（机械电子工程专业论文）电液比例调速阀计算机测试实验系统的研究.pdf

济南人学硕i ：学f t 论文 摘要 随着电液比例技术的迅速发展，电液比例调速阀在机床、航空、军事、采矿、冶 金等方面的液压系统中得到越来越广泛的应用。对电液比例调速阀性能进行全面精确 的测试尤为重要，在传统液压测试系统中操作人员工作强度大、测试效率低、测量精 度差，为解决这一问题，本论文设计了电液比例调速阀计算机测试实验系统，从而解 决了以上弊端。 本文详细介绍了电液比例调速阀的工作原理，它的基本点是由压力补偿器对节流 阀口前后的压力变化进行补偿，使节流阀口压差近似保持为定值，从而实现输入信号 对于流量的控制。电液比例调速阀的性能包括稳态特性和动态特性，稳态控制特性和 稳态负载特性是电液比例调速阀的两个重要的稳态性能，调速阀的稳态负载特性就是 等流量性，即调速阀两端压差变化时，通过阀的流量近似保持不变。稳念控制特性分 析要分析阀的滞坏、重复精度等参数。 本文设计了电液比例调速阀测试实验系统的硬件和软件。测试实验系统的硬件设 计中包括传感器的选型和参数转换计算；比例放大器的选型和调节；流量显示仪的选 型，根据时域采样定理，采样信号的频率必须大于或等于信号的最高频率的两倍，才 能完全反映信号包含的信息，由流量显示仪的频率计算采样频率；计算机的选择；还 有数据采集卡的选择，并详细介绍了数据采集卡的应用，并进行了信号和采集卡之问 的通道配置，以及电气系统的抗干扰措施。软件设计中首先选择了软件开发平台，分 析了测试系统要实现的功能，设计了程序主流程结构，在v b 环境下基于p c l 一8 1 8 l 数据采集卡进行软件设计，作了七个工作界面，编制了v b 程序实现测试系统的功能， 并通过了调试。 本文设计了电液比例调速阀的实验回路，以电液比例调速阀为实验研究对象，讲 述了检测的实验项目和内容，实验的方法。用所设计的测试实验系统对其进行大量的 稳念性能实验，计算机直接绘制了实验参数的实时变化的曲线，把电液比例调速阀的 实际工作情况直观地反映出来。稳态控制特性实验中流量随着阀口开度的增大，即控 制输入电流的增大，而逐渐增大，近似呈直线变化。反行程实验时由于阀内存在磁滞、 运动时的摩擦、弹性元件的弹性滞环等因素的影响，流量变化滞后于控制输入电流的 变化。从实验曲线和实验数据基础上可以计算阀的滞环和重复精度，得出阀稳态控制 f 乜液比例调速阀计算机测试实验系统的研究 性能的好坏。调节采样时间和算术平均滤波次数，保证实验精度。 关键词：电液比例调速阀；计算机测试；p c l - 8 1 8 l ；稳态控制特性；稳态负载特性 济南夫学硕t 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y , t h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d r e g u l a t i n gv a l v e sa r em o r ew i d e l yu s e di nh y d r a u l i c s y s t e m so fm a c h i n et o o l s ，a v i a t i o n , m i l i t a r ya f f a i r s ，m i n i n ga n dm e t a l l u r g y i ti s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t oac o m p r e h e n s i v ea c c u r a t e t e s t i n go ft h ee l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r i g i n a lh y d r a u l i ct e s ts y s t e m sa r eg r e a t e r i n t e n s i t yo fw o r k e r s o p e r a t i n g ；l o w e rt e s te f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n , e t c i no r d e rt or e s o l v e t h i sp r o b l e m , t h ec o m p u t e r - a i d e dt e s t i n g ( c a t ) e x p e r i m e n t a ls y s t e mo fe l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a ls p e e d - r e g u l a t i n gv a l v ei sd e s i g n e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d - r e g u l a t i n gv a l v ei s d e t a i l e d l yd e s c r i b e d ，t h ep r e s s u r ed i s p e r s i o no ft h et h r o t t l ei sa p p r o x i m a