吳央芳，張 俊，夏春林，陸倩倩，王玉翰

（1.浙大城市學(xué)院機(jī)械電子工程系，杭州 310015；2.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310007）

0 引言

氣動(dòng)技術(shù)是一門理論及實(shí)踐性都很強(qiáng)的機(jī)械工程專業(yè)方向課程，壓力閥作為氣動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件在系統(tǒng)中起到了調(diào)整和控制壓力的作用，因此壓力閥是氣動(dòng)技術(shù)課程的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)［1-5］。目前大部分高校的液壓或者氣動(dòng)技術(shù)所配備的實(shí)驗(yàn)大多采用元件拆裝、回路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來教學(xué)壓力閥的使用及相關(guān)特性，但是由于壓力閥結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，工作過程不能直接觀察，因此學(xué)生對(duì)壓力閥的結(jié)構(gòu)、原理和性能掌握還有所不足［6-10］。

針對(duì)以上氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所體現(xiàn)出來的問題，許多高校從儀器配備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了改革與探索。任永良等［11］運(yùn)用FESTO公司的氣動(dòng)教學(xué)平臺(tái)和液壓氣動(dòng)仿真軟件Fluid SIM 構(gòu)建了開放性的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可自由進(jìn)行氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。趙孟文等［12］設(shè)計(jì)了利用互聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程控制的液壓回路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和互聯(lián)網(wǎng)模式下的可視化實(shí)驗(yàn)及教學(xué)。陳敏捷等［13］利用NX、3Ds Max、Unity等專業(yè)軟件搭建了一個(gè)逼真的具有較好交互功能的實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真系統(tǒng)，可完成多種類的液壓虛擬實(shí)驗(yàn)。王娟等［14］利用LabVIEW并結(jié)合硬件檢測(cè)構(gòu)建多功能的綜合性液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)位置控制、回路檢測(cè)、元件性能測(cè)試等教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。王勇剛等［15］從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，考核評(píng)價(jià)方式等方面介紹了適應(yīng)現(xiàn)代教育體系建設(shè)的液壓與氣動(dòng)控制課程教學(xué)改革，為高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革提供不同的思路。從上述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及教學(xué)方法改革情況可知，大部分實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都是針對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)且實(shí)驗(yàn)過程可視化效果較差，針對(duì)氣動(dòng)比例壓力閥的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究幾乎未有涉及。

基于虛擬儀器技術(shù)，由多傳感器負(fù)責(zé)壓力、流量等數(shù)據(jù)的檢測(cè)，經(jīng)過高性能數(shù)據(jù)采集卡上傳到與其相連的PC機(jī)，通過對(duì)此數(shù)據(jù)的處理和分析，最后由控制器控制被試閥做出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。開發(fā)的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集測(cè)試和控制于一體，具備多功能、模塊化等特點(diǎn)，能夠?qū)鈩?dòng)元件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的高精度測(cè)控。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成及工作原理

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成

在利用LabVIEW搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的氣動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)元件的性能測(cè)試、氣動(dòng)回路的位置控制、速度檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)主要由PC機(jī)、被試閥（氣動(dòng)比例壓力閥）、流量傳感器、控制器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、減壓閥、三聯(lián)件等組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成框圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成框圖

1.2 平臺(tái)各元件功能及工作原理

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的氣源通過減壓閥及三聯(lián)件調(diào)節(jié)至合適的壓力，壓力傳感器則用于監(jiān)測(cè)該氣源壓力。激光傳感器用于檢測(cè)單作用氣缸活塞桿的位置并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳遞給高速數(shù)據(jù)采集卡和控制器。PC 機(jī)主機(jī)與高速數(shù)據(jù)采集卡相連，負(fù)責(zé)發(fā)出控制信號(hào)及儲(chǔ)存采集卡中采集到的氣源壓力和氣缸活塞桿位置數(shù)據(jù)。當(dāng)控制器中輸入?yún)⒖伎刂菩盘?hào)時(shí)，系統(tǒng)通過位置傳感器檢測(cè)出氣缸活塞桿的位置再將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)回饋給控制器，實(shí)現(xiàn)活塞桿位置的閉環(huán)控制。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)硬件選型與搭建

2.1 PC機(jī)主機(jī)

采用普通PC 機(jī)作為控制主機(jī)，與數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行相互通信，并配有可視化軟件LabVIEW開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)界面。

2.2 壓力傳感器

系統(tǒng)中采用西安航動(dòng)儀器儀表有限公司的CYY4型小型壓力傳感器。傳感器的測(cè)量范圍在0～1 MPa，對(duì)應(yīng)輸出電流信號(hào)為4～20 mA，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.25%。

