（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器技术的液压综合测试系统设计与研究.pdf

摘要 液压技术已广泛的应用于国民生产的各个环节，液压元件、组件 和系统性能的高低直接影响机器的质量，对元件、组件和系统的性能 参数进行测试分析，以满足各种用途的需要，就成为不可缺少的重要 环节。随着计算机软硬件技术和计算机辅助测试技术的发展，特别是 虚拟仪器技术的出现，为开发通用的液压元件计算机辅助测试系统提 供了便利条件。因此，将测试领域中的最新技术虚拟仪器技术应 用于液压元件及系统性能的自动测试中，以提高测试的效率和精度， 对于液压元件和系统的研发以及液压产品的推广应用具有重要作用。 本文选择基于虚拟仪器技术的液压综合测试系统作为研究课题，结合 液压综合试验台的研制，在以下几个方面开展了全面而深入的研究： 1 综合分析了各类液压元件的试验内容，对不同元件特性测试内容 进行了归纳，总结出四大类型试验，使测试系统的功能更加全面，同 时也为软件的编制提供了数学模型。 2 设计了液压综合测试系统液压回路。并用仿真软件b a t h f p 对 液压系统作仿真分析，建立了仿真模型，得到了仿真结果，对测试系 统的设计起到了指导作用，也为现场测试结果的分析提供了参考依 据。 3 以虚拟仪器技术的设计思想为指导，设计了液压元件和系统的通 用测试平台，用v i s u a lb a s i c 开发t n 控软件。测试系统能自动完成 对液压泵、液压马达、液压缸、液压阀及液压同步系统的性能测试， 具有采集、控制、数据分析、结果数据库管理和打印输出以及用户界 面等功能。 4 测试系统设计过程中充分利用计算机的软硬件资源，其内容涉及 硬件和软件两个方面；硬件方面着重研究了数据采集的硬件结构、信 号调理装置、系统抗干扰措施等；软件方面着重研究了数据采集的板 卡驱动、虚拟仪器框架平台软件系统的设计、高精度定时的方法、 测试数据处理等。 5 应用设计的液压综合测试系统，研制出了液压综合试验台。现场 实验中得到的结果表明试验台的测试功能是全面的，满足了高精度测 试的要求，测试过程简单方便，获得了良好效果。验证了液压综合测 试系统的设计思路和设计方法是可行的。 关键词： 虚拟仪器，液压c a t ，液压仿真 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fh y d r a u l i cp r e s s u r eh a sb e e nw i d e l y u s e di ne v e r y p a r to f n a t i o n a lp r o d u c t t h ep e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cc o m p o n e n ta n d h y d r a u l i cc i r c u i tc a ni n f l u e n c et h eq u a l i t yo f m a c h i n ed i r e c t l y s oi ti s i m p o r t a n t t ot e s ta n d a n a l y z e t h e p e r f o r m a n c e i n d e xo fh y d r a u l i c c o m p o n e n ta n dc i r c u i t ，i no r d e rt om e e tt h en e e d so f d i f f e r e n tp u r p o s e t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea s w e l la st h ed e v e l o p m e n to fc a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) ，e s p e c i a l l yt h e a p p e a r a n c eo fv i ( v i s u a li n s t r u m e n t ) ，p r o v i d e sc o n v e n i e n c et od e v e l o p m u l t i f u n c t i o n a lc a t s y s t e m o f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s t h u s ，t h es t u d y o n c a t s y s t e mb a s e do nt h em o s tn e w t e s tt e c h n o l o g yo fv i ，m a yp l a ya v e r yi m p o r t a n t r o l ei nr e s e a r c ho fn e w h y d r a u l i cc o m p o n e n t s a n d s y s t e m s ， a l s oi n e x t e n d i n ga p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i cp r o d u c t s i n t h i s p a p e r , s e l e c t i n gm u l t i f u n c t i o n a lc a to fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sb a s e d o nv i t e c h n o l o g y a s