（机械电子工程专业论文）电液比例方向阀综合特性cat系统的研制及试验研究.pdf

摘要 摘要 计算机辅助测试( c a t ) 技术的兴起和应用，为电液比例方向阀性能测 试歼辟了良好的发展前景。虚拟仪器技术的出现，使液压c a t 技术进入一 个崭新的发展阶段。本课题首次在普通阀实验台上实现了基于虚拟仪器的 电液比例方向阀静、动态综合特性的测试。 本测试系统的研制过程中，涉及的相关知识主要有：数据采集与处理、 测试技术与测试信号处理、数字信号处理、自动控制、仪器仪表、液压传 动、液压比铡控制、机械加工、虚拟仪器等。 本课题在解决电液比例方向阀稳态流量特性测试时要求阀压降恒定的 难题上傲了深入的研究。首次采用虚拟仪器技术实现由数字p i d 调节器构 成的压差反馈闭环控制系统，使测试过程中阀压降波动控制在国标规定的 5 以内，达到了在稳态流量特性测试时阀压降基本保持恒定的目的，使测 试结果更准确在做负载流量特性测试时，用l a b v i e w 编程控制加载比 例溢流橱韵比例电磁铁输入电流逐步增加，实现了连续自动加载，克服了 手动加载的随机干扰，实现了加载的自动化。 用本测试系统对a t o s 公司生产的d h z o - t - 0 5 1 l s f y 型电液比例方向 阀豹稳态流量特性、压力增益特性、负载流量特性、流量压降特性、频率 特性秘阶跃响应特性进行了实测，并对溅试结果进行了分析，取得了良好 的效果 溅试系统软件是利用l a b v i e w5 1 1 在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下进行 编制。其程序讴用性强，各测试模块自成一体。相互不干扰。软件的人机 交互性好- 操作简单方便。测试系统的激励信号全部由软件编制的虚拟信 号源发生t 测试功能全部由虚拟仪器仪表实现，简化了实际仪器仪表，显 著降低了实验台的成本。 关键词电液比例方向阕：计算机辅助测试；虚拟仪器；静态特性测试： 动态特性测试 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r - a i d e dt e s t ( c a t ) p r o v i d e sab r i l l i a n tf u t u r e f o rc h a r a c t e r i s t i ct e s to fe l e c t r o - b y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a lc o n t r o l v a l v e sa n dt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li m t r u m e mb r i n g sc a ti n t o an e w d e v e l o p i n gs t a g e b a s e do nt h et e c h n o l o g yo f v i r t u a li n s t r u m e n t ，f o rt h ef i r s t t i m ei nt h i sp r o j e e te x p e r i m e n tt h es t a t i ca n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct e s t so f 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 ld i r e c t i o n a l c o n t r o lv a l v e sa r er e a l i z e do nt h e g e n e r a lh y d r a u l i cv a l v et e s t i n gp l a t f o r m t h ei n v o l v e dt l l e o r i e s a r cd a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g t e s t i n g t e c h n o l o g ya n dt e s t i n gs i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a u t o m a t i c c o n t r o l ，i n s t r u m e n t sa n dm e t e 硌，h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l ，m a c h i n ep r o c e s s i n g ，们s u a li n s t r u m e n t t h i sp r o j e c tr e s e a r c h e sm u c h d e e p e ro i lt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fk e e p i n g t h ev a l v e p r e s s u r ed i f f e r e n c es t e a d yd u r i n g t h et e s t i n go f t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c o f t 