2.3 流量傳感器

流量傳感器采用的是德國FESTO 公司的SFAB-200U型流量傳感器。傳感器工作壓力為0～1 MPa，流量測(cè)試范圍在0～200 L／min，相對(duì)應(yīng)的輸出電流信號(hào)為4～20 mA。

2.4 控制器

基于美國德州儀器（Texas Instruments）MSP430F1611 單片機(jī)開發(fā)的控制器，MSP430F1611 單片機(jī)帶有64 個(gè)引腳，含有16 位超低功耗微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、46 KB 閃存（Flash Memory）、10 KB 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）、12 位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、雙數(shù)／模轉(zhuǎn)換器等，具有良好的數(shù)據(jù)處理能力。

2.5 高速數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡為NI（National Instruments）USB-6361，提供了模擬I／O（Input／Output）口、數(shù)字I／O 口和4 個(gè)32 位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)等，帶有16 路（其中8 路為BNC通道）模擬輸入通道（16 位，2 MB／s）和2 路模擬輸出通道（16位，2.86 MB／s）。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的采樣頻率為10 kHz。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件搭建圖如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件搭建圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)各項(xiàng)功能主要取決于平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)，此平臺(tái)基于LabVIEW完成軟件設(shè)計(jì)。LabVIEW應(yīng)用程序部分由Front Panel 前面板和Diagram Programme框圖程序所構(gòu)成。Front Panel 前面板為交互界面，可由此設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；Diagram Programme框圖程序則可完成圖形化程序設(shè)計(jì)，F(xiàn)ront Panel各項(xiàng)功能都由背后相應(yīng)的框圖程序所實(shí)現(xiàn)。

此氣動(dòng)比例壓力閥教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、回放、清空、報(bào)表打印及退出等功能。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件工作流程圖

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集和處理能力強(qiáng)、編程相對(duì)簡(jiǎn)單且人機(jī)界面較為友好，整個(gè)編程、數(shù)據(jù)采集及處理可節(jié)省大量的程序開發(fā)時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)同樣由LabVIEW 來完成。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)了如下多個(gè)顯示板塊，從而提高人機(jī)交互友好性。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)板塊：包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定、數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入、數(shù)字量輸入配置等；圖形顯示板塊：顯示氣動(dòng)比例壓力閥的滯回特性、階躍響應(yīng)、正弦響應(yīng)、輸入-輸出特性等曲線；實(shí)驗(yàn)數(shù)值顯示板塊：顯示流量、壓力、電壓、位移、速度等值。實(shí)驗(yàn)可導(dǎo)出的報(bào)表包含：實(shí)驗(yàn)過程特性曲線，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、實(shí)驗(yàn)總耗時(shí)等數(shù)值，方便后續(xù)查詢整理。具體平臺(tái)人機(jī)界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)人機(jī)界面圖

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用德州儀器MSP430F1611 單片機(jī)作為控制器，其控制流程圖如圖5 所示。

圖5 控制程序工作流程

控制器在接收到控制信號(hào)及壓力傳感器反饋回來的壓力信號(hào)后，通過增量PID 控制算法不斷減小兩者之間的誤差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

4 性能測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

利用搭建的氣動(dòng)比例壓力閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，基于液壓與氣動(dòng)課程開設(shè)“壓力閥性能測(cè)試”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課程以3 人為1 小組實(shí)施，小組學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)際操作，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

4.1 氣動(dòng)比例壓力閥工作原理

硅流體芯片的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，采用3 層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中Ps口為輸入端口，Pc口為控制輸出端口，Po口為反饋端口，在不通電的情況下，Ps口為常閉端口，Po口為常開端口。芯片中間層的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由一個(gè)V字形的電熱微致動(dòng)器（含4 對(duì)筋）和杠桿機(jī)構(gòu)組成。

圖6 硅流體芯片結(jié)構(gòu)圖

圖7 中間層致動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

芯片中間層的移動(dòng)部分可看成是閥芯，當(dāng)芯片通入控制電壓時(shí)，由于焦耳熱效應(yīng)電流經(jīng)過V 型電熱微致動(dòng)器會(huì)使筋的溫度升高，導(dǎo)致熱膨脹，產(chǎn)生沿A 方向的位移，B點(diǎn)則作為杠桿機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)將位移放大。

采用硅流體芯片的氣動(dòng)比例壓力閥的工作原理如圖8 所示，腔室V1連接氣壓源，腔室V2為控制輸出腔，腔室V3與外部空氣相連通。圖中的紅色曲線表示氣體的流動(dòng)方向，主要通過輸入控制電壓來驅(qū)動(dòng)中間層杠桿機(jī)構(gòu)的移動(dòng)部分，從而改變Ps口、Po口過流面積的大小，達(dá)到比例控制可變端口Pc口輸出壓力的目的。