s t u d y i n gt a s k , c o m b i n e d w i t hm a n u f a c t u r eo f m u l t i f u n c t i o n a lt e s t - b e do fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e m s ，ad e e p l y s t u d y w a s d e v e l o p e d i ns u c hf i e l d sa sf o l l o w s ： 1 t h ee x p e r i m e n tc o n t e n t so fa l lk i n d so fh y d r a u l i cc o m p o n e m s w e r ed i s c u s s e d 。t h ec o m m o n n e s so ft h e e x p e r i m e n tc o n t e n t s w a s s u m m e d u p t h i s m a k e st h ef u n c t i o no f t h et e s ts y s t e ma l l a r o u n d a n d p r o v i d e s t h em a t h e m a t i cm o d e lf o rd e v e l o p i n gs o f t w a r e 2 t h eh y d r a u l i cc i r c u i to ft h em u l t i f u n c t i o n a lc a to fh y d r a u l i c c o m p o n e n t sw a sd e s i g n e d u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eo fb a t 册p f o r s i m u l a t i o na n a l y s i s ，s e t t i n gu pt h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h e ng e t t i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e s ed o h e l pf o rd e s i g nt h et e s ts y s t e m ，a n dp r o v i d e r e f e r e n c ef o ra n a l y s i so f t e s t i n gr e s u l t s 3 b a s e do nt h et h o u g h t w a yo fv id e s i g n ，t h em u l t i f u n c t i o n a lt e s t s y s t e mo fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e m sw a sd e s i g n e d t h et e s t i n g s o f t w a r ew a sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c t h et e s ts y s t e mc a r lc o m p l e t e t h et e s t a u t o m a t i c a l l yg e t t i n g t h e p e r f o r m a n c e o fh y d r a u l i c p u m p ， h y d r a u l i c m o t o r ，h y d r a u l i cc y l i n d e r , h y d r a u l i c v a l v ea n d h y d r a u l i c s y n c h r o n i s m c i r c u i t i t p o s s e s s e s t h ef u n c t i o no fd a t a c o l l e c t i o n ， c o n t r o l l i n g ，a n a l y z i n g ，r e s u l tm a n a g e m e n t a n d p r i n t i n g ，a s w e l la s i i i n t u i t i o n i s t i cu s e ri n t e r f a c e 4 u s i n g t h e d e s i g n e d m u l t i f u n c t i o n a lc a ts y s t e mo fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s ，t h em u l t i f u n c t i o n a lt e s t - b e do fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n d s y s t e m sw a s m a n u f a c t u r e d 1 1 1 e t e s t i n gr e s u l t sg e t t i n gi nt h ee x p e r i m e n t s o nt h es p o t i n d i c a t e st h a tt h ef u n c t i o no ft h et e s t b e di sa 1 1 