寇瓊月 王 鵬 王浩淼

(中國(guó)人民解放軍92228部隊(duì)，北京 100072)

1 引 言

壓力參數(shù)計(jì)量在工業(yè)、科研、軍事領(lǐng)域工程檢測(cè)中占有重要地位，液壓儀表是壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)和指示的儀器設(shè)備，是保證其所在裝置系統(tǒng)安全、正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要設(shè)備。為保證液壓儀表提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行定期檢定，掌握壓力設(shè)備技術(shù)狀態(tài)信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，排除隱患和故障。液壓儀表應(yīng)用廣泛，其作為各領(lǐng)域規(guī)定的強(qiáng)檢項(xiàng)目，具有覆蓋范圍寬、數(shù)量多，檢定周期短，檢定工作量大的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)一次只能檢定一只液壓儀表，勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，難以在短期內(nèi)完成計(jì)量測(cè)試任務(wù)。因此，為滿足液壓儀表檢定高效率、高質(zhì)量的需求，提出液壓表級(jí)聯(lián)式綜合檢定裝置的設(shè)計(jì)方案，采用多參量自動(dòng)辨識(shí)自適應(yīng)PID控制，通過(guò)氣驅(qū)液壓力精確控制及造壓活塞加工參數(shù)仿真提煉，設(shè)計(jì)了精密液壓自動(dòng)發(fā)生系統(tǒng)；通過(guò)構(gòu)建嵌入式聯(lián)控軟件架構(gòu)，設(shè)計(jì)集信息掃描、檢定管理和測(cè)控功能于一體的綜合檢定軟件，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多種多類液壓儀表的快速自動(dòng)檢定，提高了計(jì)量檢定效率和能力。

2 系統(tǒng)整體方案及功能

本文提出基于級(jí)聯(lián)式檢定模型，以同時(shí)檢定3只液壓表為目標(biāo)建立裝置的整體方案。系統(tǒng)組成及控制關(guān)系如圖1所示，主要由氣壓發(fā)生器、壓力控制臺(tái)、壓力倍增器、造壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、級(jí)聯(lián)式檢定臺(tái)、二維碼掃描儀、檢定管理和測(cè)控軟件和主控計(jì)算機(jī)等部分組成。其中，壓力控制臺(tái)、壓力倍增器和壓力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總稱為造壓執(zhí)行單元。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

系統(tǒng)工作原理如下：?jiǎn)?dòng)檢定程序后，基于二維碼掃描儀將被檢表信息錄入，由檢定管理和測(cè)控軟件設(shè)定被檢定表信息和系統(tǒng)壓力控制等參數(shù)信息，并將控壓信息反饋給造壓執(zhí)行單元，由壓力控制單元驅(qū)動(dòng)氣體發(fā)生器的造壓活塞，帶動(dòng)壓力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造壓，輸出標(biāo)準(zhǔn)壓力，并根據(jù)所設(shè)定的檢定程序，完成對(duì)被檢液壓表的檢定。其中，壓力控制臺(tái)可獨(dú)立于自動(dòng)檢定流程，根據(jù)需要獨(dú)立完成設(shè)定壓力的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢表的粗檢或半人工檢定。

3 裝置主要硬件技術(shù)設(shè)計(jì)

本裝置涉及到造壓、控壓及檢定進(jìn)程管理控制等單元，需合理進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證整套裝置穩(wěn)定造壓、易于清污及操作?？貕簷C(jī)構(gòu)中，既有電信號(hào)的交互，也有控制信號(hào)的流通，特別是涉及氣壓、油壓等管道的連接。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)功能劃分，將主控計(jì)算機(jī)與壓力控制臺(tái)的串口相連，一方面為壓力標(biāo)準(zhǔn)(壓力傳感器)供電，另一方面將壓力反饋信號(hào)傳入壓力控制臺(tái)；裝置中的氣瓶、壓力表檢定臺(tái)的氣壓和油壓連接管則直接接入壓力控制臺(tái)，保證整機(jī)布局合理、集成度高。

3.1 液壓表級(jí)聯(lián)式檢定模型

檢定采用標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表相比較法的方法進(jìn)行，為實(shí)現(xiàn)單次對(duì)3只液壓表的同時(shí)檢定，裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上建立了液壓表級(jí)聯(lián)式檢定模型，如圖2所示。壓力表檢定工作臺(tái)與壓力控制器分離設(shè)計(jì)，級(jí)聯(lián)式檢定臺(tái)包含四個(gè)壓力接頭，其中一個(gè)連接標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊，另三個(gè)連接被檢儀表，控壓機(jī)構(gòu)通過(guò)管路與檢定工作臺(tái)相連，級(jí)聯(lián)式檢定臺(tái)實(shí)物如圖3所示。該檢定臺(tái)設(shè)計(jì)成可靈活伸縮變換位置和朝向，一是便于油路中污垢的清除；二是利于消除液面差對(duì)檢定精度的影響；三是利于檢定數(shù)據(jù)的讀取與觀測(cè)。

