謝 斌，蔣 慶，湯建斌，李兵豐

XIE Bin, JIANG Qing, TANG Jian-bin, LI Bing-feng

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

目前汽車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)流裝置以熱力膨脹閥為主，它的工作特性直接影響整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能。其中熱力膨脹閥靜止過熱度和內(nèi)漏值檢測(cè)是生產(chǎn)過程中兩個(gè)重要工藝指標(biāo)[1]。尤其是靜止過熱度，其調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性直接影響著閥的整體性能。

汽車空調(diào)系統(tǒng)的熱力膨脹閥主要是采用三力平衡的基本原理，如圖1所示，P1為氣箱頭內(nèi)充注介質(zhì)對(duì)應(yīng)于溫度產(chǎn)生的壓力，P2為蒸發(fā)壓力，F(xiàn)為彈簧力。靜止過熱度調(diào)節(jié)主要是在標(biāo)況下通過調(diào)節(jié)F，使閥口開度改變，從而調(diào)定靜止過熱度。

目前國(guó)內(nèi)空調(diào)熱力膨脹閥靜止過熱度調(diào)節(jié)主要靠人工實(shí)現(xiàn)調(diào)定，其缺陷在于：速度慢、效率低，無(wú)法滿足高速自動(dòng)化生產(chǎn)線需求；檢測(cè)精度低，檢測(cè)結(jié)果很大程度上取決于工人的主觀判斷，漏檢、誤檢率較高；工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境差；人力資源浪費(fèi)，無(wú)法滿足當(dāng)前汽車行業(yè)產(chǎn)品 “零次品”的要求。

圖1 熱力膨脹閥的工作原理圖

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法以人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的缺陷和不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型的熱力膨脹閥性能自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用PLC控制器，利用控制算法配合傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱力膨脹閥過熱度參數(shù)的自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)。如圖2所示，將待測(cè)閥置于0℃恒溫槽中，再通入1.03Mpa的干燥氣體，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)將U壓力信號(hào)反饋給PLC，從而控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)過熱度彈簧改變彈簧力，最終調(diào)定靜止過熱度。

圖2 熱力膨脹閥的測(cè)試原理圖

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

該檢測(cè)系統(tǒng)采用多工位并行檢測(cè)，每個(gè)工位可以放置一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，工位之間互不影響。該系統(tǒng)主要包括控制單元、測(cè)試單元、氣路單元、執(zhí)行單元和溫控單元。其測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

表1 熱力膨脹閥測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)要求

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)單元中，其控制單元主要是一臺(tái)CP1H系列的PLC組成，它是一個(gè)高性能高效穩(wěn)定的一種控制器，并且它自帶有AD采集模塊能夠?qū)崟r(shí)采集傳感器信號(hào)。而系統(tǒng)工作壓力采用的是0～1.6Mpa、精度為0.5%FS壓力傳感器。靜止過熱度壓力測(cè)試采用的是0～1Mpa、精度為0.1%FS壓力傳感器。氣路單元主要是氣路上的元器件以及管路分布。執(zhí)行單元主要是控制夾緊氣缸、下壓氣缸等氣動(dòng)元器件。溫控單元主要控制一臺(tái)可實(shí)時(shí)采集控制溫度的恒溫槽。測(cè)試單元中，通過PLC控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)、夾緊氣缸、下壓氣缸、報(bào)警燈、電磁閥等元器件進(jìn)行控制，從而完成測(cè)試調(diào)定整個(gè)流程。由于電機(jī)的選型對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要，因此我們采用了日本公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，其特點(diǎn)是高精度、高穩(wěn)定性、體積小并且抗振防潮、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。從而在調(diào)定過程中，保證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

如圖4所示是單工位氣路測(cè)試原理圖。

圖4 單工位氣路測(cè)試原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主流程完成初始化后則會(huì)進(jìn)入到自動(dòng)運(yùn)行界面。按啟動(dòng)按鈕，設(shè)備開始自檢，待自檢完成后系統(tǒng)會(huì)對(duì)產(chǎn)品是否合格做出判斷并亮燈提示，待檢測(cè)完畢則氣缸復(fù)位結(jié)束。如圖5所示是該系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)的檢測(cè)流程是整個(gè)系統(tǒng)的核心，該流程中涉及控制策略與算法，以及整個(gè)檢測(cè)步驟?？刂破鲿?huì)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象不同選擇最合適的控制參數(shù)，保證整個(gè)系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，從而提高調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)效率。如圖6是檢測(cè)過程流程圖。