a r o u n da n d t e s tp r e c i s i o ni s h i g h a n di t i sc o n v e n i e n tt o c o m p l e t et h et e s t t h i s t e s t i f i e dt h a tt h et h o u g h t w a yi sr i g h ta n dt h em e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：v i s u a l i n s t r u m e n t ，c o m p u t e r a i d e d t e s t ，h y d r a u l i c s i m u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：年一月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一月日 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 随着液压技术的不断发展及其应用的不断推广，对液压泵、液压阀等液压元 件的技术特性精度要求越来越高，传统的测试方法显得不够完善、精度较低，而 且自动化程度不够。为提高测试精度，加快测试速度，采用液压泵、液压阀等液 压元件计算机辅助测试c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 系统，即利用精度较高的 试验设备以及计算机和与之相配套的软件对相关的数据进行采集和处理。与传统 的测试方法相比，c a t 的优点是数据处理能力强，测试精度高，可保持测量的实 时性，防止人为误差，提供一套自动测试方案以及可减少仪器设备量等。虚拟仪 器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，代表了测试技术和仪器技术发 展的新方向。本文以液压综合测试系统为研究对象，将虚拟仪器技术引入液压 c a t 中，研制开发了一套基于虚拟仪器的液压综合测试系统的硬件和软件平台。 1 1 液压c a t 技术发展与现状 1 i 1 液压o a t 技术简介 液压c a t 涉及液压、自动控制、微型计算机、测试技术、数字信号处理、可 靠性等多学科理论与技术。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，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数，如压力、温度、流量、转速、 扭矩等参数进行数据采集、量化和处理并输出铡试结果。在试验过程中，计算机 还可根据数字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 和控制试验台及试件状态的目的，从而以高速、商精度完成对液压产品的性能测 试。 1 1 2 液压c a t 技术的研究与发展现状 随着液压技术水平的日益提高，液压行业在产品设计、制造、生产管理、性 能测试等方面越来越广泛地应用计算机技术来提高产品质量、经济效益和产品更 新换代的速度。液压c a t 是效益较高、投资较少的重要应用 生堕查堂塑主兰鱼笙壅j 墨二兰堕! ! 至查 之一。对于液压元件的大批量生产，计算机辅助测试能大大提高产品的出厂检验 速度和测试准确性。目前国外发达国家的液压试验台，大都采用计算机进行控制， 许多液压件制造公司或厂家已经把计算机辅助测试大量用于颓产品开发试验和 产品的出厂试验“1 1 。 我国液压测试技术经过3 0 多年的发展已有很大迸展，首先表现在c a t 技术 的引入。从1 9 8 0 年开始，一些单位就将单板机或p c 机应用于液压测试中。液压 c a t 的应用模式，经历了下面四个阶段“1 ：( 1 ) 常规二次仪表+ 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。 从；受9 试系统的功能看，已开发的液压c a t 系统有两种模式：一是计算机对测 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测试系统， 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 辅助测试系统，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压泵、液压马 达、液压泵一液压马达传动系统工作特性的计算机辅助实验系统，广州机床研究 所液压泵性能和噪声计算机实时监测系统等n “”。 国内现有液压c a t 系统因研制年代较早，软硬件的性能均不高。具有较高可 靠性，能由计算机根据测试项目要求自动控制压力、流量、温度、电流、频率、 转速等参量，并能自动校零的全自动液压c a t 系统未见有报道。液压测试技术发 展的另一标志是液压测试系统按国家所规定的精度等级标准制造。b 级精度液压 c a t 系统，是目前我国液压测试设备的最高技术水平，但只有少数液压c a t 系统 在部分液压元件、部分项目上达到了b 级精度等级。真正符合国家b 级精度要求， 经实践证明是适用于工矿企业使用，能够全面试验泵、阀、缸及伺服阀等元件的 液压c a t 系统极为少见。事实上，为工矿企业研制高精度液压c a t 系统尚需解决 许多技术问题，有些技术在国内尚属空白“”3 。 国内现有液压c a t 系统大多为“常规二次仪表+ 8 1 2 位多路a d 转换+ 普通 微机+ 输出设备”的模式。这种模式对具有泵、阗、缸、伺服阀综合测试能力的 大型高精度测试系统来说，显得非常不足。