t em a i n t a i n e dt h e f i x e dv a l u eb yt h ep r e s s u r ec o m p e n s a t o rt h a tc o m p e n s a t e st h ep r e s s u r ec h a n g eo ft h e t h r o t t l e ，i t i sr e a l i z e dt h a tt h e i n p u tv o l t a g es i v a t oc o n t r o lt h ef l u xo ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d r e g u l a t i n gv a l v e t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f v a l v ei n c l u d et h e s t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t e a d y - s t a t ec o n t r o la n dt h es t e a d y - s t a t el o a di st w oi m p o r t a n ts t e a d yp e r f o r m a n c eo f v a l v e t h es t e a d y s t a t el o a dc h a r a c t e r i s t i co ft h es p e e d - r e g u l a t i n gv a l v e ，t h ef l o wc h a n g e l e s s c h a r a c t e r i s t i c ，i st h a tt h es p e e d - r e g u l a t i n gv a l v e sf l o wi sa p p r o x i m a t em a i n t a i n e dt h ef i x e d v a l u ew i t l lc h a n g i n gt h ep r e s s u r ed i s p e r s i o no ft h es p e e d - r e g u l a t i n gv a l v e a n a l y s i so ft h e s t e a d y - s t a t ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cc o n t a i n st h ea n a l y s i so fh y s t e r e s i sr i n g ，r e p e a ta c c u r a c y a n do t h e rp a r a m e t e r s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o m p u t e r - a i d e dt e s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o a i o n a ls p e e d r e g u l a t i n gv a l v ea r ed e s i g n e d i n t h eh a r d w a r e s r e a l i z a t i o n ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o na n dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no ft h es e n s o r ；t h es e l e c t i o n a n dr e g u l a t i o no ft h ep r o p o r t i o n a la m p l i f i e r ；t h es e l e c t i o no ft h ef l o wd i s p l a y ，c o m p u t e r a n dp c - l a bc a r d s ；c o l l o c a t i n go ft h ec h a n n e l sb e t w e e ns i g n a l sa n dp c - l a bc a r d s ； c h o o s i n gt h ea n t i i n t e r f e r e n c ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a ls y s t e m a c c o r d i n gt ot i m e d o m a i n s a m p l i n gt h e o r e m ，t h e 丘e q u e n c yo fs a m p l i n gs i g n a li sg r e a t e rt h a no re q u a lt ot w i c et h e m a x i m u mi j r e q u e n c yo ft h ef