1 0 2 4 测试系统控制系统原理及设计1 l 2 4 1 数据采集卡的选择1 1 2 4 2 上位机和下位机的选择1 2 2 4 3 上位机和下位机通信。1 3 第3 章电磁阀测试系统压力数学模型的建立1 4 3 1 液压系统建模1 4 3 1 1 液压系统的描述及其特性1 4 3 1 2 电磁阀测试系统建模方法选择l5 3 1 3 常用液压系统子模型。1 8 3 2 本测试系统参数辨识方法研究2 2 东北大学硕士论文 目录 3 3 本测试系统压力数学模型的建立2 3 3 3 1 系统的简单分析2 3 3 3 2 建立压力控制系统数学模型2 3 第4 章测试系统a s i m 仿真模型的建立2 6 4 1 仿真软件削e s i m 概述2 6 4 2 舢e s i m 模型的建立2 8 4 2 1 模型设计2 8 4 2 2 物理模型的选择2 8 4 2 3 数学模型的选择2 8 4 2 4 参数设置3 2 4 3 系统仿真3 3 4 4j 蝴e s i i i l 与m a t l a b s i m u l i l l l 【联合仿真技术应用研究3 3 4 4 1 用途与特点3 3 4 4 2 实现方法一3 4 4 4 3 联合仿真中需要注意的关键问题3 4 第5 章模糊p i d 控制理论基础3 5 5 1 引言“3 5 5 2p i d 控制技术3 5 5 2 1p i d 控制的基本原理3 6 5 2 2 数字p i d 控制算法3 7 5 3 模糊控制3 9 5 3 1 模糊控制产生的历史背景3 9 5 3 2m 锄妇l i 和1 狄a g i s u g e n o 模糊模型3 9 5 3 3 模糊控制器设计方法一4 0 5 3 4 模糊控制器的特点4 4 5 4 模糊p i d 控制4 4 5 4 1 模糊控制器设计算法l 模糊p m 复合控制。4 5 5 4 2 模糊控制器设计算法2 - 模糊增益自调整p d 控制4 6 5 5 本章小结4 7 1 一： j 东北大学硕士论文目录 第6 章电磁阀测试系统压力模糊p i d 控制器的设计4 8 6 1 引言4 8 6 2 测试系统压力a m e s i m 仿真模型的建立4 8 6 3 测试系统压力模糊控制器的设计及仿真4 8 6 3 1 控制器的结构选定。4 9 6 3 2 模糊控制的输入量4 9 6 3 3 模糊控制器的输出量5 1 6 3 4 合成算法的设计和控制表的求取5 l 6 3 5 仿真过程。5 4 6 3 6 结果分析5 6 6 4 测试系统压力常规p i d 控制器设计及其仿真5 7 6 5 测试系统压力模糊p i d 复合控制器的设计及仿真5 8 6 6 测试系统压力模糊增益自调整p i d 控制器的设计及仿真。5 9 6 6 1 模糊自适应p i d 控制器结构5 9 6 6 2p i d 参数对p i d 控制性能的影响6 0 6 6 3p i d 参数调整的模糊规则表建立。6 1 6 6 4 仿真实验及结果分析6 5 6 7 仿真结果分析与对比6 8 第7 章结论7 0 参考文献71 致谢7 4 ，0， 东北大学硕士论文第1 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 电磁阀结构简单，外形尺寸小，比调节阀等其它种类执行器更易于安装维护，其显 著的优点是所组成的自控系统较简单，且响应时间短。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、使用安全、尤其适用于腐蚀性、有毒或高低温的介质等优 点，因此电磁阀广泛应用于工程机械、矿山机械、冶金机械、陶瓷机械、锻压机械、机 床、塑料机械、橡胶机械、环保机械及皮革机械等行业。电磁阀是机械系统特别是大型 机械系统实现自动化控制必不可少的组成部分，所以其工作性能的好坏和可靠性决定了 整个机械系统工作的可靠性【1 1 。 为了保证电磁阀优越的工作性能和高可靠性，对其进行出厂前的检验是必不可少的 步骤。介于此，应某电磁阀厂的要求，我们设计了该“电磁阀测试系统”，对电磁阀出 厂前进行动作实验、密封实验、泄漏实验以及寿命实验等检验。通过这几项实验的检验， 我们就能够保证电磁阀在出厂前能够精确可靠的工作。 在该“电磁阀测试系统”需进行的几项测试中，密封实验和泄漏实验有一个共同的 要求：保持特定的压力一分钟，即保压一分钟。