基于虛擬儀器的電液比例方向閥靜動(dòng)態(tài)特性綜合CAT系統(tǒng)

1、第18卷 第4期2005年12月傳感技術(shù)學(xué)報(bào)CHINESE JO URNAL OF S ENSO RS AND ACTU ATORSVol.18 No.4Dec.2005Virtual Instrument Based CAT System for Testing of Static andDynamic Characteristics of Electrohydraulic Proportional Directional ValveJ I A N G Wan lu,N I U H ui f eng ,ZH AO Chun y an ,YAN L i bin(M e chanic al E

2、ngineer ing Colleg e of Yan sh an Unive rsity ,Qinhuang d ao H e bei 066004,ChinaAbstract:A pr essure difference feedback closed loop co ntrol is used to keep the valve pressure difference in v ar iant dur ing the testing of the flo w characteristic of the electrohydraulic pro por tional directional

3、 valve.The fluctuation of pressure difference is controlled w ithin 5%.It accor ds w ith the national standards.By use of the virtual instr um ent technolo gy,the testing of the over all pro perties including static and dy namic cha racteristics o f the electr ohydr aulic proportional directional v

4、alv e is realized.The static characteristics com prise the steady state flow character istic,the pressure g ain character istic,the load flow char acteristic and the flow pr essure difference character istic.T he dynamic char acteristics consist o f the fr equency cha racteristic and the step respon

5、se characteristic.T he actual testing results of certain electrohydraulic pro portional directio nal valve are offered.Key words:electr ohydraulic proportional directional valv e;characteristic testing ;v irtual instrument;static character istic;dynamic characteristic EEACC :7230;7320基于虛擬儀器的電液比例方向閥靜

6、動(dòng)態(tài)特性綜合CAT 系統(tǒng)姜萬(wàn)錄,牛慧峰,趙春艷,閆立彬(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,秦皇島066004收稿日期:2004 12 23基金項(xiàng)目:河北省教育廳博士基金資助項(xiàng)目(132004128作者簡(jiǎn)介:姜萬(wàn)錄(1964 ,男,工學(xué)博士,教授,博士生導(dǎo)師,中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能控制與智能管理專業(yè)委員會(huì)委員,主要研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、控制理論與應(yīng)用、智能信息處理,發(fā)表論文80余篇,出版著作4部。主持完成科研項(xiàng)目10余項(xiàng),其中獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng),省部級(jí)科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng),wljiang ;?；鄯?1977 ,男,碩士學(xué)位研究生,研究領(lǐng)域?yàn)橐簤簻y(cè)試技術(shù);趙春艷(1978 ,女,碩士學(xué)位研究生;閆立

7、彬(1951 ,男,實(shí)驗(yàn)師。摘 要:首次采用壓力傳感器構(gòu)成壓差反饋閉環(huán)控制,解決了電液比例方向閥穩(wěn)態(tài)流量特性測(cè)試時(shí)閥壓降恒定問(wèn)題,使其在測(cè)試過(guò)程中閥壓降波動(dòng)控制在國(guó)標(biāo)規(guī)定的5%以內(nèi)。采用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電液比例方向閥的靜動(dòng)態(tài)綜合特性測(cè)試,主要包括靜態(tài)特性的穩(wěn)態(tài)流量特性、壓力增益特性、負(fù)載流量特性、流量壓降特性和動(dòng)態(tài)特性的頻率特性、階躍響應(yīng)特性,并給出了某電液比例方向閥各種特性的實(shí)測(cè)結(jié)果。關(guān)鍵詞:電液比例方向閥;性能測(cè)試;虛擬儀器;靜態(tài)特性;動(dòng)態(tài)特性中圖分類號(hào):TH137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005 9490(200504 0845 05電液比例閥與電液伺服閥相比,具有抗污染能力強(qiáng)、控

8、制方式多樣和廉價(jià)等特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外贏得了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但在液壓元件測(cè)試技術(shù)中,比例閥的測(cè)試難度較大。傳統(tǒng)的比例閥測(cè)試過(guò)程如下:用信號(hào)發(fā)生器根據(jù)試驗(yàn)要求產(chǎn)生三角波控制信號(hào)輸入比例放大器,使比例閥閥芯發(fā)生移動(dòng)。受控的壓力、流量等被測(cè)量通過(guò)相應(yīng)的傳感器測(cè)定并輸入到X-Y 記錄儀上,這樣就可以得到受控參量(壓力、流量等與控制信號(hào)(閥電磁鐵線圈電流之間的反映比例閥性能的特性曲線1。隨著數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的數(shù)字式測(cè)量?jī)x器,用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析、處理。數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)可靠性、測(cè)量速度和精度等方面較之模擬測(cè)量系統(tǒng)有很大的提高,但是這些儀器價(jià)格昂貴,難以普及應(yīng)用。本文研發(fā)了基于La