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 ld i r e c t i o n a lc o n t r o lv a l v e s b yu s i n gt h ev i t e c h n o l o g y , r e a l i z e s t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c ef e e d b a c kc l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do f p i d a d j u s t m e n ta n d w h i c hm a k e st h ef l u c t u a t i o n o fv a l v e p r e s s u r e d i f f e r e n c ew i t h i n 5 d u r i n gt h et e s t i n g o ft h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c i tm a k e st h et e s t i n gr e s u l tm o r ea c c u r a t e d u r i n gt h et e s t i n go f l o a d f l o wc h a r a c t e r i s t i c ，t h el a b v i e w p r o g r a mm a k e si ts t e p p i n gu pt h a tt h e c o n t r o le l e c t r i cc u r r e n to ft h ep r o p o r t i o n a ls o l e n o i do ft h el o a d i n gp r o p o r t i o n a l r e l i e f v a l v e i ti sa c t u a l i z e dt h a tt h ec o n t i n u o u sa n da u t o m a t i c l o a d i n g b yu s i n g t h i s t e s t i n gs y s t e m ，i t i st e s t e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d h z o - t - 0 51 l 5 y 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 l d i r e c t i o n a lc o n t r o lv a l v e p r o d u c e db ya t o sc o ，i n c l u d i n gt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c ，t h e p r e s s u r eg a i n c h a r a c t e r i s t i c ，t h e l o a d f l o w c h a r a c t e r i s t i c , t h e f l o w - p r e s s u r e d i f f e r e n c e c h a r a c t e r i s t i c ，t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t e pr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c i i a b s t r a c t 1 1 1 et e s t i n gr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dt h er e s u t so f t h et e s ta r ec o r r e c t ， t h es o f t w a r eo ft h e t e s t i n gs y s t e mi sp r o g r a m m e di n l a b v i e w5 1 1 w h i c hi su s e du n d e rw i n d o w s2 0 0 0 i tc a l lb ew i d e l yu s e da n de a c ht e s t i n g m o d u l ei si n d e p e n d e n ta n dn om u t u a li n t e r f e r e n c e i to w l l sf r i e n d l yi n t e r f a c e a n di se a s yt ob eo p e r a t e d a l lt h es t i m u l a t i n gs i g n a l sa l ep r o d u c e db yt h e v i r t u a ls i g n a ls o u r c e sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t sp e r f o r m sa l lt h e t e s t i n gf u n c t i o n s 1 1 i s t e s t i n gs y s t e mp r e d i g e s t sr