传统的保压方法可以通过调节电液比例 溢流阀的溢流值来控制系统的压力，但是由于溢流阀的开始溢流压力和关闭压力都不能 正好等于设定压力，所以其控制的精度不高。另外溢流阀都有一个溢流下限值，根据我 们的查询，现有溢流阀的最小溢流值都远远大于泄漏实验当中的实验压力，所以当目标 压力较小时，根本就无法完成我们的调节。正是为了解决这个问题，我们进行了此课题 的研究。 1 2 课题的意义 目前这种模糊p i d 控制压力的方法在液压系统中比较成功的应用是在变频调速恒 压供水中，可实现系统稳定、可靠供水，并对提高劳动生产率、降低能耗也具有重要的 现实意义。本课题的研究有效的解决了电磁阀测试中压力精确控制的难题，使系统能够 快速、准确、稳定的达到目标压力，从而电磁阀的测试更科学可信。此控制方法把模糊 东北大学硕士论文第l 章绪论 p i d 这种高级控制策略有效的应用到了液压系统当中，并且可以推广到其他液压应用领 域中精确控制系统压力。并为将来模糊p i d 应用于其他液压领域提供了参考。 1 3 国内外研究现状 i 目前，模糊控制己成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。其中， 模糊p i d 控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之 一，这完全可以从过去的传统与现代控制技术的应用发展历史来理解。到目前为止，现 代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而j 在工业过程控制中，p i d 类型的控制技术仍然占有主导地位，特别是在化工、冶金过程控制中，众多量大面广的 控制过程如温度、流量、压力、液位等，基本上仍然是应用着p i d 类型的控制单元。虽 然未来的控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技 术也会变得越来越精巧，但是，以p i d 为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的 基本控制单元。 近年来，模糊控制研究与应用已经得到了迅猛地发展。然而，在众多新的模糊控制 技术方法不断涌现之后，人们更清楚地认识到模糊控制研究中面临的许多理论问题已经 成为模糊控制技术广泛应用的严重障碍。例如模糊控制技术并未在工业过程控制中得到 如同家电产品一样的推广，其中就包含有如何解决“控制性能优于传统p i d 控制器的模 糊控制器设计”问题。虽然有关维数选取是模糊p i d 控制器结构设计中最为基本的内容， 关于这一问题的全面比较研究也是不够的。所以模糊控制以及模糊p i d 控制还有很多方 面需要继续深入完善。 1 4 本文主要研究内容 本文的研究工作主要体现在如下几个方面： 一 ( 1 ) 建立了电磁阀测试系统压力的数学模型和a m e s 曲可视化仿真模型。 ! ( 2 ) 对模糊控制理论进行研究，阐述了模糊控制理论的特点、类型和适用性并指j 出模糊控制存在的一些问题。 ( 3 ) 对常规p i d 控制原理进行研究，分析各参数对控制系统性能的影响以及常规 p i d 控制应用的局限性。 2 东北大学硕士论文第1 章绪论 ( 4 ) 对模糊p i d 控制进行研究，通过联合a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 模块对“电 磁阀测试系统”压力系统采用f u z z ) r _ p 、p i d 、m 锄d a n i 型模糊p i d 控制方法进行仿真实 验，并对结果进行深入分析。 3 东北大学硕士学位论文第2 章电磁阀试验系统原理及设计 第2 章电磁阀测试系统原理及设计 2 1 测试系统结构组成 本系统主要包括两个大的部分( 如图2 1 所示) ，一部分为压力产生装置，称为泵站， 泵站主要为实验提供各种不同压力和不同流量的液压油。另一部分为实验台，主要包括 测试过程中对电磁阀进行检测的各种传感器和控制阀，阀的测试就在这部分完成。根据 不同内径的需要，我们设计了两套实验管路，管路通径分别为5 0 l 砌和1 0 0 i 姗，可以 满足不同通径电磁阀的准确测试，但是本系统的两套实验管路不允许同时工作。 图2 1 电磁阀测试系统图 f i g 2 1t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v et e s ts y s t e m 泵站部分主要包括三台油泵和两台蓄能器。