首先，大型综合性测试系统测试参量 多、系统复杂、量程范围大、信号电平不一，若采用常规的a d 转换板，必然导 致电平较低的弱信号测试精度降低，有时信号甚至淹没在噪声中。其二，使用常 规的二次仪表作为传感器和计算机之间的接口，利用r s 一2 3 2 或b c d 码传递数据， 速度较慢且传送距离短。实际上计算机仅能起记录和运算处理的作用，达不到大 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 幅度提高测试精度的目的。其三，大型测试系统采用一台没有防震、防潮、防电 磁干扰能力的普通微型机测控，会使“危险集中”，一旦计算机出现故障，整个 c a t 系统将处于瘫痪，使某些关键项目的测试无法进行。 高精度液压c a t 系统成功与否，与多种技术有关。如温度、流量传感器的非 线性校正，上位机与下位机的通信技术，弱信号的数据采集、调制放大，数字滤 波，量程自动换挡，计算机的可靠性与抗干扰，传感器的自动调零与标定等问题， 都是难度较大，不易轻易解决的技术问题。此外，用英文表达试验结果会妨碍液 压c a t 技术在工矿企业中推广普及。开发功能强大的，全部汉化帮助，具有自动 控制功能及多媒体功能的液压c a t 系统，是液压c a t 的研究方向之一。 随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可 靠性技术的发展，液压计算机辅助测试( c a t ) 也正向着高速、高效、智能化、多 功能化、多样化发展。 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 ) 的发展历程“”。虚拟 仪器将数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起， 使软件化仪器得到更广泛的使用。通过计算机网络连接，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 环，联网测试将发挥出巨大作用“”。 t2 虚拟仪器技术发展与应用 1 2 1 虚拟仪器的概念 从本世纪4 0 年代初期兴起的扫频测试技术，是电子测量技术自动化的开端。 至今，自动化测试系统已经历了三个发展阶段。第一代测试系统大都是为了某种 测试目的而专门设计制造的专用系统，难以改作它用。约在6 0 年代后期，标准 化接口系统的诞生和使用，出现了以积木概念为特点的第二代自动测试系统。但 是，前两代自动测试系统，均使用传统测试设备，计算机只不过是用来控制各器 件的动作，并做一些数据的整理和计算，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人 工测试的步骤，而未能充分发挥作为中央控制器的电子计算机的作用。计算机科 学和微电子技术的迅速发展和普及有利地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技 术。在目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软 件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点 等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念一一虚拟仪器v i ( v i n u a l i n s t r u m e n t ) 。由于虚拟仪器应用软件集成了虚拟仪器的所有采集、控制、数据分 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 析、结果输如和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算 机软件所代替。因此，从某种意义上可以说：软件就是仪器。这不仅仅是强调软 件的重要性，更说明软件是现代仪器系统的核心l l ”驯。 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生 命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程 通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。相对于传统仪器的物理面板，虚拟 仪器具有一个十分友好的图形方式软面板，仪器的操作十分简易与方便；计算机 作为一个控制和数据处理中心，使传统仪器的硬件被软件代替，用户可以通过仅 修改软件就能改变仪器功能。所以，虚拟仪器的出现，给了用户个充分发挥自 己能力和想象力的空间。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件 接口和( 或) 测控仪器。居前较为常用的是数据采集卡系统、g p i b 仪器控制系 统、v x i 仪器系统以及这三者之问的任意组合m 1 ”。 虚拟仪器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操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的 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。与传统仪器一样，它同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三 大功能块( 如图卜1 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测控 能力相结合，实现仪器的功能运作。 