9、bVIEW (Labo rato ry Virtu al Instrum ent Engineering W orkbench的比例閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性綜合CAT 系統(tǒng),采用 微機(jī)+AD/DA 采集卡 及相應(yīng)傳感器、變換電路組成信號(hào)發(fā)生和采集的硬件系統(tǒng),結(jié)合編制的專用軟件組成基于虛擬儀器的比例閥測(cè)試CAT 系統(tǒng),代替那些價(jià)格昂貴的測(cè)試儀器2。應(yīng)用于教學(xué)和科研試驗(yàn),取得了良好的效果。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能電液比例閥綜合性能CAT 系統(tǒng)由測(cè)量傳感器、二次儀表、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和電液比例閥試驗(yàn)臺(tái)組成,圖1為其液壓系統(tǒng)原理圖, 測(cè)圖1 液壓系統(tǒng)原理圖1-比例溢流閥(P 口調(diào)壓;2,3,4,5-壓

10、力傳感器;6,7-比例溢流閥(模擬加載;8-流量計(jì)試系統(tǒng)原理如圖2 所示。圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理通過(guò)操作所開發(fā)的測(cè)控軟件的虛擬儀器前面板,在測(cè)試過(guò)程中計(jì)算機(jī)可以輸出控制信號(hào),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、測(cè)試工況轉(zhuǎn)換;同時(shí)可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理、繪制并顯示實(shí)測(cè)特性曲線圖,實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化。1.1 硬件構(gòu)成!被試閥(Atos 公司,DH ZO-T -051-L5/Y;微型計(jì)算機(jī)(PIV1.8G-CPU,256M 內(nèi)存,40G 高速硬盤;#比例放大器(A to s 公司,E -M E-T -01H ;PCI -6024E 數(shù)據(jù)采集卡(NI 公司;%流量計(jì)(LC-11/DN40;&壓力傳

11、感器(PT-S 型,量程40M Pa;穩(wěn)壓電源(WYK-302B 2;(信號(hào)整形電路(自制。1.2 測(cè)控軟件的特點(diǎn)該測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分采用虛擬儀器開發(fā)軟件平臺(tái)美國(guó)NI 公司的虛擬儀器圖形編程語(yǔ)言LabVIEW,它是一個(gè)大型的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),具有界面直觀、便于開發(fā)、調(diào)試輕松、易于學(xué)習(xí)和掌握的特點(diǎn)。以該軟件為中心,利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、顯示、和連接能力,在屏幕上組建自己的儀器、儀表,體現(xiàn)了 軟件就是儀器 的新概念。本測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW5.11,在Win dow s2000操作系統(tǒng)下編制。采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想,每個(gè)特性曲線測(cè)試程序以獨(dú)立操作面板的方式出現(xiàn)。2 測(cè)試系統(tǒng)存在的問(wèn)題及解決

12、方法2.1 傳感器、顯示儀表、數(shù)據(jù)采集處理環(huán)節(jié)的抗干擾措施系統(tǒng)的抗干擾能力是影響計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)精度和可靠性的重要因素,在計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)中包含許多噪聲源。歸納起來(lái),主要有傳輸噪聲、固有噪聲和干擾噪聲。形成干擾噪聲有3個(gè)條件:噪聲源、耦合通道或介質(zhì)和接收電路。解決噪聲問(wèn)題必須去除、減少或轉(zhuǎn)移這3個(gè)條件中的一個(gè)或幾個(gè)。(1屏蔽措施 對(duì)具有低功率、高速以及高分辨率的測(cè)試系統(tǒng),微小的雜散電容將會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。為此在測(cè)試系統(tǒng)中,采用以下屏蔽措846傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)2005年施:每一個(gè)被測(cè)信號(hào)都使用獨(dú)立的屏蔽電纜,每一屏蔽層都連接到其自身的參考電位上;屏蔽電纜單端接 地,因?yàn)閮啥?地之