三台油泵分别为流量为1 8 m 3 l l 额定压 力为0 8 m p a 的2 c g l 8 o 8 ；流量为1 2 m 3 h ，额定压力为2 5 m p a 的2 c y l 2 2 5 ；以及流 量为3 5 m 3 h ，额定压力为6 5 m p a 的3 d s j 一3 5 6 5 ，这三台泵可以根据实验的需要单独或 者几台泵组合之后产生需要的流量和压力。蓄能器为n x q 型囊式蓄能器，它能够贮存 液压泵排出的脉动液压油，减小油泵输出液压油的脉动，加强其连续性和压力稳定性， 4 东北大学硕士学位论文第2 章电磁阀试验系统原理及设计 这对我们密封和泄漏实验中特定压力的长时间保持是有非常重要作用的。在动作实验的 过程中，需要根据阀的参数( 包括流量，k v 值，和工作压力等) 选择合适的泵的组合 来产生测试所需的压力和流量。但是由于现有的泵仅三台，如果仅仅按照其额定状态去 工作，就只能得到有限的几种压力和流量，这显然不能满足我们大范围测量的要求，所 以为了解决这个问题，我们对这三台泵中的某一台泵进行变频调速。经过调速，我们就 可以得到各种压力和流量了。而在密封实验和泄漏实验中，没有流量方面的要求，所以 只需要变频调节小流量高压泵3 d s j 3 5 6 5 就可以有效的控制系统的压力。 工作台部分如图2 1 所示，由于本系统不允许这两套测试管路同时工作，所以最前 端是一开关阀，主要完成工作管路的选择。实验过程中，选定管路的开关阀打开，另一 测试管路关闭，这样就能够避免测试过程中多余未定因素的干扰。阀前大压力传感器的 型号为j y b k o h a g l 1 ( 精度士o 2 5 ) ，其测量范围为0 8 m p a 且能耐高温。由于其 所处的位置紧挨着被测阀，所以通过该压力传感器可以适时得到被测阀的阀前压力，同 时该传感器与分油缸连通，所以在静态的时候也可以得到分油缸中的压力。通过其反馈 的系统再结合控制系统的作用，可以有效的控制系统的压力。阀后大压力传感器型号与 阀前的一样，它在系统中所起的作用就是测量阀后的压力，然后再与阀前压力作差得到 阀前后的压力差，并用这个压力差判定阀的开关情况是否正常。而系统中的小压力传感 器则主要是用在泄漏实验中，泄漏实验要求的压力比较小( 最小的为3 l o a ) ，显然采用 刚才所选择大压力传感器测不出这个压力，所以选用了该量程为0 2 0 k p a 和o 1 0 0 l o a 的精密压力传感器。而其后的泄漏管主要用来存放被测阀的泄漏油，管中测试 前后的油量差即为电磁阀的泄漏量。管路的最后是一电动调节阀，系统要求本阀不仅动 作迅速，而且为零泄漏，这样才能保证其在系统压力控制过程能进行及时有效的控制， 同时又不会影响泄漏量的测量。经过谨慎的选择最终选定了某公司z a z p ( n ，m ) 系列的电 动调节阀，该阀较好的达到了系统的要求。响应时间为0 2 s ，而且为零泄漏。 2 2 测试系统工作过程 油介质测试系统主要完成动作实验、密封实验和泄漏实验三项基本实验。这三项实 验全部合格则被测阀就被确定为合格，否则就不合格。 所谓动作实验，就是检测电磁阀阀芯在特定的压力和额定电压下某个区域内能否正 常的动作( 包括开启动作和关闭动作) 。检测时，被测阀的初始状态是闭合，通过泵站， 系统建立起被测阀的最大或者最小工作压力，当系统检测到压力值达到，则给被测阀一 。5 东北大学硕士学位论文 第2 章电磁阀试验系统原理及设计 开启信号，待实验管路中的流量稳定后可对被测阀是否正常开启进行状态检测。检测依 据是阀前后压力传感器采集过来的压力差值和流量传感器的流量值，依据电磁阀的k v 值公式k ，：磐判断电磁阀是否开启，开度是多少，是否满足国家标准规定的基本 心p | p 要求。 密封实验主要是检验被测阀在较高压力( 1 1 倍公称压力) 的情况下其填料及其他 连接处能保证不发生外泄漏。该实验的重点在于需要对这种高压保持一定的时间( 国家 标准的规定是一分钟) ，然后观察电磁阀这些关键部分是否有外泄漏发生。本实验检验 的主要目的就是测试电磁阀的耐压能力，所以要求本测试系统本身也能承受较大的压 力，另外也需要控制系统能够保证不能有太大的超调，以免测试过程压力过大损坏被测 阀阀体和测试系统。 