圖2 液壓表級(jí)聯(lián)式檢定模型圖

圖3 液壓表級(jí)聯(lián)式檢定臺(tái)

3.2 壓力生成及控制方案

針對(duì)液壓儀表技術(shù)特點(diǎn)，檢定裝置選擇的造壓和控壓方案是基于伺服電機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和基于氣驅(qū)液的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

基于伺服電機(jī)的硬件方案，在原理上屬于改變液體體積實(shí)現(xiàn)控制壓力的方式，原理簡(jiǎn)單，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)前級(jí)液體實(shí)現(xiàn)增壓目的，由于受液體流動(dòng)速度限制，這種方案存在控壓速度慢的缺陷，且造壓時(shí)油液內(nèi)可能會(huì)混入氣體，將放大該方案的缺陷。為此，裝置設(shè)計(jì)中采用氣驅(qū)液造壓設(shè)計(jì)，在原理上屬于力平衡的控制壓力方式，利用氣體可壓縮、也可快速釋放的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了氣壓發(fā)生器，造壓活塞一端用氣體，另一端用(油)液體。活塞在氣驅(qū)液模式下，實(shí)現(xiàn)了在60mm活塞有效行程內(nèi)，短距壓力快速倍增和釋放，并具有造壓效率高、硬件體積小的優(yōu)點(diǎn)。但這種模式下，增壓活塞缸體設(shè)計(jì)要嚴(yán)格符合控壓要求，且要對(duì)電磁閥進(jìn)、出和截止動(dòng)作的聯(lián)控方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能保證短距快速增壓，并準(zhǔn)確平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)壓力。

基于氣驅(qū)液壓力控制原理如圖4所示，主要由壓力控制(圖4粗線部分)、壓力執(zhí)行(圖4細(xì)線部分)和操作臺(tái)(圖4中快裝接頭部分)三部分組成，以分離式結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，以保證裝置造壓穩(wěn)定、易于清污、方便操作。

圖4 基于氣驅(qū)液壓力控制原理圖

壓力控制時(shí)，首先系統(tǒng)開(kāi)機(jī)加電，電動(dòng)截止閥和泄壓閥最先通電打開(kāi)，釋放上次因非正常操作保留的系統(tǒng)壓力，隨后兩位三通電磁閥通電打開(kāi)釋放掉前級(jí)氣體壓力，系統(tǒng)完成自檢；繼續(xù)保持泄壓閥和電動(dòng)截止閥開(kāi)啟狀態(tài)，關(guān)閉泄壓閥，啟動(dòng)預(yù)壓液泵，系統(tǒng)開(kāi)始升壓，當(dāng)壓力接近第一個(gè)檢定點(diǎn)時(shí)關(guān)閉電動(dòng)截止閥，即完成預(yù)壓過(guò)程；加壓控制時(shí)，開(kāi)啟兩位三通電磁閥和進(jìn)氣閥，氣體進(jìn)入增壓缸前端，系統(tǒng)開(kāi)始升壓，進(jìn)行加壓控制，并通過(guò)進(jìn)氣閥和排氣閥配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)壓力檢定點(diǎn)的控制；降壓控制時(shí)，開(kāi)啟排氣閥，氣體流出增壓缸前端，系統(tǒng)開(kāi)始降壓，通過(guò)進(jìn)氣閥和排氣閥配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)壓力檢定點(diǎn)的控制；泄壓控制時(shí)，開(kāi)啟電動(dòng)截止閥和泄壓閥系統(tǒng)與大氣連通，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)檢定。

3.3 造壓執(zhí)行部件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)短距快速準(zhǔn)確造壓要求，采用CAD仿真和工藝控制，設(shè)計(jì)研制了造壓執(zhí)行部件增壓缸體，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該增壓缸體主要由氣缸、檢測(cè)開(kāi)關(guān)、液體活塞、收集腔體、收集油路組成。其中，檢測(cè)開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)初始活塞桿位置和最大量程的活塞桿位置，以配合完成壓力控制。收集腔體和收集油路用于暫時(shí)存儲(chǔ)和處理液體活塞的泄露，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件從收集腔體排出油液。