13、間的電位差將產(chǎn)生一個(gè)屏蔽電流,這一屏蔽電流通過(guò)電感性耦合,將在中心導(dǎo)體上感應(yīng)一噪聲電壓。為了減小以磁場(chǎng)形式引起的噪聲(即電感性耦合噪聲,采用了減小接收電路面積,通過(guò)最佳布線來(lái)減小耦合。電流信號(hào)長(zhǎng)線傳輸使用了雙絞線等技術(shù)措施。(2接地措施 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)既有模擬電路又有數(shù)字電路的復(fù)雜系統(tǒng)?；旌辖拥貢?huì)在數(shù)字電路與模擬電路之間引起幾百毫伏的噪聲電壓干擾。在本測(cè)試系統(tǒng)中,模擬、數(shù)字電路分別采用獨(dú)立的接地回路,使測(cè)試系統(tǒng)有獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地,且每一電路模塊都有自己的接地點(diǎn)。這種接地方法可使電路系統(tǒng)原有的上百毫伏的噪聲電壓下降到幾個(gè)毫伏。2.2 被試閥壓降保持恒定的閉環(huán)控制流過(guò)一節(jié)流控制閥口的

14、流量為:Q=C d A(x2 P/ (1式中:C d閥口流量系數(shù);A(x閥口節(jié)流面積;x閥芯位移;P閥口壓降;油液密度。受控流量取決于閥芯位移x和閥口壓降 P。在國(guó)標(biāo)中比例方向閥的穩(wěn)態(tài)流量控制特性試驗(yàn)要求閥壓降基本恒定。但閥芯移動(dòng)引起流量變化時(shí),使閥壓降不能保持恒定。本系統(tǒng)用壓力傳感器構(gòu)成壓力閉環(huán)來(lái)解決這一問(wèn)題。采用圖3所示方案,原理是利用進(jìn)出口壓差形成負(fù)反饋,去調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓油口比例溢流閥1,從而最終保證比例方向閥進(jìn)出口壓差恒定3。圖中P S 和P T為圖1中P口和T口壓力。該方案有以下特點(diǎn):!不影響回油路流量計(jì)的安裝和被試閥的回油口流量檢測(cè);不改變國(guó)標(biāo)規(guī)定的被試閥的試驗(yàn)工況;#閉環(huán)控制精度高。

15、3 比例閥性能測(cè)試原理3.1 靜態(tài)特性測(cè)試(1穩(wěn)態(tài)流量特性本特性測(cè)試的關(guān)鍵是在試驗(yàn)過(guò)程中保持比例閥壓降為恒定,通過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)的壓差反饋控制,隨著被試閥閥芯開口變化,隨時(shí)控制輸入到圖1中比例溢流閥1比例電磁鐵的電流,來(lái)調(diào)節(jié)P口壓力,從 而達(dá)到保持恒定 P的目的。圖4為壓差反饋控制圖3 壓差反饋控制前面板,從圖中可見方向閥壓差穩(wěn)定在4M Pa附近,壓力波動(dòng)穩(wěn)定在國(guó)標(biāo)規(guī)定的5%以內(nèi)。圖4 壓差反饋閉環(huán)控制前面板測(cè)試時(shí),先運(yùn)行這個(gè)程序,調(diào)節(jié)K P和T i使閥壓降調(diào)定在給定值,再運(yùn)行穩(wěn)態(tài)流量特性測(cè)試程序。這樣就可以保證在測(cè)試過(guò)程中保持閥壓降恒定。此時(shí),虛擬儀器信號(hào)源產(chǎn)生超低頻三角波信號(hào),使閥口逐步開大

16、又逐步關(guān)小,這時(shí)通過(guò)閥口的流量逐步增大又逐步減少,采集回來(lái)的流量脈沖信號(hào)經(jīng)方波整形電路整形后輸入采集卡計(jì)數(shù)通道,通過(guò)程序運(yùn)算算出給定時(shí)間的平均流量,由虛擬的X-Y記錄儀顯示出穩(wěn)態(tài)流量特性曲線,測(cè)試結(jié)束。(2壓力增益特性測(cè)試時(shí),先關(guān)閉圖1中截止閥9,相當(dāng)于負(fù)載無(wú)窮,再調(diào)定一定的供油壓力(如10MPa,運(yùn)行壓力增益特性測(cè)試程序,虛擬儀器發(fā)出超低頻三角波,使閥口逐步開大又逐步關(guān)小,隨著閥口開度變化,A口壓力發(fā)生變化,采集回來(lái)的壓力信號(hào),經(jīng)程序運(yùn)算繪847第4期姜萬(wàn)錄,?；鄯宓?基于虛擬儀器的電液比例方向閥靜動(dòng)態(tài)特性綜合CAT系統(tǒng)制出壓力增益特性曲線,測(cè)試結(jié)束。(3負(fù)載流量特性測(cè)試時(shí),先切斷圖1中A