泄漏实验需要在特定压力差( 直动型电磁阀为：额定压力不大于o 0 2 5 m p a 为额定 压力，额定压力大于o 0 2 5 m p a 为o 0 2 5 m p a ；反冲型电磁阀为0 0 1 6 m p a 。) 下对电磁阀 阀芯的内泄漏量进行测量。实验过程中，电磁阀关闭，阀前的压力保持在需要的压力值， 经过一定时间且确认被测阀和下游各连接管道完全充满介质且泄漏稳定后，检测通过阀 芯的泄漏量，判断是否超过其要求的最大值。传统测量泄漏量的方法主要是读泄漏管的 示数，该方法原始且不能实现自动化。所以本测试系统采用了创新的方法，由后小压力 传感器采集的实验前后后管内压力差，并根据公式卸= 昭幽反算出测试前后泄漏管内 油液的高度差，再根据y = 胚即可求得管内油液的增加量，近似等于阀的泄漏量。 该方法可靠性高，省去了人工读数，实现了自动化。 以上三项实验都通过，则说明该阀完全合格，可以投入到生产应用当中去，否则需 要对阀进行返厂维修或者报废处理等等。除了以上三项外，对新研制的阀还需要进行耐 压强度、额定流量系数、寿命、响应时间等实验，因篇幅限制本文不再做详细介绍。 一 2 3 测试系统压力调节原理及关键元件的选择， 2 3 1 压力调节控制原理 压力控制是该测试系统的一关键技术，只有快速准确的达到目标压力值，整个测试 才能快捷、准确的进行。 6 东北大学硕士学位论文 第2 章电磁阀试验系统原理及设计 该测试系统压力调节的过程：安装在实验台上的压力传感器实时的检测压力，经采 集卡输送到工控机，工控机根据预先确定的控制策略对数据进行处理，并将处理的结果 通过o p c 通讯传送给p l c 。p l c 对传送过来的信号进行解读之后会把对应的控制信号 发送给液压泵和电动调节阀以及各个开关阀。可以看出，该压力控制是一个严格的闭环 控制。 图2 2 测试系统压力控制图 f i g 2 2t h e p r e s s u r ec o n t m n i n g0 ft e s ts y s t e m 整个测试系统压力控制系统的组成如图2 2 所示，在动力方面依靠油泵，压力就是 在这里产生，并依靠他们输出油液量的多少对系统的压力进行控制。在实验台管路的末 端是一电动调节阀，该电动调节阀适当的开启可以在系统压力偏高的时候定量的降压。 另外系统中在阀前和阀后各有两个压力传感器，他们可以及时的反馈系统的压力，以便 进行压力的调整。使得压力准确控制能够实现的另一关键设备就是蓄能器，它不仅能够 吸收由于泵输出流量不均匀所产生的压力脉动，也能够有效降低系统压力变化的速度， 使得压力能够可控。 2 3 2 液压泵与电机的选定 液压泵是把原动机的机械能转化为液体压力能的机械装置。液压泵作为系统的油 源，提供给系统洁净的且具有一定压力和流量的工作介质( 液压油) 。容积式液压泵按 7 东北大学硕士学位论文第2 章电磁阀试验系统原理及设计 结构形式的不同可分为：齿轮式、叶片式、柱塞式、螺杆式等。按单位时间所输出的油 液能否调节又可分为定量式和变量式两种。本系统中选用的是齿轮泵，下面详细介绍齿 _ 轮泵的工作原理以及泵的参数的选择。 齿轮泵是常用的一种液压泵，它的工作原理：一对啮合的齿轮，由于齿轮端面的间 ， 隙以及齿轮顶部与泵体内表面的间隙几乎为零，因此将齿轮泵的壳体内部分成左、右两 个封闭的容积。当齿轮按图示方向旋转时，左侧的轮齿逐渐脱离啮合，其封闭容积逐渐 增大，形成局部真空，油液就会在大气的压力下经吸油口进入到这个封闭的容积一吸油 腔。随着齿轮的转动，每个齿轮的齿间把油液从左面带的到右面的封闭容积，两个齿轮 在右侧进入啮合，容积变小，油液通过压油口被压出，原理图见图2 3 。 吸 图2 3 齿轮泵工作原理图 f i g 2 3p r i n c i p l eg r a p ho f a g e a rp u m p ( 1 ) 液压泵的选择 选择液压泵的主要依据是系统所需的工作压力和流量。若整个液压系统中，各装置 对液压油工作压力有不同的要求，则应按其中最高压力考虑，而且还应该考虑供油管道 的压力损失( 沿程损失和局部损失) ，流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损 失等，可根据同类系统经验估计，一般管路简单的节流阀调速系统卸为( 2 5 ) x 1 0 5 p a ， 一 用调速阀及管路复杂的系统p 为( 5 1 5 ) 1 0 5 p a ，并以此压力选择液压泵。 