圖6 檢測(cè)過程流程圖

3 系統(tǒng)控制策略及算法

在熱力膨脹閥自動(dòng)調(diào)定過程中，由于調(diào)節(jié)時(shí)傳感器反饋信號(hào)延時(shí)所帶來(lái)的滯后性以及閥的性能差異性，造成了超調(diào)或者調(diào)節(jié)不到位的現(xiàn)象。為了使該系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，因此我們引入二分尋值等算法。

如圖7是將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱力膨脹閥置于標(biāo)況中，電機(jī)每調(diào)節(jié)0.005圈所對(duì)應(yīng)的靜止過熱度一共采集了400個(gè)點(diǎn)，擬合出的相對(duì)調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度曲線。

在熱力膨脹閥工業(yè)生產(chǎn)中其靜止過熱度一般調(diào)節(jié)范圍為0.12Mpa～0.18Mpa。因此本文系統(tǒng)將調(diào)節(jié)過程分成了實(shí)時(shí)采集調(diào)節(jié)法和二分尋值法[2]兩個(gè)主要步驟。

1）實(shí)時(shí)采集調(diào)節(jié)法，如圖7所示，當(dāng)靜止過熱度＞0.2Mpa時(shí)，u和K很大，即調(diào)節(jié)圈數(shù)Y≈u×K，調(diào)節(jié)過程中不確定度很大，很容易造成超調(diào)的現(xiàn)象。為此系統(tǒng)引入實(shí)時(shí)采集調(diào)節(jié)法，保證盡快調(diào)節(jié)到0.2Mpa附近。

2）二分尋值法，如圖7所示，當(dāng)靜止過熱度＜0.2Mpa時(shí)，其斜率很小，為能快速調(diào)到設(shè)定值，采用二分尋值法。由于熱力膨脹閥靜止過熱度和電機(jī)調(diào)節(jié)圈數(shù)是個(gè)單輸入單輸出的關(guān)系，且在調(diào)節(jié)過程中始終處于單調(diào)連續(xù)的關(guān)系。所以滿足了二分尋值法的基本要求。

設(shè)靜止過熱度的標(biāo)準(zhǔn)值的下限值等于umin(i)，采用二分法時(shí)每次開、關(guān)孔板閥后讀取的靜止過熱度等于umax(i)，所要調(diào)節(jié)的靜止過熱度的標(biāo)準(zhǔn)值等于uY，則所需調(diào)節(jié)的圈數(shù)為Y。

如圖8 所示，相對(duì)調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度在0.12Mpa～0.18Mpa范圍內(nèi)的曲線并非是一條直線，其斜率是有變化的。為了提高調(diào)節(jié)精度，我們借鑒了直線插補(bǔ)運(yùn)算[3]。

圖8 相對(duì)調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度（2）

本系統(tǒng)將目標(biāo)調(diào)定靜止過熱度uY與0.2Mpa區(qū)間內(nèi)的相對(duì)調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度曲線進(jìn)行進(jìn)行有限分段(u1,u2,…,ui,…,uy)并根據(jù)數(shù)據(jù)模型庫(kù)中的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出各分段兩點(diǎn)間的斜率(K1,K2,…,Ki,…,Ky)，則當(dāng)前目標(biāo)靜止過熱度所對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)圈數(shù)為：

由下面公式可知：

其中umin(i),umax(i)分別表示為第i次調(diào)節(jié)后uk取值的最大最小值，e(i)表示第i次調(diào)節(jié)后uk的取值范圍，A為靜止過熱度所需調(diào)定范圍的最大值與最小值之差。

隨著i的次數(shù)增加，e(i)的范圍越來(lái)越小，則uk在不斷逼近標(biāo)準(zhǔn)值uY時(shí)，其調(diào)節(jié)的不確定度不斷減小，從而造成了K對(duì)于最終調(diào)節(jié)圈數(shù)Y=K×e(i)的影響也越來(lái)越小。因?yàn)閑(i)隨著調(diào)節(jié)次數(shù)增加始終處于收斂狀態(tài)，所以其最終調(diào)定精度始終處于收斂的。如圖9二分法尋值范圍指數(shù)衰減曲線圖所示。