圖5 增壓缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

通過(guò)CAD仿真測(cè)算及設(shè)計(jì)加工中對(duì)活塞和缸體進(jìn)行測(cè)評(píng)修正，活塞和缸體加工參數(shù)和技術(shù)要求見(jiàn)表1。裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增壓部分，為了適應(yīng)帶載多只被檢儀表的需求，液體活塞部分必須提供足夠的帶載能力，通過(guò)對(duì)被檢儀表的統(tǒng)計(jì)與實(shí)際測(cè)試，三只被檢儀表到達(dá)滿量程需要液體活塞的帶載能力約為10ml；氣缸啟動(dòng)壓差較大時(shí)會(huì)明顯影響控壓穩(wěn)定波動(dòng)度，因此氣缸的啟動(dòng)壓差設(shè)計(jì)不大于3kPa。在活塞60mm的有效行程內(nèi)，包含2個(gè)階梯狀臺(tái)階，對(duì)活塞的加工工藝提出了很高要求，針對(duì)裝置應(yīng)用于普通油介質(zhì)壓力表檢定，液體活塞完全依靠油膜密封，活塞筒和活塞桿之間的間隙尺寸必須控制得當(dāng)，間隙太大，油介質(zhì)會(huì)從間隙泄露過(guò)大，造成控壓困難，同時(shí)也大大減小了液體活塞的帶載能力；間隙太小，活塞桿活動(dòng)不夠靈活，造成控壓困難，結(jié)合常用油膜的厚度，最佳間隙設(shè)計(jì)為2.5μm，這樣的油膜厚度既有密封能力，又有良好的潤(rùn)滑性能。

表1 增壓缸體加工參數(shù)及技術(shù)要求Tab.1 Machiningcharacteristicsandtechnicalrequirementofsuperchargecylinder序號(hào)加工參數(shù)技術(shù)要求序號(hào)加工參數(shù)技術(shù)要求1活塞帶載最大油量10ml5活塞長(zhǎng)度100mm2氣缸的啟動(dòng)壓差≤3kPa6活塞有效行程60mm3活塞行程與直徑之比≤37活塞圓柱度±1μm4活塞直徑20mm8活塞和活塞腔之間間隙2.5μm

3.4 高效造壓控制設(shè)計(jì)

氣液增力技術(shù)結(jié)合了液壓和氣動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)，在壓力快速控制方面優(yōu)勢(shì)明顯。但與液體流體相比，氣體流體的壓力難以精確控制，利用傳統(tǒng)的PID控制方法，達(dá)到目標(biāo)壓力耗時(shí)長(zhǎng)且不穩(wěn)定，如圖6(a)所示，難以使控制過(guò)程平穩(wěn)。本置采用氣驅(qū)液結(jié)構(gòu)，基于氣體介質(zhì)的作用，壓力發(fā)生動(dòng)作較快，增減壓過(guò)程隨機(jī)性較大，具有高非線性、時(shí)變不確定性，且稍有擾動(dòng)，就會(huì)使壓力控制器件產(chǎn)生振蕩，造成壓力超調(diào)。為保證控制過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確加壓，達(dá)到目標(biāo)壓力耗時(shí)短且不發(fā)生振蕩，控制效果如圖6(b)所示，避免出現(xiàn)圖6a)所示的控制效果，控壓設(shè)計(jì)上采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)裝置造壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液體壓縮比例的非線性來(lái)確定PID參數(shù)，通過(guò)對(duì)壓力差、電磁閥激勵(lì)信號(hào)、壓力變化率等參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整PID控制參數(shù)，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，減少了超調(diào)量和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖6 壓力控制效果對(duì)比圖

自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)如圖7所示，由常規(guī)反饋控制系統(tǒng)和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成，其中，

r

(

t

)為目標(biāo)設(shè)定值，

e

為偏差，

u

為合成控制量，

v

為控制系統(tǒng)內(nèi)部的固有擾動(dòng)，

ξ

表示人為產(chǎn)生的噪聲，用于防止造壓?jiǎn)?dòng)時(shí)因微分作用而產(chǎn)生振蕩。常規(guī)反饋控制系統(tǒng)由控制器和被控對(duì)象構(gòu)成，“控制器”為電磁閥組(包括放氣閥、進(jìn)氣閥、截止閥等)，“被控對(duì)象”為氣驅(qū)液活塞缸體，通過(guò)算法程序，由數(shù)字智能電路實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程；自適應(yīng)機(jī)構(gòu)由控制器參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)/狀態(tài)估計(jì)器構(gòu)成，“參數(shù)/狀態(tài)估計(jì)器”根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)在線辨識(shí)被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，“控制器參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算”根據(jù)參數(shù)/狀態(tài)估計(jì)器的輸出和確定的控壓穩(wěn)定度指標(biāo)(±0.005%F.S)計(jì)算控制器參數(shù)，反饋給控制回路，并調(diào)整控制回路中的控制參數(shù)。圖8為自適應(yīng)PID控制效果對(duì)比圖，從圖中看出，常規(guī)PID控制用于氣驅(qū)液增壓模式時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