e a li n s t r u m e n t sa n d t h ee x p e n d i t u r ei sr e d u c e d k e y w o r d se 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 l d i r e c t i o n a lc o n t r o l v a l v e ； c o m p u t e a i d e dt e s t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ct e s t ； d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ct e s t “l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 为了满足教学和科研的需要，我校流体传动与控制实验室与北京机械 自动化研究所合作研制开发了液压综合实验台，此实验台是一个大型的液 压元件综合性能溯试系统。本实验台包括液压阀台、泵台、液压马达台、 液压缸台、电液伺服阔台等几个测试部分。其中，电液伺服阀的综合性能 测试部分是由燕山大学流体传动与控制实验室自行开发成功的。为了完善 综合实验台的功能，决定在普通阕台上开发电液比锣4 方向阀的静动态综合 特性计算机辅助测试( c o m p u t e r a i d e dt e s t ，简称c a t ) 系统，这就是本课题 研究的目的。 随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量溯试技术、数字信息处 理、可靠性技术的发展，液压计算机辅助溅试也正向着高速、高效、智能 化、多功能化、多样化发展。我国液压c a t 技术经过2 0 多年的发展，已 有很大进展。从1 9 8 0 年开始，一些单位就将单片机或p c 机应用于液压测 试中，但因研制年代较早，硬件的性能均不高。与液压c a t 密切相关的是 溺控仪器，最初的测控仪器是传统的模拟仪器，由于人工因素，检测速度 和测试准确性都难以保证。带g p i b 接口的智能仪器的出现。使得液压c a t 实现了自动化，但此时计算机在测试过程中只起到记录数据的作用，c a t 系统的性能主要取决予智能仪器，这样的系统通用性差，造价高，性能低， 所能实现功能也有限。 2 0 世纪8 0 年代，首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器( v i r t i l a l i n s t r u m o n t ，简称v 1 ) 。已经成为2 l 世纪测试技术与仪器技术发展的一个重 要方向，并且在研究、毒i 造和开发等众多领域得到广泛应用。从2 0 世纪 9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、中 科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟 式仪器设计平台以及引进和消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系 列有益的工作。虚拟仪器的出现与应用，使液压c a t 技术进入一个崭额的 茎生查堂三兰堡主兰垡丝壅 发展阶段f 2 1 。本课题基于先进的v i 技术研发了性能优良的电液比例阀静动 态综合特性c a t 系统，以满足教学和科研工作的需求。 1 2 测试技术学科的发展动向 科学的发展突破是以测试技术的不断进步为基础的，同时科学技术的 发展又促进测试技术的发展。测试技术属于信息科学范畴，是信息技术三 大支柱( 测试控制技术、计算机技术和通信技术) 之一。测试技术已渗透到人 类的科学研究、工程实践和日常生活的各个方面。在生产活动中广泛应用 测试技术，如生产过程中产品质量的控制、节能和生产过程的自动化等。 这些都要测量生产过程中的有关参数和进行反馈控制，以保证生产过程中 的这些参数处于最佳或最优状态f 3 】。 人类的信息化必将为智能测试提供更为广阔的应用前景。随着科学技 术的发展，现代测试技术将向着高可靠性、高智能化方向发展。 1 2 1 采用新型信息处理方法 近年来，新型信息处理技术，如数据融合技术、模糊信息处理技术和 神经网络技术等，在现代测试系统中得到了有效的应用。随着新型信息处 理技术的发展，现代测试系统的信息处理方法必将发生革命性的改变【4 】。 1 2 2 集成仪器 仪器与计算机技术的深层次结合产生了全新的仪器结构概念。从虚拟 仪器、卡式仪器、v x i 总线仪器直至集成仪器概念。一般来说，将数 据采集卡插入计算机空槽中，利用软件在屏幕上生成虚拟面板，在软件引 导下进行信号采集、运算、分析和处理，实现仪器功能并完成测试的全过 程，这就是所谓的虚拟仪器。在此同一平台上，调用不同的测试软件就可 构成不同功能的虚拟仪器，故方便地将多种测试功能集于一体，实现多功 能集成仪器。 - 1 2 3 采用高智能化软件 在测试平台上，调用不同的测试软件就构成不同功能的仪器，因此软 件在系统中占有十分重要的地位。在大规模集成电路迅速发展的今天，系 第l 章绪论 统的硬件越来越简化，软件越来越复杂；集成电路器件的价格逐年大幅下 降，而软件成本费用则大幅上升。测试软件不论对大的测试系统还是单台 仪器子系统来讲都是十分重要的，而且是未来发展和竞争的焦点。有专家 预言：“在测试平台上，下一次大变革就是软件。”