l o wd i s p l a y i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，t h es e l e c t i o no ft h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ei sd i s c u s s e d t h e r e a l i z i n gf u n c t i o n so ft h ec o m p u t e r - a i d e dt e s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e ma n dt h ep r o g r a m m a i nf l o wc h a r ta r ea n a l y z e d t h et e s t i n gs o f t w a r ei s d e s i g n e d o np c l 一818 ld a t a i i i 电液比例调速阀计算机测试实验系统的研究 a c q u i s i t i o nc a r di nt h ev be n v i r o n m e n t t h e s e v e nw o r k - i n t e r f a c e sa r ed e s i g n e d t h e d e b u g g i n go ft h ec o m p u t e r - a i d e dt e s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi sp a s s e d t h ee x p e r i m e n t a ll o o po ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d r e g u l a t i n gv a l v e i s d e s i g n e d ，t h et e s t i n ge x p e r i m e n t a li t e m s ，c o n t e n t sa n dm e t h o d sa r ed i s c u s s e d t ot h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d - r e g u l a t i n gv a l v e sf o rt h ee x p e r i m e n t a ls u b j e c t s al a r g en u m b e ro ft h es t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sa r ed o n et ot h ee l e c t r o 。 h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d - r e g u l a t i n g v a l v e sw i t ht h e c o m p u t e r - a i d e dt e s t i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e md e s i g n e d ，t h ec o m p u t e rd r e wd i r e c t l ya r e a l - t i m em u t a t i v ec u r v eo f t h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r st h a ti sd i r e c t l yr e f l e c t e dt h ea c t u a lw o r ks t a t u so ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d r e g u l a t i n gv a l v e w i t ht h ei n c r e a s eo fv a l v e so p e nm o u t hi nt h es t e a d y - s t a t ec o n t r o le x p e r i m e n t ，t h a t i s ，t h ei n c r e a s eo fi n p u tc o n t r o lc u r r e n t ，t h ei n c r e a s et h ep a s s e df l o wo fv a l v ei sg r a d u a l l y ， i ti sa p p r o x i m a t e l yt oal i n e a rc h a n g e t h ec h a n g e so ff l o wl a gb e h i n dt h ec h a n g e s o fc o n t r o li n p u tc u r r e n td u et ot h ee f f e c t so ft h eh y s t e r e s i sw i t h i nv a l v e ，t h ef r i c t i o no fm o v e m e n t ， t h ef l e x i b i l i t yh y s t e r e s i so ft h ee l a s t i ce l e m e n t sa n do t h e rf a c t o r si na n t i t r i pe x p e r i m e n t t h eh y s t e r e s i sr i n ga n dr e p e a ta c c u r a c yo fv a l v ea r ec a l c u l a t e do nt h eb a s i so f t h ee x p e r i m 。 