油介质电磁阀测试系统的工作压差范围最高为4 o m p a ，卸最高为1 5 1 0 5 p a ，所 。 以由儿= a + 卸得系统的静压为5 5 m p a 。由于系统工作过程中存在着过渡过程的动 态压力，而动态压力往往比静态压力高得多，所以泵的额定压力应比系统最高压力 大】o 2 5 ，使液压泵有一定的压力储备，还有考虑到管路的压降和测试要求，所以 8 东北大学硕士学位论文第2 章电磁阀试验系统原理及设计 按既的1 5 算，则高压小流量液压泵的最高压力约为6 2 m p a 。按照上述选择方法，通 过网上查询、样本查询和电话咨询等手段，选择三台液压泵。分别为压力为6 5 m p a ， 流量为3 5 m 3 l l 压力为2 5 m p a ，流量为1 2 m 3 l l ，压力为0 8 m p a ，流量为1 8 m 3 m 。 ( 2 ) 确定驱动液压泵的功率 当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为： p = 胁如1 0 3 7 7 口k w ( 2 - 1 ) 式中： p b 为液压泵的最大工作压力( n m 2 ) ： q b 为液压泵的流量( m 3 s ) ； 刁b 为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考下表估取，液压泵规格大， 取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。 表2 1 液压泵的总效率 i a b l e2 1e 塌c i e n c yo fh y d r a u l i cp u m p 由公式( 2 1 ) 以及表2 1 可以算得电机的功率： a = 6 5 3 1 0 3 l ok w 取电机功率为1 1 k w 。 同理可得：见l l k w ，a 7 5 k w 。 2 3 3 蓄能器的选定 ( 2 - 2 ) 蓄能器一般是由钢板焊接而成的压力容器，大多采用立式结构。蓄能器上都安有监 测内部压力的压力表、安全阀、清洗孔和排放油、水的阀等等。 蓄能器能够贮存液压泵排出的脉动液压油，减小油泵输出液压油的脉动，加强其连 续性和压力稳定性；能够调节液压泵输出油量和系统耗油量间的不平衡，保证连续、稳 定的油流输出；并能防止因液压泵的意外停机而造成设备立即停机：蓄能器用于补充液 压泵供油不足时，其有效容积为： 矿= 4 厶k g 一 ( 2 3 ) 一i ， d 一一 式中： 彳为液压缸有效面积( m 2 ) ； 。9 东北大学硕士学位论文第2 章电磁阀试验系统原理及设计 三为液压缸行程( m ) ； k 为液压缸损失系数，估算时可取置= 1 2 ； 为液压泵供油流量( m 3 s ) ；f 为动作时间( s ) 。 通过公式( 2 3 ) 我们可以估算出蓄能器的容积的大小为6 3 l 。 2 3 4 压力传感器的选定 压力传感器种类繁多，性能也有很大的差异，经过咨询对比，选择了北京昆仑海岸 的j y b k o b 宰系列差压变送器，其测量精确可靠，而且采用一体化的结构，便于现场 安装和使用，适合于各种环境的压力测量。本测试系统因传感器离数据采集卡端子板较 远，所以采用电流输出信号。压力传感器的主要技术参数如表2 2 所示。 表2 2 压力传感器参数 i a b l e2 2p a r a m e t e r so fd r e s s u r es e n s o r s 主要技术参数 被测介质 供电 输出 准确度 负载能力 允许过载 测量接口 安装方式 液体、气体、真空 2 4 v d c 4 2 0 m a 、0 5 v a 级：士0 2 5 f s 、b 级：士o 5 f s 6 0 0 q 、3 k q 2 0 0 f s 、1 5 0 f s m 2 0 1 5 螺纹、m 1 2 1 5 螺纹 m 2 0 1 5 螺纹、m 3 0 1 5 螺纹、螺钉固定葫芦孔安装、定制法兰 在油实验台中，有两种不同量程的压力传感器，分别称为高压传感器和低压传感器。 在每条管路上，和本压力控制相关的高压传感器2 个，一个安装在被测阀前，另一个安 装在被测阀之后，低压传感器也是2 个，分别安装在两条管路的被测阀前后，应用在泄一 漏试验压力控制中。压力传感器采用表压或绝压显示，表压即显示的压力是相对于大气 压的，绝压即显示的压力是绝对压力。 ， 高压传感器在各种试验进行时都在使用，所以应从安全角度选择量程。油泵的溢流 阀溢流值力为4 o m p a ，考虑到在某些情况下可能出现的压力急剧增大现象，将高压传 感器的的量程设为6 m p a 。准确度选a 级，即士0 2 5 ，则可得： 6 0 2 5 = 0 0 15 m p a l o 东北大学硕士学位论文 第2 章电磁阀试验系统原理及设计 准确度可以达到测量要求，其外形如图所示。 j 惚一- 毫一吒 口逸接嚣援力囊j 2 i 薯 图2 4 压力传感器外形图 f i g 。2 。4t h es h a p eo fp r e s s u r es e n s o r 2 4 测试系统控制系统原理及设计 2 4 1 数据采集卡的选择 为确保所设计测试系统的精确性和稳定性，采用了美国国家仪器有限公司n i 生产 的m 系列多功能数据采集卡。n i 多功能数据采集产品结合了模拟前端、灵活的定时和 触发a s i c 以及总线接口a s i c ，从而改善和优化了最新的现有商业数字技术。利用这 些d a q 设备再结合相应的信号调理设备，可创建确保精度的数据采集系统。 油、气、真空试验系统需要采集的模拟信号有3 0 个，选择了n i 公司的m 系列 p c i 6 2 2 4 多功能数据采集卡。它提供刖d 、d i o 、计数器定时器( c o u m e r t i m e r ) 功能， 其主要技术指标如下： 1 6 位输入分辨率，采样率2 5 0 “s ： 4 种输入范围选择：0 l o v 、5 5 v 、1 0 l o v 、4 2 0 m a ； 3 2 路单端或1 6 路差分模拟量信号输入： 4 8 路的数字输入输出。 在气介质测试系统中，p c i 6 2 2 4 的采样率是2 5 0 l ( s ，在程序中同时采样通道数最多 为5 个，那么每个通道的有效采集速率大约为5 0 k s ，这对于一个采样率要求不高的气 动或液压系统是适用的。 因为在本测试系统中应用的传感器输出为4 2 0 m a 的直流电流信号，而输入到数 据采集卡之前需要在采集卡的模拟输入端并联一个2 5 0 q 的标注精密电阻，把4 2 0 m a 电流信号转换为1 5 v 的电压信号。所以可以设置采集卡增益为2 ，则输入的电压信号 为2 1 0 v ，采集卡的输入范围设置为0 1 0 v 。 东北大学硕士学位论文第2 章电磁阀试验系统原理及设计 p c i 6 2 2 4 采集卡是1 6 位输入分辨率，则分辨率的计算如下： l o 2 1 6 = 0 1 5 m v 2 4 2 上位机和下位机的选择 工业现场控制系统的上位机一般采用工控机，研华工控机能满足对工业环境高标准 需求的特性，在坚固性、扩展性、可靠性和智能系统管理方面能够达到要求，所以在本 测试系统中采用了研华工控机作为上位机。在工控机中处理采集的数据，编制各种智能 程序以及输出控制量。 下位机采用p l c 控制测试系统回路上各部件。p l c 作为现代控制技术的重要支柱 之一，以其可靠性高、抗干扰能力强等特点在现代控制系统中得到广泛的应用。结合自 身情况，并在市场上做了相关调查后，本测试控制系统选择o m r o ns y s m a cc j l m 系 列组合式可编程控制器，它采用模块式结构，能够适应多样化的要求，系统组成灵活方 便，适用于中小型控制系统。 选用的c p u 单元为c j l m c p u l l ，其基本的规格如表2 3 所示。 表2 3p l c 的c p u 技术参数 t a b l e2 3t e c h n i c a ip 卸a m e t e ro f c p uo f p l c 模拟量输出单元是特殊i o 单元模块，它的作用是把c p u 处理后的若干位数字信号 转换成相应的模拟信号输出，以满足生产控制过程中需要连续信号的要求。模拟量电压 输出为d c l 5 v 或d c o 1 0 v ；模拟量电流输出为4 2 0 n a 或o 1 0 i n a 。考虑到模拟 输出的控制对象离p l c 较远，采用电压信号在传输的路途上会发生信号衰减，而电流 信号的传输衰减则大大减弱，因此选择电流输出型的模拟输出模块c j lw - d a 0 8 c 。油、 气、真空试验系统共需p l c 控制的开关量有5 5 个，模拟量有8 个，所以选择1 个 c j l w d a 0 8 c 模拟输出模块，其基本的规格如下： 模拟输出