信号分析与处理要求取 得某些特征值，如：峰值、有效值、均值、均方值、方差、标准差等，若 用硬件电路来获取，其电路是极为复杂的；若要获得多个特征值，电路系 统则很庞大：而另一些数据特征值，如相关函数、频谱、概率密度函数等 则是不可能用一般硬件电路来获取的，即使是具有微处理器的智能化仪器， 如频谱分析议，频率响应分析仪等，其价格极为昂贵，是“贵族式”仪器。 而在测试平台上，反映信号数据特征的特征俊甩软件编程很容易实现，从 而使得那些只能是“贵族式”分析仪器才具有的信号分析与测量功能得以 在一般工程测量中实现，使得信号分析与处理技术能够广泛深入为工程实 践服务f 5 l 。 软件技术在现代测试系统如此重要表明了计算机技术在现代测试系 统中的重要地位。但不能认为，掌握了计算机技术就等于掌握了测试技术。 这是因为，其一，计算机软件永远不能全部取代测试系统的硬件；其二， 不懂得测试系统基本原理不可能正确组建测试系统，不可能正确应用计算 机。一个专门的程序设计者，可以熟练而又巧妙地编制科学算题的程序， 但若不懂测试技术剐根本无法编制测试程序因此，现代测试技术既要求 测试人员熟练掌握计算机应用技术，更要深入掌握测试技术的基本理论。 1 2 4 网络化 随着鼹络技术的普及与发展，为测试技术 j i _ 来了前所未有的发展空伺 和机遇，将现代测试技术与网络连接，不仅能实现对测试系统的远程操作 与控制，而且可以把测试结果通过网络显示在世界各地的w e b 浏览器中， 以实现测试系统资源和数据的共享。 1 2 5 通用化和标准化 为便于获取和传输信息，实现系统变更与升级，现代测试系统的通用 化、标准化设计十分重要。目前的接口与总线系统较多，随着智能测试技 燕山大学工学硕士学位论文 术的发展，可望制定全世界通用的几种统一接口与总线系统标准，或者制 定几种相互兼容的接口与总线系统标准，以便于系统的组建、更改、升级 和连接。由于采用通用化、标准化设计，现代测试仪器将易于实现分散使 用与大范围联网使用。当不需要使用整个检测系统工作，而仅仅需要进行 某个观测目标的单一检测时，可令系统中的某个智能部件单独工作；当观 测目标多、信息量较大时，则可将许许多多的智能部件连接成大型智能测 试系统，也可将多个智能测试系统联网，组成巨型智能测试网络。现代测 试仪器还可以与其他非检测性网络连接，获得其他系统的信息，为其他系 统提供现代测试仪器的观测、估计、判断与决策结果【6 j 。 1 3 液压c a t 技术的现状与发展方向 液压计算机辅助测试( c o m p u t c r 趟d e dt e s t ) ，简称液压c a t ，是一门新 兴的综合学科，所涉及的范围包括液压、自动控制、微型计算机、测试技 术、数字信号处理、可靠性等。液压c a t 是利用计算机建立一套数据采集 和数字控制系统，与实验台连接起来，由计算机对各实验参数，如压力、 温度、流量、转速等参数进行数据采集、量化和处理并输出测试结果【7 1 。 1 3 1 液压c a t 系统的硬件 液压c a t 的硬件系统主要完成数据采集和通讯的任务，包括计算机主 机、传感器及信号调理装置、输入一输出接口、计算机外设等。 1 3 1 1 计算机主机传统的液压c a t 采用单片机，而现有c a t 系统的主 机以p c 机为主ap c 机微处理器c p u 速度不断提高，采用流水线、r i s c 结构、c a c h e 等先进技术，极大地提高了测试系统的数值处理能力和处理速 度。过去2 8 6 c p u 的主频只有8 m h z ，而现在的p e n f i u m l v 的主频已达到 2 6 g h z ，速度提高了3 0 0 多倍。 1 3 1 2 传感器把各种物理信号转换成电信号的器件称为传感器。传感器 的类型很多，如测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻等；测量机械位移 的有电感位移传感器、光栅位移传感器等。此外，又不断涌现出新的传感 器。如光纤传感器具有灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防电磁场干 扰，超高压绝缘，无源性，材料资源丰富，成本低等优点。现已实现的传 4 第1 章绪论 感信息量有力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变等。超声 波检测技术、红外线检测技术也应用在液位和流量的测量中。如今，传感 技术向集成化、多功能化、智能化发展。现在已经能够把敏感元件与信号 处理以及电源部分集成在同一基片上，从而使检测及信号处理一体化i s - - q 。 1 3 1 3 输入一输出接口数据采集的关键在于将传感器输出的电信号送 入计算机，沟通计算机与传感器的桥梁就是输入接口输入接口包括模拟 量输入和开关量输入，计算机的输出接口包括模拟量输出，定时计数器输 出及数字量输出。随着a d 、d a 转换技术，放大器、抗混淆滤波器和信 号波形处理技术的不断改进，插入式数据采集卡国a q ) 采样速率达到1 g s s ， 精度高达2 4 位，通邋数高达“个，并能任意鳍合数字i o ，模拟输出和 计数器，定时器逶遵。 1 3 1 4 总线技术与数据采集技术相联系的是计算机总线技术。测试领 域过去一般采用工业标准总线( i s a ) 。它是一种8 位或1 6 位非同步数据总 线，工作频率为8 m h 写数据传输率在8 位时为i m b s ，1 6 位时为2 m b s 。随 着计算枫技术的发疑i s a 总线的计算能力帮通信能力越来越不能满足当 今多任务的操作环境丽外围设备接口总线d 是一种同步的独立于c p u 的3 2 位或6 幸位局部总线，最高工作矮率为3 3 m h z ，数据传输率为1 3 2 m b s 。 