插入式d a q 卡 g p i b 仪器 v x i 仪器 r s 五3 2 网络传输 硬复制 文件i o 图形用户接口 采集处理数据分析 结果表达 图卜1 虚拟仪器盼内部职能划分 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q ) 和可重复使用源码库函 数等软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己 的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地 由用户自己来增减硬软件模块，或重新配置现有系统出满足现有系统的测试要 求。所以，虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以 及完成系统功能所需附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上 是达不到的。 4 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 1 2 2 虚拟仪器的构成 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。仪 器硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，应用软件的作用是控制实现数 据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境“8 2 8 0 从构成方式讲，则有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c - d a q 测 试系统；以g p i b 、v x i 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成的 g p i b 系统、v x i 系统、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成如图 卜2 所示。无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计 算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。因而，虚拟仪器 的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。 1 2 3 虚拟仪器的分类 图卜2 虚拟仪器系统构成 虚拟仪器有多种分类办法，既可以按应用领域分，也可以按测量功能分，但 是最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，分为数据采集插卡式 ( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪器、 g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和最新的i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器“8 2 “ d a q 虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制，并且f 在从过 数据采集与控制硬件 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 去1 6 位的标准i s a 总线发展到3 2 位的p c i 总线插卡，为设计各种测试仪器提供 了更好的数据采集和控制能力。目前，d a q 虚拟仪器主要应用子高采样速率及 直接控制方面。 r s 2 3 2 r s 4 2 2 串口在各种现场过程控制仪表中应用较多，支持长线传输，抗 干扰能力强，但数据传输率低，不适合动态测试应用。 并行接口也是一种比较传统的高速接口，一般打印机都配置并行接口，目前 配置有并行接口的数字示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器已经出现在市场上。 今后更有发展前途的是u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 高速串行总线。u s b 总线目前已经成p c 的标准配置，并且支持热插拔功能。i e e e l 3 9 4 总线在一些高 档台式和笔记本微机上也已经开始流行。u s b 和i e e e l 3 9 4 总线最大的优点是数 据传输率高，目前基于i e e e l 3 9 4 总线的虚拟仪器已经达到1 0 0 m b s 的数据传输 率，完全满足高性能动态测试要求。 g p i b 、v x i 和p x i 总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线，其中g p i b 仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机独立使用，也可以通过标准g p i b 电缆连接计算机实施程序控制；而v x i 和p x i 仪器没有独立的仪器操作界面，必 须依赖仪器驱动器提供的虚拟操作界面。 1 2 4 虚拟仪器的特点 概括的说，虚拟仪器主要有以下特点：( 1 ) 软件是虚拟仪器的核心。虚拟 仪器的硬件确立后，它的功能。如抗混淆波、小波分析等，主要是通过软件来实 现的，软件在虚拟仪器中具有重要的她位。( 2 虚拟仪器的性价比高。一方面， 虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和数据 的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所咀还大大降低了环境干扰和系统 误差的影响。