圖7 自適應(yīng)PID控制方案示意圖

圖8 自適應(yīng)PID控制效果對(duì)比圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置軟件采用集嵌入式壓力控制、自動(dòng)檢定與管理功能于一體的軟件架構(gòu)，如圖9所示。軟件運(yùn)行通過(guò)啟動(dòng)檢定程序，進(jìn)入“手動(dòng)/自動(dòng)控制壓力”選擇界面。選擇手動(dòng)方式，則啟動(dòng)嵌入式壓力控制軟件，帶動(dòng)造壓執(zhí)行單元產(chǎn)生所設(shè)定的壓力，通過(guò)控制、測(cè)量、清零三個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力的設(shè)定、生成、控制及實(shí)時(shí)顯示，并具有壓力標(biāo)準(zhǔn)模塊零點(diǎn)校準(zhǔn)功能。選擇自動(dòng)方式，則啟動(dòng)壓力表自動(dòng)檢定軟件，通過(guò)對(duì)被檢表信息的自動(dòng)掃描或錄入，檢定點(diǎn)數(shù)等信息設(shè)置后，運(yùn)行自動(dòng)檢定軟件，完成自動(dòng)控壓、檢定過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理和檢定證書的生成，自動(dòng)檢定過(guò)程管理軟件架構(gòu)如圖10所示。

圖9 軟件架構(gòu)圖

圖10 自動(dòng)檢定過(guò)程管理軟件架構(gòu)圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

裝置設(shè)計(jì)研制完成后，經(jīng)第三方計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢定，給出裝置準(zhǔn)予作為0.05級(jí)計(jì)量器具使用的檢定結(jié)論；表2為裝置標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的第三方計(jì)量檢定數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)的壓力輸出的量程為分(0～10)MPa、(0～25)MPa和(0～60)MPa三個(gè)量程，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)Tab.2 Verificationdataofstandardpressuresensor測(cè)量范圍/MPa零位漂移/MPa正行程最大示值誤差/MPa反行程最大示值誤差/MPa壓力計(jì)示值最大允許誤差/MPa結(jié)論0～100.0000.0010.001±0.005合格0～250.0000.0010.003±0.0125合格0～600.000-0.002-0.002±0.030合格

裝置穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，采用型號(hào)為ConST810，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.02級(jí)的精密數(shù)字壓力計(jì)作為穩(wěn)定性考核設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)壓力生成短期穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，圖11為60MPa壓力輸出穩(wěn)定性曲線，壓力輸出波動(dòng)范圍為±0.0025MPa，可見(jiàn)系統(tǒng)壓力生成響應(yīng)速度快，控制穩(wěn)定性好，整個(gè)系統(tǒng)的壓力控制穩(wěn)定性優(yōu)于0.005% F·S。

圖11 60 MPa壓力輸出穩(wěn)定性曲線

應(yīng)用該裝置對(duì)一般壓力表、壓力控制器、壓力開(kāi)關(guān)、壓力表變送器等多只液壓儀表進(jìn)行了檢定，測(cè)試結(jié)果表明，該裝置造壓、控壓、檢定模塊與管理模塊銜接合理、運(yùn)行正常、穩(wěn)定，并具有對(duì)被檢液壓表信息自動(dòng)識(shí)別、登記和管理功能，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)自動(dòng)完成3只液壓表的檢定(耗時(shí)10分鐘)，將原來(lái)手動(dòng)檢定3只液壓表的時(shí)間縮短為原來(lái)的1/6。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于同時(shí)對(duì)多個(gè)液壓表實(shí)施快速自動(dòng)檢定設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用氣驅(qū)液壓力倍增、精密活塞工藝設(shè)計(jì)、自適應(yīng)嵌入式控制和信息化管理等技術(shù)，建立的液壓表級(jí)聯(lián)式綜合檢定裝置，解決了短時(shí)間內(nèi)快速增加、壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定控制等技術(shù)難點(diǎn)，縮短了造壓時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了0～60MPa范圍內(nèi)多只液壓表同時(shí)計(jì)量檢定，提高了檢定效率。目前，裝置應(yīng)用于多型液壓儀表計(jì)量保障中，提高了壓力參數(shù)計(jì)量保障效率和能力。裝置設(shè)計(jì)研究中提出的氣驅(qū)液壓力精確控制模式、多參量自動(dòng)辨識(shí)自適應(yīng)PID控壓方案、造壓活塞和增壓缸體精密工藝設(shè)計(jì)，為高效實(shí)現(xiàn)液壓表計(jì)量檢定，液壓系統(tǒng)壓力的生成和精確控制提出了一種切實(shí)可行的控制方法和解決方案。