p c i 总线支持无限读写突发方式，p c i 总线上外围设备可与c p u 并发工 作，从两提高了整体性能。p c i 总线还为p i l c 桃平台带来了真正的即插即 用功能以弛i 总线为基础的数据采集系统，大大提高了数据采集速率。 此外，在通厨仪器总线( o p m ) 之后诞生盼v x l 仪器总线、p x i 总线，在计 算机辅助测试系统中也得到了日益广泛的应用【1 0 - 1 2 1 。 1 3 2 液压c a t 系统的软件 液压c a t 系统的软件就是开发出来的溯控软件传统的液压c a t 采 用d o s 操作系统，目前已l 采用g r m d o w s 2 0 0 0 、w m d o w s n t 或w i n d o w s x p 操作系统。w i n d o w s 操作系统的图形用户接口( c 町i ) ，大大改善了测试系 统的运行界面，其多任务和多线程能力大大增强了数据采集卡的性能。尤 其是多线程可将用户界面显示与数据采集分配在不同的线程上，降低数据 燕山大学工学硕士学位论文 采集与用户界面显示间的干扰，使每个线程能独立地以最快速度运行，充 分提高系统的测试速度。通过按时间占用的多少对线程进行优先级划分， 多线程能力还可提高系统的响应性能。 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 a s i c 、c ) 混 合编程。要编制出一个图文并茂、界面友好的测控软件，要花费相当的人 力和时间，并且对编程人员技术水平要求较高。目前，很多已采用v i s u a l c + + 、v i s u a lb 、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。很多数据采集卡厂商也不失时机的推出了其产品在 v b 、v c 下的免费驱动程序，把底层的、复杂的硬件编程细节隐藏起来， 为用户提供一个便于理解的接口，使得数据采集和控制工作更加容易。 目前崭新的图形编程语言环境，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、 d a s 加、v e e 等的出现，使测控技术迈向了一个新时代。以l a b v i e w 为例，它把复杂、烦琐的语言编程简化成菜单或图标提示的方法选择功能 ( 图形) ，并用线条把条件功能连接起来的简单方式。与传统的编程方式相 比，l a b v i e w 可节省8 0 的程序开发时间，而运行速度却不受影响。 正是由予应用软件的发展，推动了虚拟仪器的诞生和发展。虚拟仪器 ( v i r t u a li n ：栅瓶e n t ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合 起来，用户可以通过友好的图形界面来搡作这台计算机，就像在操作自己 定义、自已设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、 判断、显示、数据存储等。将虚拟仪器应用在液压c a t 中，可节省信号源、 示波器、信号分析仪、x - y 记录仪等测试设备，大大降低实验系统研制的 硬件成本”j 。 1 3 3 液压c a t 技术的特点和应用 液压c a t 的应用模式，经历了下面四个阶段【1 7 】： ( 1 ) 常规= 次仪表+ 单板机+ 汇编语言； ( 2 ) 常规二次仪表+ 专用接口+ 计算机+ 高级或汇编语言+ 输出设备； ( 3 ) 通用接口+ 微型机系统； ( 4 ) 兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。 6 第1 章绪论 从测试系统的功能看，有两种模式： 一是计算机对溅试装置进行控制并完成测试过程数据采集，处理一体 化的系统。如北京机械工业自动化研究所的液压阀、液压泵、液压缸、液 压马达试验台计算机辅助浏试系统，上海交大和昆山液压件厂为武钢研制 的新国际b 级精度液压阀试验台的计算机辅助撼试系统，华中理工大学液 压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试验台c a t 系统及电液伺服阀c a t 系统等。 二是计算机不对测试装置进行控制，只进行数据采集、信号处理和试 验结果输出的系统。如北京理工大学的液噩泵、液压马达、液压泵液压 马达传动系统工作特牲的计算机麓助实验系统，广州枧床研究所液压泵性 能和噪声计算机实时监测系统等1 他五3 1 。 1 3 4 液压c a t 技术的发展方向 由于计算机软、硬件技术、通信技术、网络技术的发展，测试技术得 以和计算机技术深层次结合，推动了计算机辅助测试技术的不断进步。液 压c a t 的发展将遵循跟着通用计算机走、跟着通用软件走和跟着网络标准 走的指导思想。“软件就是仪器”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 中得到迸一步的应用翱普及，数据采集、测试、 过程控铡、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起，将使软件化仪器 得到更广泛的使用。逶过计算机网络连接，液压c a t 将不再局限于孤立的 或局部的测试系统，而成为信息采集、传输、处理、利用的大系统中的一 环，连网测试将在很多领域发挥出巨大作用伫4 1 。体现了“网络就是仪器” 的新概念。 