e n t a lc u r v ea n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h e r e b yi ti sg o o do rb a dt h a tt h es t e a d y 。s t a t e c o n t r - - o lp e r f o r m a n c eo fv a l v e k e y w o r d s ：e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e d r e g u l a t i n gv a l v e ；c o m p u t e r - a i d e dt e s t i n g ； p c l 818 l ；s t e a d y s t a t ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ；s t e a d y s t a t el o a dc h a r a c t e r i s t i c i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：e t 期：型：量：三兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：样新签名擞嗍一 济南人学硕t 学位论文 第一章绪论 近二十多年电液比例阀得到了迅速的发展，在液压系统中，电液比例调速阀是被 广泛采用的关键元件之一，是一种具有广泛发展前途的新型的液压控制阀。它通过改 变可变节流口面积大小，从而控制通过阎的流量，达到调节执行元件( 缸或马达) 运动 速度的目的。液压系统中使用电液比例调速阀应满足如下要求：有足够的调节范围； 能保证稳定的最小流量；温度和压力变化对流量的影响小；调节方便；泄漏小。 1 1 电液比例技术的发展概况 1 1 1 电液比例技术的发展历史 机电液一体化代表着机械制造行业的一个总体发展趋势。作为机电液一体化支撑 技术之一的液压技术，具有大功率、易于实现无级调速、工作平稳可靠的优点。但是 传统的液压元件的控制精度较差，响应慢，所以后来发展了具有高控制精度的电液伺 服阀。但是电液伺服器件价格昂贵，结构复杂，且对油质要求十分严格，这使得伺服 技术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工业应用场合，要求有灵活方便的控制 手段，却并不要求太高的控制精度或响应性，电液比例控制技术也顺应这一要求应运 而生【1 翻。 电液比例阀是介于电液伺服阀与传统开关阀之间的一类阀，相对于传统的开关 阀，它能通过改变信号的大小，方便地实现无级调速，并且其控制精度要比开关阀要 高，但结构却更为简单。相对于电液伺服阀，其价格低廉、节能、维护方便。在控制 精度要求不是特别高的情况下，采用电液比例阀，可以大大简化系统的结构，提高系 统的经济性1 3 j 。因而在现代工业领域里得到了广泛的应用。 电液比例技术的发展大致可以划分为四个阶段： ( 1 ) 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研 公司申请了压力和流量两项比例阀专利止，是比例技术的诞生时期。这一阶段的比例 阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以代替开关 电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控参数的反 馈闭环，其工作频宽仅在1 5 h z 之间，稳态滞环在4 - - 一7 之间，多用于开环控制1 4 1 。 i 乜液比例调速阀计算机测试实验系统的研究 ( 2 ) 1 9 7 5 年到1 9 8 0 年间可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内 反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成 熟。比例元件的工作频宽已达5 - - , 1 5 h z ，稳态滞环亦减小到3 左右。其应用领域同 渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制1 4 】。