圖9 二分法尋值范圍指數(shù)衰減曲線圖

表2 檢測(cè)與分析計(jì)算結(jié)果 壓力單元：Mpa

4 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果及分析

為了滿足熱力膨脹閥生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制要求，該檢測(cè)系統(tǒng)必須在保證生產(chǎn)效率節(jié)拍的前提下具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為此我們分別從以下兩個(gè)方面對(duì)靜止過熱度檢測(cè)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析評(píng)定：

1）如圖10所示三種調(diào)節(jié)方法的對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)中，引入二分尋值法后，消除了超調(diào)等現(xiàn)象。同時(shí)與傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)方法相比，由于系統(tǒng)采用4工位并行生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍。通過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，單工人8個(gè)工時(shí)最多可調(diào)節(jié)檢測(cè)600～700個(gè)產(chǎn)品，而相同時(shí)間該系統(tǒng)至少能檢測(cè)2000個(gè)產(chǎn)品以上，并且消除了人為因素的影響，產(chǎn)品誤檢率降低了大約15%。

圖10 靜止過熱度隨時(shí)間變化曲線

2）檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析。為了科學(xué)分析該檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。我們引入了機(jī)器能力指數(shù)CMK[8](Machine capability index)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)定。

從生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)四個(gè)工位檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中分別隨機(jī)抽取了20組數(shù)據(jù)。如表2是檢測(cè)與分析計(jì)算結(jié)果。

由于四個(gè)工位是設(shè)備中的整體，其調(diào)節(jié)工況以及實(shí)現(xiàn)的功能都一樣，所以可以將四個(gè)工位的數(shù)據(jù)當(dāng)做整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)定已知以下個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式為：

其中，min為最小值，USL為上公差界限，UCL為下公差界限，總體平均值，S為樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差。

整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)平均值為0.137238，而標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.846×10-3，則求得CMK為1.876＞1.67，從而證明了該系統(tǒng)能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定具有可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的熱力膨脹閥自動(dòng)調(diào)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線對(duì)熱力膨脹閥靜止過熱度自動(dòng)調(diào)定檢測(cè)，以及內(nèi)漏值檢測(cè)。不僅充分滿足了熱力膨脹閥生產(chǎn)線質(zhì)量控制要求，而且大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍和效率，由于只需一人即可操作多臺(tái)設(shè)備，大幅度降低了人工成本，并且該系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性以及調(diào)節(jié)精度，為企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了很大的效益。

[1] 楊長(zhǎng)春,黃國(guó)強(qiáng),張明錦.QC/ T 663-2000,試驗(yàn)方法：測(cè)量?jī)x器精度[S].北京：國(guó)家機(jī)械工業(yè)局,2000.

[2] 曾穎峰,本柏忠,陳爽.基于二分法指數(shù)衰減的液位控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2014,10(下)：138-139.

[3] 許道榮.單步追蹤法-一種新的數(shù)控插補(bǔ)方法[J].中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志出版社.1979,03：86-88.

[4] 徐朋朋,蔡晉輝,姚燕,蔣慶.熱力膨脹閥過熱度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2010,21(1)：17-20

[5] 文常保,高麗紅,方吉善,巨永鋒,李演明.基于改進(jìn)型限幅平均濾波法的高精度稱重系統(tǒng)研究[R].長(zhǎng)安：長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院微納電子研究所,2014.

[6] 郭曉鈴,姚燕,蔣慶,彭軍皓.基于模糊自適應(yīng)的熱力膨脹閥容量測(cè)試系統(tǒng)[J].儀器技術(shù)與傳感器,2014,(6)：66-67.

[7] 楊妍妍,解學(xué)軍.多變量系統(tǒng)的直線型模型參考自適應(yīng)控制研究[D].曲阜：曲阜師范大學(xué),2009,03.

[8] MONTGOMERY D C. Introduction to Statistical Quality Control[M].New York： Wiley,1996：162-164.

[9] 李毅,俞卞章.自適應(yīng)濾波及濾波算法研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2003,03.