1 4 本课题的研究内容 本文的研究对象为电液比例方向阀计算机辅助测试系统以及虚拟仪器 技术在电液比例方向阀c a t 中的应用，目的是研制出一套基于虚拟仪器的 电液比够j 方向阀静、动态特性测试系统，研究电液比例方向阀静、动态特 性测试及信号处理的相关理论。因此，研究工作包括电液比例方向阀静、 动态特性测试方法的理论分析、试验硬件的配置及虚拟仪器测试软件的开 燕山大学工学硕士学位论文 发。 首先，说明了电液比例方向阀静、动态特性测试内容与测试原理。主 要阐述了电液比例方向阀静、动态特性的指标以及测试原理。利用数字p i d 调节器实现压差反馈控制，解决了电液比例方向阀稳态流量特性测试时要 求阀压降恒定的难题，并深入研究了电液比例方向阀频率特性的两种测试 方法。 接着又阐述了测试系统信号分析与处理的相关理论和方法。主要包括： 测试系统的抗干扰设计、频谱分析、数字滤波器的设计和曲线拟合。 然后，进行了测试系统的硬件开发。主要介绍了本测试系统结构原理 和硬件选择，包括：微型计算机、传感器装置、信号调理装置、数据采集 设备的配置及功能。 再之，进行了测试系统的软件开发。简单介绍了虚拟仪器技术的特点 及发展趋势，重点阐述了面向仪器和测控过程的图形化开发平台一 l a b v i e w 及本测试系统的软件结构和编程技巧。 最后，使用本测试系统对a t o s 公司生产的d h z o t - 0 5 1 l 5 f y 型电液 比例方向阀进行了静、动态特性大量的实测试验，得到了各特性曲线，并 对所测的结果进行了分析。试验证明，本测试系统能够快速、简捷、精确 地完成了电液比例方向阀静、动态特性的测试。 第2 章测试内容与测试原理 第2 章测试内容与测试原理 电液比例方向阀是电液控制系统中的关键性元件之一，在液压系统的 设计和研制中它也往往是注意的焦点，因此了解它的特性和性能参数是十 分必要的在新的国标中电液比例方向阀归入电调射四通滑阀，这类控制 阀是种接收电的控制信号，然后根据输入信号的极性和大小，控制负载 的流体流动方向和流量的元件。为了成功地应用电调制液压控制阀必须 了解这类阀的许多静态、动态特性及试验方法。试验液压系统如图2 1 所 示。 2 1 比例溢流阀( p 口调压) ：2 ，3 ，4 ，5 - 压力传感罂；6 。7 比倒溢流褥( 模拟加载) ；8 流量计；9 , 1 0 截止阀 图2 - i 试验液压系统图 f i g 2 - 1t h ec h a r to f h y d r a u l i c s y s t e mf o ft e s t 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 1电液比例方向阀的静态特性及其测试原理 电液比例方向阀的静态特性一般包括稳态流量特性( 空载流量特性) 、 压力增益特性( 压力特性) 、负载流量特性( 压力流量特性) 、内部泄漏特性( 静 耗流量特性) 、流量压降特性等。 2 1 1 稳态流量特性 通常将电液比例方向阀的稳态流量特性称为空载流量特性，它是供油 压力只为恒值，负载压差印。卸时，输出流量晓与控带i 电流之间的关系。 测试此特性的难点是测试过程中要保持阀压降恒定【1 7 j ，具体保持阀压降恒 定方法在2 2 节做详细介绍。 电液比例方向阀是一种电调制四通方向流量控制阀，零重叠四通滑阀 的空载流量特性方程为 厣 见= c d w x ，p ( 2 - 1 ) v 尸 x ，= k ，f 。( 2 2 ) 其中，统为通过被试阀的流量；c 。为阀口流量系数；w 为面积梯度；x 。 为阀芯位移；p 为油液密度；只为供油压力；t 为输入被试阀比例电磁铁 的控制电流，世，是阀芯位移z ，对输入被试阀控制电流的增益。 驯 l 0 。 图2 - 2 稳态流量特性曲线 f i g 2 2c u r v eo f f l o wc h a r a c t e r i s t i c 1 0 第2 章测试内容与测试原理 逐步改变图2 1 中被试阀比例电磁铁的控制电流在正负最大值之间 扫描一个完整的循环，被试阀输出流量q 随之变化，可得到稳态流量特性 曲线如图2 2 所示。由于被试阀比例电磁铁有一定磁滞，所以得到的特性 曲线存在滞环。 2 1 2 压力增益特性 电液比例方向阀的压力增益特性是指在供油压力只为恒值，负载通道 封闭，即鱿= 0 时，负载压差兄与控制电流t 之间的关系。 关闭图2 1 中截止阀9 、1 0 ，相当于负载无穷大，在一定的油源压力 下，逐步改变被试阀比例电磁铁的控制电流t 在正负最大值之间扫描一个 完整的循环，负载压羞只随之变化，得到压力增益特性曲线如图2 。3 所 示。这条曲线的斜率就是压力增益，阀的压力增益越大越好，特别是希望 以很小的误差去克服负载影响时更是这样，压力增益低是表示零位泄漏量 大，配合情况不好，导致液压系统的性能变缓慢而迟钝。 t 。 厂。 j rr 0 i c 图2 - 3 压力特性曲线 f i g 2 - 3c u r v eo f p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c 燕山大学工学硕士学位论文 2 1 3 负载流量特性 零重叠四通滑阀的负载流量特性方程为 斤_ 绞= c d 膨，、卜化一己) ( 2 - 3 ) v 尸 其中，见为通过比例阀的流量；c 。为阀口流量系数；为面积梯度：x ， 为阀芯位移；p 为油液密度；只为供油压力；最为负载压力。 在供油压力p r 为定值时，不同阀开1 2 情况下，逐步改变输入图2 1 中 比例溢流阀6 的比例电磁铁电流，相当于逐步加载，负载流量也随之变化， 可得一簇负载流量随负载压差变化的曲线。