此外，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了 仪器在改变测量对象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系 统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传 统仪器经济。( 3 ) 虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是 通过由软件在计算机屏幕上生成的、与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来 实现的。因此，用户可根据自己的爱好，通过编制软件来定义所喜爱的面板形式。 ( 4 ) 虚拟仪器组建灵活。仪器或系统的功能、规模由用户自己定义，加上虚拟 仪器的开放性和功能软件的模块化，组建系统变得更加灵活、简单。( 5 ) 虚拟仪 器具有和其他设备互联的能力。如和v x i 总线或现场总线等的接口能力，此外， 还可以将虚拟仪器接入网络，以实现对现场生产的监控和管理。虚拟仪器是建立 在当今世界最新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新较快”。 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 5 虚拟仪器研究与发展现状 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们 被称为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。“。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发 达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动 下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面12 0 世纪8 0 年代首先在美 国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，因此它已 成为发达国家研究开发的热点技术之一。“。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是日益发展的计算机硬件、软件和总线技 术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同 孕育出的一项美妙的新成果。2 0 世纪8 0 年代美国的一家不算太大的仪器公司 一国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n 简称n i ) 首先提出了虚 拟仪器的概念。这一概念的核心是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利 用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同 时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一 体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享 用了计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是 由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪 器”。自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式 仪器，特别是它推出的l a b v i e w 图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开 发系统的世界生产大户。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。 该公司推出h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用 户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如 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多种总线系统多达数百个品种的虚 拟式仪器“”。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起 步阶段。从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、西安电子科技大学、成都电子科技大学、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消化n i 公司、 h p 公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果“”1 。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们 的仪器观。据“世界仪表与自动化”杂志报导，2 l 世纪初叶，虚拟仪器的生产 厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将占到电测仪器的5 0 ! 