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一 步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳度精 度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍 保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异【5 】。另一项重大进展是， 比例技术开始和插装阀相结合，已丌发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插 装阀，形成了8 0 年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化， 还出现了电液一体化的比例元件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。 第三个值得指出的进展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现， 为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础1 4 i 。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代中后期开始，比例技术在固定工程设备上不断得到广泛应用的 同时，丌始大量进入行走机械领域，各种节能的负载敏感控制、负载适应控制等节能 器件与系统同益增多。其次，作为比例阀家族新成员的高速开关阀，正从小流量向中 等流量发展，在快速性和结构简单可靠方面显示其优势。另一个重要的进展就是适应 电液比例闭环控制的快速增长需要，出现了在一个新层面上伺服技术与比例技术的结 合的产物，即伺服比例阀，使得比例技术与伺服技术的交融与整合更进了一步。一方 面在不同的层面上各得其所，扬长避短；另一方面，技术上进一步融合，为达到未来 的一个技术体系的目标打下了更牢固的基础1 6 】。 1 1 2 电液比例技术的发展趋势 一、提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远多路阀 的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用【7 1 。 二、比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是结构 简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成，如浙江大学路甬祥发明的流 量一位移一力反馈二通电液比例流量阀，阀的各部分都采用了插装式结构；此外降低系 统能耗提高效率是当前液压技术中的重要课题之一。这就要求设计时充分考虑节能问 题，发挥多种节能技术：能量储备法：能量回收法；负载压力、流量匹配法、用计算 2 济南人学硕i j 学位论文 机对液压系统进行自适应控制以及比例容积控制技术，从多方面降低系统能耗、提高 系统的效率1 4 , 8 】。 三、由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大器 和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀( 电反馈) 的工作频宽。主要是以下几方 面： ( 1 ) 高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1 9 8 6 年德国b o s c h 公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大 器，并含位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞环仅o 3 ，负载 腔达8 0 供油压力，工作频宽和性能己达高水平伺服阀，而成本仅为后者的1 3 7 , 9 1 。 ( 2 ) 带集成式放大器的位移传感器( 2 0 0 h z ) 的开发，为电反馈比例阀小型化，集成 化创造良好的条件 7 1 。 ( 3 ) 伺服比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有伺服阀的各种特性：零遮盖、高精 度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性。如p i d 调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动态响应指标。可利用计算机对 p i d 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路p i d 参数的优良匹配【7 a o 。 ( 4 ) 比例放大器向多样化发展。尽管目前模拟式和开关式比例控制放大器在性能 上已基本满足实用要求，它仍然存在着一些不足之处。主要的缺陷就是缺乏灵活性。 因为不论是模拟式还是开关式，都是由模拟元器件构成的普通模拟比例控制放大器。 各种控制方案都必须由模拟硬件去完成，而且控制功能必须与硬件一一对应，要改变 控制方案就得更换模拟器件。近年来，随着数字计算机技术的迅速发展，性能改善， 价格下降，新的目标就转向了研制带微处理器的智能型比例控制放大器 1 1 , 1 2 】。这种智 能型控制装置不仅要具有记忆功能，还要有逻辑思维能力。