如图2 4 所示。 吼 n 斜 睦 0 丘 心 图2 4 负载流量特性曲线 f i g 2 - 4c u r v e o fl o a d - f l o wc h a r a c t e r i s t i c 2 1 4 内部泄漏特性 在电液比例方向阀输出流量等于零和供油压力只为常数的情况下，其 回油口( t 口) 流出的流量q ，与控制电流间的关系。内部泄漏量随输入电 流变化而变化，当阀处于零位时为最大。零位泄漏流量对新阀可作为滑阀 制造质量指标，对旧阀可反映其磨损情况。内部泄漏特性曲线如图2 5 所 示。 1 2 第2 章测试内容与测试原理 l 0 7 图2 - 5 内部泄漏特性曲线 f i g 2 5c u r v eo f i n n e rl e a k a g ec h a r a c t e r i s t i c 2 1 5 流量压降特性 在给电液比例方向阀输入最大控制电流时，阀压降与通过阀流量的关 系，反映了不同阀压降时对应的最大流量值。 q ：c a w k , 1 胖( 2 - 4 ) yp 其中，a 尸为阀压降。 口。 o 6 p 图2 - 6 流量压降特性曲线 f i g 2 - 6c u r v eo f f l o w - p r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c 给被试阀输入最大控制电流时，逐步增大图2 - i 中比例溢流阀1 比例 电磁铁的控制电流使供油压力逐步增大，这时通过被试阀的流量和被试阀 阀口压降随之变化，采集流量与压降信号得到流量压降特性曲线如图2 - 6 燕山大学工学硕士学位论文 所不。 2 2 稳态流量特性测试时恒定阀压降控制方案 在电液比例阀方向阀的静态特性测试中，稳态流量特性测试难度较 大，因为国标要求在恒定阀压降条件下测试输出流量q ：与输入电流f 。之间 的关系。为解决阀压降恒定问题，目前通常采用配有压力补偿器的油路， 但压力补偿器在被试阀开口变化过程中，不能达到满意的保持阀压降恒定 的效果，特别是在小流量的情况下更是如此。另外要调整阀压降值时也不 方便，因此需要寻求新的途径。为了解决这个问题，我们采用压差反馈控 制来保持 赙试过程中阀压降恒定脚1 。其原理图如图2 7 所示。 图2 - 7 压差反馈控制原理图 f i g 2 - 7p r i n c i p l ec h a r to f p r e s s u r ed i f f e r e n c ef e e d b a c kc o n t r 0 1 2 2 1 恒压降压差反馈控制系统的设计 通过电液比例方向阀节流控制阀口的流量为 1 4 第2 章测试内容与测试原理 反石 骁= c d w k = ，f 兰 ( 2 5 ) yp 其中，c 。为阀1 ：3 流量系数；矽为阀节流口面积梯度：k ，为阀芯位移对控 制电流的增益；p 为阀口压降：p 为油液密度。 受控流量取决于控制电流和阀口压降舯。在国标中电液比例方向阀 的稳态流量控制特性试验要求阀压降基本恒定。但阀芯移动引起流量变化 时，使阀压降并不能保持恒定。本系统用压力传感器构成压力闭环来解决 这一问题。如图2 7 所示，根据控制阀压降的绘定压差与反馈信号p 比较 后，获得误差信号e ，经p i d 调节器和比例放大器来控制油源的比例溢流 阀，以便在被试阍控制电流t 改变过程中，随时调整阀压降始终保持为设 定的常值。 2 2 2p i d 调节器的设计 按c l l 环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器( 简称为 p i d 调节嚣) ，是连续系统中技术成熟的、应用最为广泛的一种调节器。它 的结构简单，参数易于调整，在长期应用中己积累了车富的经验。在工业 过程控制中，由于被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数经常发 生变化，运用控制理论分析综合要耗费很大的代价，却不能得到预期的效 果，所以人们往往采用p i d 调节器，根据经验在线调整p i d 的参数，以便 得到满意的效果。随着计算机特别是微机技术的发展，p i d 控制算法已能 用计算机实现。由于软件的灵活性，p i d 算法可以得到修正和完善。 2 2 2 1 模拟p i d 调节器p i d 调节器是一种线性调节器，这种调节器是 将系统的给定值r 与实际输出值y 构成控镧偏差e = ，一y 的比例、积分、微 分，通过线性组合构成控制景( 如图2 - 8 所示) ，所以简称p ( 比例) i ( 积分) d ( 微 分) 调节器。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活地改变 其结构，取其中一部分环节构成控制规律。例如，比例( p ) 调节器、比饲积 分( p 1 ) 调节器、比例微分伊d ) 调节器等。 ( 1 ) 比例( p ) 调节器是最简单的一种调节器，其规律为 ”= k p e + ”o( 2 6 ) 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 8 模拟p i d 控制 f i g 2 - 8a n a l o gp i d c o n t r o l 其中，彭。为比例系数；为控制量的基准，也就是e = 0 时的控制作用。 比例调节器对于偏差e 是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控 制作用，使控制量朝着减少偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例 系数k 。