17、口比例溢流閥6的比例放大器的輸入線,改用虛擬儀器編程控制逐步增加輸入比例溢流閥6比例電磁鐵的電流,相當(dāng)于逐步加載。改變不同的被試閥閥口開度,可得到一簇曲線,反映了通過(guò)閥的流量隨負(fù)載變化的關(guān)系。(4流量壓降特性此特性是當(dāng)被試閥閥口開度最大時(shí),被試閥壓降的變化和通過(guò)閥流量的變化關(guān)系。作此測(cè)試時(shí),先斷開圖1中P 口比例溢流閥1的比例放大器輸入線,改用虛擬儀器編程控制逐步增加輸入比例溢流閥1比例電磁鐵的電流,這樣逐步改變供油壓力,從而被試閥壓降也逐步改變。閥壓降是通過(guò)采集A 、B 、P 、T 口的壓力信號(hào)送入計(jì)算機(jī),經(jīng)過(guò)虛擬儀器運(yùn)算得出的,再通過(guò)采集流量計(jì)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù),算出該壓降對(duì)應(yīng)的流量值,由虛擬

18、的X-Y 記錄儀繪制出流量壓降特性曲線,測(cè)試結(jié)束。3.2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試(1頻域特性元件或系統(tǒng)的頻率特性等于輸出信號(hào)的傅立葉變換與輸入信號(hào)的傅立葉變換之比:H (f =Y(f /X (f (2用復(fù)數(shù)級(jí)坐標(biāo)形式可表示為:H (f =|H (f |e -j(f (3式中:|H (f |稱為幅頻特性; (f 稱為相頻特性。也就是說(shuō),當(dāng)被試閥的輸入信號(hào)為振幅不變而頻率按不同規(guī)律變化的正弦信號(hào)時(shí),其輸出信號(hào)必然也是同頻率的正弦信號(hào),只不過(guò)振幅和相位有變化而已。輸入與輸出信號(hào)的振幅比隨頻率的變化就是幅頻特性;兩者之間的相位差隨頻率的變化就是相頻特性。本系統(tǒng)頻率特性測(cè)試采用的是掃頻法和相關(guān)積分原理,如圖5所示

19、,sin !t 為虛擬儀器信號(hào)源產(chǎn)生的590H z 的正弦掃頻信號(hào),A sin (!t + 為被試圖5 掃頻法算法原理框圖閥閥芯位移響應(yīng)信號(hào)。響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后, 輸入計(jì)算機(jī),由虛擬儀器進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算,得出幅值比和相位差,繪制出波德圖。(2時(shí)域特性輸入比例電磁鐵為階躍電流信號(hào),輸出為閥芯位移響應(yīng)(由閥內(nèi)部的位移傳感器測(cè)得閥芯位移信號(hào),數(shù)據(jù)采集卡采回響應(yīng)信號(hào)后,經(jīng)程序運(yùn)算繪制出階躍響應(yīng)特性曲線。4 測(cè)試結(jié)果與分析用此CA T 系統(tǒng)對(duì)DH ZO-T -051-L5/Y 型電液比例方向閥(單向換向進(jìn)行了測(cè)試,得到結(jié)果如下:圖6、7、8、9為靜態(tài)特性測(cè)試曲線,圖10、11為頻率特性測(cè)試曲線(掃頻法,圖12為時(shí)域特性測(cè)試曲線。如圖6所示為實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)流量特性曲線,虛線為實(shí)測(cè)結(jié)果,實(shí)線為擬合后的結(jié)果,可以看出此閥有一定的死區(qū)。圖6 穩(wěn)態(tài)流量特性曲線如圖7所示為實(shí)測(cè)壓力增益特性曲線,閥有一定的死區(qū),當(dāng)輸入電流為4.3mA 時(shí),壓力急劇上升,迅速達(dá)到供油壓力10MPa,表明此閥的壓力增益特性很好;當(dāng)閥口逐步關(guān)小時(shí)有一定的滯環(huán)。圖7 壓力增益特性曲線如圖8所示為實(shí)測(cè)負(fù)載流量特性曲線,實(shí)線為擬合后的曲線,表明了在不同的被試閥閥口開度下848傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)2005年 的流量和負(fù)載的關(guān)