这一 预测对整个仪器仪表领域，不啻是次强烈的震撼! 使从事电测仪器科学技术研 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识 到在2 l 世纪虚拟式仪器不仅将成为电测仪器的发展方向，而且必将逐一取代实 验室中的传统硬件化仪器，使成千上万种传统的硬件化仪器都演变成计算机软 件，成为一系列有序的文件融入计算机中! 那时有许多种类的仪器在广义上已不 完全属于仪器领域的某些分支，而可以将它们看成是信息技术的本体1 1 3 课题研究的意义和目的 液压技术已广泛的应用于国民生产的各个环节，液压元件、组件和系统性能 的高低直接影响机器的质量，对元件、组件和系统的性能参数进行测试分析，以 满足各种用途的需要，就成为不可缺少的重要环节。由于液压元件种类繁多，每 种因功能不同而具有不同的性能指标和试验标准，而现有的液压元件测试系统多 是以特定种类的液压元件为被测对象来研制开发的，通用性和灵活性较差。有的 稳态测试和动态测试不能兼顾，功能不够齐全。因此，生产科研实践提出了开发 液压元件通用测试系统的要求。综合各类液压元件的测试内容，就能找出其共性 的一面，可以作为开发通用测试系统的依据。随着计算机软硬件技术和计算机辅 助测试技术的发展，特别是虚拟仪器技术的出现，为开发通用的液压元件计算机 辅助测试系统提供了便利条件。所以本文选择基于虚拟仅器技术的液压综合测试 系统作为研究课题，有重要的学术意义和工程意义。 另外，液压技术总的发展动向是紧密与高新技术结合，特别是徽电子技术、 计算机技术、传感器技术等。更重视可靠性、能量利用率、减轻操作者负担、增 强环境适应性等综合质量指标的提高。因此，将测试领域中的最新技术虚拟 仪器技术应用于液压元件及系统性能的自动测试中，以提高测试的效率和精度， 也正顺应了液压技术的发展。 某厂为提高产品质量，需要对产品零件进行检测并对产品液压系统性能进行 测试。现有的手工方法对其生产产品进行性能测试，不仅测试效率低，误差大， 而且所需仪器较多( 如函数发生器、示波器、频率计、频谱分析仪等) 将这些仪 器组合在一起，占用空间大，互联麻烦，价格也十分昂贵。我们承担了为该厂研 制液压综合试验台这一科研项目。要求此测试系统能对液压泵、液压马达、液压 缸、液压阀及液压同步系统的性能进行自动测试。系统应满足离精度测试要求， 操作简单、方便。 为此，本文研究的主要目的就是分析并找出液压元件及系统性能测试中的 共同的特点，研究探讨适合液压元件及系统性能测试的方法，建立液压综合测试 系统的液压回路模型、基于虚拟仪器的c a t 模型，并编制测试软件，进行实验仿 真研究，以期提高液压元件及系统性能测试的水平。研制并提供能用于实际生产 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 检验的液压综合试验台，为企业的科技及产业进步提供帮助。 1 4 课题研究的内容和结构 本论文将对液压综合测试系统做以下研究： 第一章：文献综述。在分析液压计算机辅助测试技术及虚拟仪器技术的基础 上，提出本文的研究目的。 第二二章：液压元件及系统稳态特性和动态特性分析与研究。分析液压元件及 系统性能测试的特点，研究其测试方法，设计液压综合测试系统液 压回路。并用仿真软件对液压系统作仿真分析。 第三章：基于虚拟仪器技术的液压e a t 系统设计。根据液压元件及系统性能 测试的特点，结合虚拟仪器技术，设计液压计算机辅助测试( c a t ) 系统。 第四章：液压综合测试系统测控软件开发。液压综合测试系统测控软件结构 设计与软件开发。 第五章：液压综合测试系统现场实验。设计现场实验方案，对比仿真与实验 结果。 第六章：全文总结。 9 中南大学硕士学位论文第二章液压元件及系统稳态特性和动查壁丝坌堑皇堡塞 第二章液压元件及系统稳态特性和动态特性分析与研究 2 1 液压元件及系统稳态特性和动态特性分析及测试方法研究 2 1 1 液压元件及系统稳态和动态试验的基本内容 为了设计液压综合测试系统，首先要综合各类液压元件的试验内容，找出其 共性的一面，使测试系统的功能更加全面。 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 预定的要求和规定的指标。综合各类液压元件的测试内容和试验标准，便会发现： 如果仅将被试液压元件看作一个被试系统，而不考虑这个系统输入输出信号的具 体物理意义，则各类液压元件的稳态和动态测试内容可以综合为以下四大类： 第一，稳态控制特性试验。液压元件的控制输出量与控制输入量之问关系， 称为稳态控制特性。稳态控制特性试验是单输入单输出的系统模式。对于电液比 例阀、电液伺服阀等电控调节液压元件，控制输入量是输入电压或电流。对于手 动调节的液压元件，控制输入量是表征手调机构移动的特征量，如调速阀调节手 柄的转角等。而控制输出量则是液压元件相应的输出压力、流量或阀芯位移。控 制特性试验要得到被试元件的控制输出量与控制输入量之问关系曲线。 第二，稳态负载特性试验。液压元件在某一设定的控制输入量下。其控制输 出量在稳态下的抗负载干扰性能，称为稳态负载特性，如溢流阀的启闭特性、流 量阀的等流量特性、比例电磁铁的位移一力特性等。稳态负载特性试验是多输入 单输出的系统模式，这里所说的负载不仅只是指液压元件的负载压力，它可以是 任何一种干扰控制输出量的信号。负载特性试验要在不同的控制输入量设定值下 做多条表示负载干扰信号和控制输出信号之间关系的曲线，形成一组试验曲线 簇。 第三，阶跃响应试验。它测试液压元件的瞬态性能。阶跃响应试验中，输入 信号可以是控制输入量的阶跃信号，也可以是负载阶跃信号或其他瞬变信号。输 出信号是被试元件对输入阶跃信号的动态响应。阶跃响应试验要得到被试元件对 阶跃输入信号的动态响应曲线。 第四，频率响应试验。