它不仅可以通过程序控制 的方式来实现任何一种控制规律，而且可以充分发挥实时控制和综合控制的优势 1 3 , 1 4 , 1 5 】。由于智能比例放大器在许多方面优于普通的模拟比例放大器，能实现模拟比 例放大器较难以实现的一些功能，并且，随着自适应、f u z z y 等现代控制策略固化到 智能放大器中，将进一步完善调节器部分的性能，提高放大器总体控制功能【1 6 , 1 7 , 1 8 】。 1 2 电液比例调速阀国内外研究与发展现状 电液比例调速阀是比例阀中的一个重要分支，它是一种能根据输入控制信号自动 对流量进行调节，且流量基本上不受负载压力波动影响的流量阀。当前国内外的电液 【i 液比例洲速阀计算机测试实验系统的研究 比例调速阀按照工作原理的不同可以分为压差补偿型、流量反馈型、压差电气面积 补偿型三种基本类型1 引。 ( 1 ) 压差补偿型电液比例调速阀 最早的调速阀是1 9 世纪中叶英国工程师弗利明琴肯( f l e e m i n g j e n k i n ) 发 明的第一台减压节流型调速阀，一百多年来，这种调速阀在结构上发生了许多变化， 但其基本原理一直沿用至今口0 1 。压差补偿型电液比例调速阀也应用了这种控制原理， 它在传统调速阀的基础上用电一机械转换装置代替手动控制装置而构成。 为进一步改善传统压差补偿型电液比例调速阀的稳态负载特性和负载阶跃响应 特性，太原矿山机器厂润滑液压研究所的郭瑜【2 l j 提出了一种先导压差补偿型比例调速 阀。该阀由一先导式压差补偿器和插装式节流阀组成，能一定程度上减少液动力对压 差补偿器的影响。 ( 2 ) 流量反馈型电液比例调速阀 2 0 世纪8 0 年代浙江大学的路甬祥教授发明了流量一位移一力反馈型电液比例调速 刚3 ，4 ，2 ，这种比例调速阀采用了新的流量控制原理，控制性能较之压差补偿型电液比 例调速阀有了很大的提高，在国际上被誉为近2 0 年来液压控制技术中最重要的进展 之一【2 3 1 。目前己有厂家对这种控制原理的比例调速阀进行批量生产【2 4 1 。 近几年浙江大学流体传动及控制研究所又设计了一种流量位移电反馈型电液比 例调速阀，性能较流量位移力反馈型比例调速阀有了进一步的提高。 ( 3 ) 压差电气面积补偿型电液比例调速阀 太原工业大学的权龙，华南理工大学的黎启柏，黄晓东等人提出了一种利用压差 一电气一面积补偿原理的电液比例调速测2 5 ，2 6 ，2 7 1 。这种电液比例调速阀采用传感器检测 阀的进出口压差和阀口的开度，并用运算电路对检测值进行了相关的处理，使得能通 过阀口通流截面积的动态改变补偿因阀口的压差变化引起的流量变化，从而保证了流 过阀的流量保持不变。 1 3 液压计算机辅助测试技术( c o m p u t e r - a i d e dt e s t i n g t e c hn o l o g y ) 液压计算机辅助测试技术，涉及液压、自动控制、计算机、测试技术、数字信号处 理、信息等多学科理论与技术。液压c a t 技术是利用计算机建立一套数据采集和数 字控制系统，结合液压实验系统，由计算机对各个实验参数，如压力、温度、流量、 4 济南人学硕f ：学位论文 转速、扭矩等进行数据采集、量化和处理，并输出测试结果。在实验过程中，计算机 还可以根据信号反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和 控制实验系统及被试对象状态的目的，从而以快速、较高准确度、自动地完成对液压 元件的性能测试【6 】。液压计算机辅助测试技术已成为从事液压测试技术工作人员必须 掌握的基本知识。 1 3 1 液压计算机辅助测试技术的硬件 计算机的选择是系统设计首先要考虑的问题，也是硬件设计的核心。测试用的计 算机首先应在终端系统、存储容量、输入输出通道等方向满足要求。另外，还要兼顾 字长、运算速度、指令系统、人机对话能力。目前，可作为测试用的计算机主要有单 片机、可编程控制器和微机系统等。 ( 1 ) 单片机 所谓单片机就是将中央处理器( c p u ) 、随机存储器( 洲) 、只读存储器( r o m ) 、 定时器计数器和一些输入输出( i o ) 接口电路集成在一块芯片或部分集成的微型计 算机，又可称为微控制器。其特点是控制能力强、体积小、功耗小、成本低、易于应 用等优点，适用于小规模实时测控系统和智能仪表。它们的最大特点是开发简便、系 统相对稳定、通用性强，但是处理速度偏慢，不适合实时大容量的数据处理。 液压元件的出厂检验采用这种测试方法提高了测试的精度、效率、可靠性和自动 化程度2 9 1 。机床主轴淬火机床微机调速控制器的主控部分采用8 0 3 1 单片机控制电液 比例调速阀，实现工艺速度的录入在线控制，质量稳定性好。该系统设计不改变工人 的操作习惯，切换简易，操作方便【3 0 l 。 ( 2 ) p l c ( 可编程控制器) 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体 的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常 把p l c 认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。特别适用于时 间顺序控制系统，代替继电器控制装置。