比例调节器虽然简单快速，但对于具有自平衡的控制对象存在静 差。加大比例系数膏。可以减少静差，但是，当足。过大时，会使系统的动 态质量变坏，引起被控量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 ( 2 ) 比例积分( p i ) 调节器是为了消除在比例调节中残存的静差，在比例 调节的基础上加上积分调节形成的调节器，其控制规律为 ，1 ，、 “= k p le + 音【e d tl + u o ( 2 - 7 ) 1 1 j 其中，乃为积分时间。p i 调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化的成分 外，还带有累积的成分，因此，积分环节的加入将消除系统静差。因为， 只要偏差e 不为零，它将通过累积作用影响控制量搿，以求减少偏差，直 到偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。增大t 将减慢消除 静差的过程，但可减少超调，提高稳定性。霉必须根据对象特性来选定， 对于管道压力、流量等滞后不大的对象，以可选的小些，对温度等滞后较 大的对象，兀可选的大一些。 ( 3 ) 积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但花出的代价是降低了 响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对 偏差量做出即时反应，而且对偏差量的变化做出反应，或者说按偏差变化 1 6 第2 章测试内容与涎试琢理 的趋向进行控制，使偏差消灭于萌芽状态之中。为了达到这一日的，可以 在上述p i 调节器的基础上再加入微分调节，形成p i d 调节器，其控制规律 为 “= 巧( e + 毒扣+ 磕卜 ( 2 8 ) 其中，称为微分时间。由于加入微分环节u o = k ，d 卉，它对偏差的 任何变化都产生一控制作用， ；i 调整系统输出，阻止偏差的变化。偏差 变化越大，越大，反馈校正量则越大故微分作用的加入将有助于减少 超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减少了调 整时闻，从而改善了系统的动态性能。 2 2 2 2 数字p i d 控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根 据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，式( 2 8 ) 中的积分项不能直接准确 计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t = 汀( r 为采样周期) ，式 ( 2 8 ) 所表示的p i d 调节规律可通过数值公式 虬=砟一+吾喜勺+争g一)卜(2-9)i 1 舢 1 ， 近似计算。如果采样周期川驭得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程 与连续控制过程十分接近 由式( 2 9 ) 可得 t 。4 卜号姜勺辱咏：) 卜 式( 2 9 ) 减式( 2 l o ) 得 = 。+ 坼f q ，1 一) + 了tq + 争( e 。一2 e i _ + e i 一：) 1 ( 2 - 1 1 ) 1 ， 1 为p i d 递推算法。 2 2 2 3 数字p i d 调节参数的确定数字p i d 控制的采样周期相对于系统 的时间常数来说是很短的，所以其调节参数的确定可以按模拟p i d 调节器 的方法来选择。 在选择调节器参数前，应首先确定调节器的结构，以保证被控系统的 燕山大学工学硕士学位论文 稳定，并尽可能的消除静差。由于理论上很难得到被控对象的准确模型， 所以通常采用试凑法确定p i d 调节参数。试凑法是通过模拟或实际的闭环 运行，观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数( k ，、t 、) 对系统响 应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的效果。 增大比例系数k ，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减 少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，产生振荡，使稳定性 破坏。 增大积分时间t 有利于减少超调，减少振荡，使系统更加稳定，但系 统静差的消除将随之减慢。 增大微分时间死有利于加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加， 但系统对扰动的抑止能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 在试凑时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比 例，后积分，再微分的调定步骤。 ( 1 ) 首先只调定比例部分。将比例系数k ，由小变大，并观察相应的系 统响应，直到得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差 已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可， 最优比