对于电控调节的液压元件，其控制输出量与电控输入 量之间的在频域中的幅值比和相位差称为频率响应特性。在频率响应试验中，液 压元件常用的电控激励信号有3 种：一组频率不同的等幅正弦波、频率在一定范 围变化的扫频信号和白噪声信号。频率响应试验要得到被试元件的幅频和相频曲 1 0 中南大学硕士学位论文第二章液压元件及系统稳态特性和动态特性分析与研究 线。 常用液压元件的各项试验都可以归并到这四大类试验之中，这就是开发液压 元件通用测试系统的依据。应用计算机辅助测试技术，可以将测试系统软件划分 为4 个功能模式，分别与这四大类试验相对应，在每个功能模块之中，再根据不 同类型液压元件的试验要求设计出各种试验模式以供选择，这样测试系统就能完 成多种液压元件的测试，有较好的通用性。 2 1 2 液压元件及系统稳态特性和动态特性特征指标及测试方法 1 稳态控制特性 稳态控制特性反映电调节液压元件控制输出量y 与控制输入量x 之问的关 系。在试验中，保持主要的运行参数不变，控制输入量自零点至额定值( 双向可 调型自负额定值至正额定值) 间缓慢循环变化一周，记录下的滞环曲线称为稳态 控制特性曲线。 从稳态控制特性中求得的主要特征指标有： l ，额定控制输出量；指相对于额定控制输入量x n 的控制输出量。 王滞环h x ：滞环反映被试阀内存在的铁磁滞环、运动副牛顿摩擦和库仑摩 擦，弹性元件的弹性滞环等影响，通常定义为在稳态控制特性曲线上，对应 于各相同控制输出量的正反行程的控制输入量之差的最大值x x n m a x 对于 额定控制输入量x n 之比，以百分率计。 h x ：a x n m a x 1 0 0 ( 2 1 ) x n 3 重复精度r x ：通常定义为在主要运行参数不变条件下，连续三次同方向 重复扫描所得的控制特性曲线之间的最大相对偏差a x r m a x 。以对应于各相 同控制输出量的最大控制输入量偏差与额定控制输入量之比计算，取百分 率。 r x ：孥x 1 0 0 ( 2 - 2 ) 五n 重复精度本质上是表征控制特性稳态随机误差的一个指标。因此按式 2 2 测试计算的指标结果有较大的偶然性，置信率较低。为了更合理地评价 重复精度指标，可按随机误差理论来求取重复精度。重复性误差的均方根差 为： 式中： o ，一重复性误差的均方根差； ( 23 ) 中南大学硕士学位论文第二章液压元件及系统稳查堑竺塑勉查鳖丝坌堑! ! ! 堡壅 i ，：三y 剪f 一对应于相同扫描方向某一控制输出量的控制输入量 算术平均值； 筒j 一对应于该控制输出量的控铝4 输入量测量值； m 一每周采样次数： n 一采样扫描周数； 则重复精度杖= k 了o r 1 0 0 ( 2 ，4 ) 4 线性度h ：通常定义为稳态名义控制特性曲线与其最佳拟合直线之间的 最大偏差量相对于控制输入量额定值确与控制输入量死区值肋的差值之 比，以百分率计。 l x ：i + m - l m a x i + i - a x m a x i 1 0 0 ( 2 5 ) 2 ( x n x a ) 5 不对称度与零偏d x ：对于双向可调型电液控制元件，其双向输出的 对称情况由不对称度和零偏二个指标衡量，不对称度定义为： ；k c t , - k a , 1 0 0 ( 当k a a k a b 时) ( 2 6 ) 式中k a a 、k a b 分别对应于正向控制特性曲线与反向控制特性曲线的最 佳拟合直线的斜率。 对于无死区双向稳态控制特性，零偏瓜即控制输出量为零时的控制输 入量与额定控制输入量之比。而双向有死区稳态控制特性的零偏定义为： d x ：x m i + f x a j 1 0 0 ( 2 7 ) 式中x a a 、x a s 分别为双向控制特性曲线各自的死区。 6 最大值和最小值：一般要求输入信号从最小值缓慢变化到最大值，并记 录下输入最与输出量之间的关系曲线，然后求出输扭量的最大值和最小值即 可。 针对于要求进行压力损失以及内泄漏或外泄漏特性以及稳态压差特性 试验的液压元件。 2 稳态负载特性 在一组给定的控制输入量下，控制输出量相对于负载输入量变化的曲线簇称 之为稳态负载特性，对于各个特定的液压元件来说，稳态负载特性都有具体的含 义，比如比例电磁铁的位移一力特性，调速阀的等流量特性，压力阀的等流量特 性，压力阀的等压力特性等。 稳态负载特性主要由控制输出量相对于负载输入量变化率来衡量，即 一f x n = 篇裂裂洲z n s ， ! 堕奎兰婴主兰堡堡奎 苎三童塑垦堑墨墨丝整查堑苎塑塑查篓笪坌堑皇! ! 塑 这一定义给不同参数等级的同类液压元件提供了较为科学的可比性指标。 特别，对于溢流阀和顺序阀，其稳态负载特性定义为启闭特性，特性指标为： p x ：! x 1 0 0 ( 2 9 ) p d a ：一r b 1 0 0 ( 2 1 0 ) p d 式中：p k 、p b 一开启率和关闭率； p k 、p b 一开启压力和关闭压力； p d 一调定压力 最大值和最小值：在给定负载输入下，要求输入信号从最小值缓慢变化到最 大值，并记录下输入量与输出量之间的关系曲线，然后求出输出量的最大值和最 小值即可。针对一些特定负载特性试验的液压元件。 3 阶跃响应特性 阶跃响应特性用以检验液压元件的时域动态特性，主要性能指标有： 1 最大相对瞬时超调量od ：指控制输出量最大瞬时峰值y 如) 与稳态终值 r ( o o ) 之比。以百分率计。 o a ：! ! 垒2 二! ! 竺2 。1 0 0 ( 2 1 1 ) y ( o o ) 2 延滞时间t d ：输入阶跃发生时刻至控制输出量响应变化到全幅值5 时 的时间间隔。 3 上升时间t ，：控制输出量响应从全幅值的5 上升到9 5 所需的时间。 4 峰值时间t p ：输入阶跃发生时刻至控制输出量达到最大峰值的时间。 5 调整时间t s ：输入阶跃发生时刻至控制输出量达到新的稳定状态并保持 其相对误差不超过阶跃幅值的