由于p l c 只有少数的元器件和接线，故障 率低，所以此控制系统具有很好的柔性，尤其是在工艺程序变更或改变工作循环的时 候，只要改变其用户程序，不需要重新安装，其灵活方便的优点显得更加突出，投资 少，工作效率和经济效益高【3 1 , 3 2 , 3 3 1 。 ( 3 ) p c 机及其兼容机 5 f 乜液比例调速阀计算机测试实验系统的研究 目前，3 2 位、6 4 位个人计算机( p c 机及其兼容机) 普及率高，具有通用性好、 图像及汉字处理功能强、性能价格比高等优点。计算机将a d 转换后的数字信号， 根据软件系统编制命令，进行实时处理，消除粗大误差、系统误差和随机误差，输出 测试结果。该c a t 流量阀特性测试系统结果与理论推导的特性基本相符。采用该c a t 系统具有误差小、准确度高，速度快、效率高等特点，并且c a t 系统测试数据可存 盘保留，可方便进一步分析、处理，提高了测试结果的处理能力1 3 4 l 。 ( 4 ) 工控机 工控机是工业控制微型计算机的简称，是通过对p c 机的加固、改良，提高其抗 恶劣环境的能力，再配以相应的工业控制应用软件和p c 机的巨大软硬件资源实现的。 它具有总线底板加功能模板的硬件系统结构。设计c a t 系统时，可根据需要方 便地选用不同的模板插入总线底板，即可组成所需要的工控机。总线模板式工控机适 用于环境恶劣、可靠性要求高的工业实时控制系统。文献3 5 1 计算机控制系统采用工控 机实现对系统的压力、温度、位移和开关量等的控制处理，闭环控制方式提高了试验 检测数据的准确性和可靠性，提高了试验效率。 1 3 2 液压计算机辅助测试技术的软件 一般提到的c a t 软件就是指应用软件，液压c a t 软件就是液压监测领域的应用 软件，而c a t 作用的发挥，主要取决于软件的性能。 c a t 硬件系统完成现场数据采集，c a t 软件则将硬件采集数据，通过数据通道输 入计算机，存储到外部设备保存起来，并可随时供数据处理程序提取和进行处理。 传统的液压c a t 采用汇编语言，或汇编语言与高级语言( b i s i c ，c ) 混合编程， 目前，很多已采用v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i 等可视化编程语言环境进行编程， 大大缩短了测控软件的开发时间。而目前崭新图形编程语言环境，如l a b v i e w ， l a b w i n d o w s c v i ，d a s y l a b ，v e e 等的出现，更使测控技术迈向了一个新时代。 1 3 3 液压计算机辅助测试技术国内外发展现状 早期，在液压元件或系统测试中，计算机只作为非测试系统的一部分，独立地用 于测量数据的分析处理。 7 0 年代木以前，计算机加入液压测试系统中，成为液压测试系统的一个重要组成 部分。特别是一些标准接口的出现，如：r s 2 3 2 c 和g p i b 接口总线，解决了仪器之间、 6 济南人学硕i j 学位论文 仪器与计算机之间的连接问题。计算机通过接口总线可与各种仪器积木式的组成自动 液压测试系统，计算机不但进行数据分析和处理，而且对整个测量系统进行控制和管 理【3 6 1 。 8 0 年代以来，大规模集成电路的发展，促进了计算机快速升级换代，计算机的 c p u 速度不断提高，极大的提高了液压测试系统的数值处理能力。由工控机、p l c 控制器、触摸屏、专用控制与测试用的软件等单元组成的上、下位机的结构，这种结 构使测试系统需要设备总量将大大减少，各种信号测量及激励信号波形的发生完全由 软件实现，不但加快了测量进程，提高了测量准确性，而且便于调试，降低了实验成 本【3 7 1 。 1 3 4 液压计算机辅助测试技术的发展趋势 液压c a t 的发展将遵循跟着计算机走、跟着通用软件走和跟着网络标准走的指 导思想。8 0 年代末美国研制成功虚拟仪器。所谓虚拟仪器就是利用计算机，加上特 殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有 的特殊功能的高档低价的新型仪器【3 8 】。虚拟仪器不仅推进了以仪器为基础的测试系统 的改进，同时也影响了以数据采集为主的测试系统的传统结构方法的发展，过去独立 分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响， 并形成新的技术方法和技术规范【3 9 1 。 “软件就是仪器【4 0 l ”这一思想，将得到进一步的体现和落实。虚拟仪器必将在液 压c a t 中得到进一步的应用和普及，他与数据采集、测试、过程控制、信息传输与 通信等现代信息技术汇集在一起，将使软件化仪器得到更广泛的使用。 1 4 论文选题的目的和意义 电液比例调速阀的性能用传统的方法进行测试，其测试精度低、工作量大、测试 效率低，不能高效精确的测试调速阀的特性。随着计算机技术的迅猛发展，计算机测 试应用于液压测试技术中已显示出测试精度高、测试速度快、工作量大大减小的优越 性。为了使电液比例调速阀更好的得到应用，充分发挥它的特点，传统的测试方法测 的电液比例调速阀的特性已经不能满足现在的应用要求，对电液比例调速阀特性进行 全面精确的测试日趋迫切。为此，采用计算机测试电液比例调速阀的稳、动态特性。 电液比例调速阀计算机测试实验系统性能稳定可靠、测试效率高、操作界面简洁， 使用方便。