圖8 氣動(dòng)比例壓力閥工作原理圖

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

采用雙芯片結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)比例壓力閥作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試采用硅流體芯片的氣動(dòng)比例壓力閥的性能。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：開環(huán)特性、壓力階躍響應(yīng)、輸入-輸出特性、正弦響應(yīng)特性及滯回特性等實(shí)驗(yàn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中輸入與已知的仿真分析時(shí)相同控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)得到的開環(huán)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖9、10 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙芯片結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)比例壓力閥近似線性可控制范圍在30%～60%左右，具有較快的響應(yīng)速度，階躍響應(yīng)上升時(shí)間小于40 ms。此外，該閥存在一定的死區(qū)、飽和區(qū)以及滯回。產(chǎn)生死區(qū)及飽和區(qū)的原因可能與芯片采用電熱致動(dòng)的機(jī)制有關(guān)，在芯片兩端通入控制電壓時(shí)，電流流過電阻會(huì)產(chǎn)生歐姆熱效應(yīng)，熱量在致動(dòng)器中累積從而產(chǎn)生致動(dòng)效應(yīng)使Po口逐漸開啟，熱量的積累需要一定的時(shí)間，因而形成了死區(qū)；當(dāng)兩端的控制電壓逐漸減小或者突變到0 時(shí)，Po口的開度主要與致動(dòng)器熱量耗散的快慢程度有關(guān)（當(dāng)電壓降低而熱量耗散較慢時(shí)則產(chǎn)生了飽和區(qū)）。氣動(dòng)比例壓力閥的輸入輸出滯回特性可能與芯片的單向致動(dòng)機(jī)制有關(guān)，當(dāng)需要增加壓力時(shí)，致動(dòng)器輸入控制電壓，而當(dāng)需要降低壓力時(shí)，致動(dòng)器中會(huì)輸入更少的控制電壓或者沒有控制電壓。對(duì)于該閥增壓狀態(tài)（端口Ps打開、端口Po關(guān)閉）的調(diào)節(jié)是主動(dòng)的（輸入更大的控制電壓），而對(duì)于減壓狀態(tài)（端口Ps關(guān)閉、端口Po打開）是被動(dòng)的，只能依靠杠桿機(jī)構(gòu)和致動(dòng)器的組合恢復(fù)力來減小壓力。

圖9 三角波滯回特性實(shí)驗(yàn)曲線

圖10 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入周期為4 s 的三角波控制電壓信號(hào)，氣動(dòng)比例壓力閥的輸入輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示，結(jié)果表明該閥具有良好的線性度。

圖11 輸入-輸出特性實(shí)驗(yàn)曲線

輸入頻率為8 Hz的正弦控制信號(hào)，氣動(dòng)比例壓力閥的輸出壓力曲線如圖12 所示，輸出壓力能夠較好地跟隨控制信號(hào)變化，最大誤差為15 kPa，該閥具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

圖12 正弦響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線

氣動(dòng)比例壓力閥的滯回特性實(shí)驗(yàn)曲線如圖13 所示，隨著控制信號(hào)頻率的增加，不規(guī)則的循環(huán)回路逐漸擴(kuò)大。

圖13 不同控制信號(hào)頻率時(shí)的滯回特性實(shí)驗(yàn)曲線

綜上，在開環(huán)特性實(shí)驗(yàn)中，氣動(dòng)比例壓力閥存在一定的死區(qū)和滯回，可能與芯片的單邊致動(dòng)原理有關(guān)。閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該閥具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性。氣源壓力為0.7 MPa 時(shí)，其階躍響應(yīng)上升時(shí)間小于40 ms，具有較快的響應(yīng)速度；輸入輸出特性實(shí)驗(yàn)中，該閥展現(xiàn)了良好的線性度；正弦信號(hào)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，氣動(dòng)比例壓力閥可以較好地跟隨頻率為8 Hz正弦控制信號(hào)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的氣動(dòng)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)較少基于氣動(dòng)比例壓力閥來開展相關(guān)性能的測(cè)試。設(shè)計(jì)開發(fā)利用虛擬儀器技術(shù)的氣動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)集氣動(dòng)、電子、機(jī)械、控制、測(cè)試、虛擬儀器等技術(shù)于一體，采集測(cè)量、控制分析等任務(wù)均由LabVIEW 實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)克服了傳統(tǒng)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象落后、實(shí)驗(yàn)誤差較大、故障率高等缺點(diǎn)，可有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、數(shù)據(jù)處理與分析能力以及實(shí)踐動(dòng)手能力。下一步計(jì)劃利用該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，嘗試采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法進(jìn)行氣動(dòng)比例壓力閥性能的比較測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的延伸和拓展，進(jìn)一步增大學(xué)生受益面。