用其对电液比例调速阀的特性进行测试，可以保证测得电液比例调速阀的 7 f l l 液比例调速阀计算机测试实验系统的研究 1 实验数据准确可靠，对其做出正确的评价。 1 5 论文的主要研究方向和内容 本论文着重介绍电液比例调速阀计算机测试实验系统的硬件、软件组成，对不 同的电液比例调速阀进行实验，对实验数据和曲线进行分析研究。具体包括下面几方 面内容： 一、阀的工作原理及基本特性 首先介绍了实验研究对象电液比例调速阀的工作原理，对电液比例调速阀的 性能进行分析，介绍了它的基本特性，包括稳态控制特性、稳态负载特性、输入阶跃 响应特性等。 二、测试实验系统的硬件设计 首先介绍计算机测试系统设计，然后详细介绍了系统中传感器、比例放大器、系 统控制器和各数据卡的选型，阐述了各输入输出信号与板卡的通道配置，以及电气系 统的抗干扰措施。 三、测试实验系统的软件设计 首先分析了测试实验系统软件开发平台的选择，然后详细介绍了p c l 8 1 8 l 数据 采集卡的软件实现方式，简略介绍了测试实验系统软件实现功能和程序流程设计和测 试实验系统软件界面设计，阐述了a c c e s s 数据库应用和测试实验系统程序设计。 四、电液比例调速阀实验分析、研究 以电液比例调速阀为实验研究对象，介绍了电液比例调速阀液压实验系统设计， 详细介绍了电液比例调速阀的实验项目及内容，实验方法，实验结果，以及对实验结 果的分析。 五、总结 对论文工作进行了总结，并对进一步的工作提出了自己的看法。 1 6 本章小结 本章介绍了电液比例技术的发展、特点及趋势，电液比例调速阀国内外研究与发 展现状，阐述了液压计算机测试技术的特点、组成、国内外发展现状及其趋势。介绍 了本论文选题的目的和意义，提出了本论文的主要研究方向和内容。 8 济南人学硕i j 学位论丈 第二章电液比例调速阀工作原理及其基本特性 2 1 传统减压节流型比例调速阀 传统减压节流型比例调速阀原理如图2 1 所示。它的基本点是由定差减压阀对 节流阀口前后的压力变化进行补偿使节流阀口压差近似保持为定值，从而实现输入 信号对于流量的单调控制。 卯 口 善 q 1 0 ，、 、 | 厂 | ， r 0 5幻 阿1 扑恸 图2 1 传统减压节流型比例调速阀原理图 图2 2 传统比例调速阀稳态负载特性 图2 3 出口压力变化时的传统调速阀的简化图 ( 1 ) 稳态特性分析 根据减压阀阀芯受力平衡方程可得到节流阀e l 的工作压差为： 1 p 2 一p 32 玄瞰+ x ) 一k 3 ( 而一z ) ( a p 2 ) 】 ( 2 1 ) 方括号内第一项是弹簧力，第二项是液动力由式可见，在各种工况下，只有上述两 项作用力之差均保持恒定，才可能使节流阀阀口的工作压差为定值，才能保证调速阀 o f 乜液比例调速阀计算机测试实验系统的研究 输出流量不受压力变化的影响。显然，这是一个难以实现的苛刻条件。为了减小压差 p ：一p ，的波动，其措施之一是增加减压阀弹簧的预压缩量工o ，其二是增大减压阀阀 芯有效工作面积a ，其三是采用液动力补偿的阀芯结构，来减小液动力的影响，从 而达到改善调速阀的稳态负载特性( 俗称等流量特性) 。值得指出的是，增大减压阀芯 的有效作用面积a ，结果使整个阀的体积变大这就是传统流量阀的外形尺寸比较 大的原因。图2 2 是这类阀的典型稳态负载特性。 ( 2 ) 负载阶跃响应特性分析 传统型比例调速阀的负载阶跃响应特性，与稳态负载特性一样主要也取决于具 有压力补偿作用的定差减压阀。 在下面的简化分析中假设：比例节流阀的输入信号一定即节流阀口开度不变； 定差减压阀出口处没有设置蜀和尺：液阻；流量阀进口压力n 不变；只有阀的出口压 力比发生阶跃式变化。这样，可得到图2 3 所示的简化方框图。由图可知，由于稳态 液动力系数k 叩 0 ，即始终 为负反馈。在丌环系统的三个环节中，通常滞后环节的频率缈，及超f i 坏节的国。都比 二阶振荡环节的国。高。因此，起主导作用的是二阶振荡环节。与直动式溢流阀相类 似，没有附加阻尼r 。、r ：时的对数幅频特性穿越斜率为一2 ，所以很难保证工作的稳 定性。 设置阻尼r 。、足：后，可使频率低的阀芯谐振频率变为频率较高的液压谐振频率。 并且增加了一个起主导作用的低频滞后环节，可使阀的工作稳定性得到保证。由方框 图可知，当流量阀出口压力p ，变化时，节流阀进口压力会作出增加或减小的响应， 以补偿工作压差的变动。但是，当出口压力阶跃变化时，例如负载压力突然下降，由 于减压阀芯响应滞后，使节流阀阀口的压差突然增大，因而造成通过的流量急剧上 升其超调量峰值可达调定值的1 0 0 以上。尤其是减压阎的初始位置常为减压阀口 处于全开状态，基本不起减压作用。当突然投入工作时，节流阀阀口受到全压差作 用其瞬时超调流量就更大。这是传统型流量阀的一个主要缺点。所以，不能为了保 证稳定性而使减压阀的响应太慢，即蜀、r ：的阻尼孔不能取得太小。此外，减压阀 1 0 济南人学硕 j 学位论文 于减压阀芯响应滞后，使节流阀阀口的压差突然增大，因而造成通过的流量急剧上 升其超调量峰值可达调定值的1 0 0 以上。尤其是减压阀的初始位置常为减压阀口 处于全开状态，基本不起减压作用。当突然投入工作时，节流阀阀口受到全压差作 用其瞬时超调流量就更大。这是传统型流量阀的一个主要缺点。所以，不能为了保 证稳定性而使减压阀的响应太慢，即足、r ，的阻尼孔不能取得太小。此外，减压阀 的预开口量不宜过大，以免加剧上述流量超调造成的“起动阶跃现象。 2 2 比例调速