孫國浩，羅敏，柴進平，張昌瑞

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.上海深拓液壓技術(shù)有限公司，上海 201112）

液壓測試是檢查液壓系統(tǒng)和被試產(chǎn)品性能的重要工具。傳統(tǒng)的溢流閥測試系統(tǒng)多為操作員逐步手動操作，不僅測試精度低、速度慢，而且硬件設(shè)備過多、操作繁瑣，極易因人工操作的誤差導(dǎo)致檢測結(jié)果與實際性能相距甚遠［1-2］。近年來，研究者多采用電控執(zhí)行器件、自動化裝夾被試產(chǎn)品、智能化采集數(shù)據(jù)，對溢流閥測試系統(tǒng)的精度以及智能化水平有了顯著提高。文獻［3］中可移動的綜合檢測系統(tǒng)采用PLC 作為下位機，控制系統(tǒng)采用工控機，能夠進行全自動測試和手動測試，但缺乏測試數(shù)據(jù)的智能采集、分析功能以及記錄打印等功能。文獻［4］中自動化測試系統(tǒng)可對液壓設(shè)備進行不同型號、不同測試內(nèi)容的檢測，其電控結(jié)構(gòu)與文獻［3］相似，數(shù)據(jù)采集通過軟件完成，測試精度以及智能化及有所提升，但數(shù)據(jù)采集的通用性與自動化程度不高。文獻［5］中設(shè)計了電液伺服系統(tǒng)PID控制器模型，但PID 參數(shù)需手動調(diào)節(jié)，擴展性不高且系統(tǒng)輸出延遲接近1 s。黃文娟等人［6］針對電液系統(tǒng)受干擾輸出不穩(wěn)定問題設(shè)計了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器，能夠自適應(yīng)在線調(diào)整控制參數(shù)并有效抑制外界對控制系統(tǒng)的擾動?；谖墨I分析以及某研究所的任務(wù)需求，設(shè)計了基于LabVIEW 的溢流閥性能測試系統(tǒng)，在保證測量精度的同時，提高系統(tǒng)的測試效率，并充分利用計算機軟硬件資源。

1 液壓設(shè)計

溢流閥液壓油液出口溫度為0～120 ℃，10 min內(nèi)溫度從120 ℃降至20 ℃；全開溢流壓力為28 MPa、全開瞬時超調(diào)壓力可至32 MPa。系統(tǒng)供油最高壓力為32 MPa 時，流量可達200 L·min-1。高壓溢流閥測試系統(tǒng)主要由泵站、先導(dǎo)回路、供油調(diào)壓回路、測試回路、流量計切換回路、背壓調(diào)節(jié)回路、循環(huán)過濾冷卻等部分組成，液壓原理如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)液壓原理圖

溢流閥的供油壓力測試中，首先接通系統(tǒng)安全閥，根據(jù)輸入比例溢流閥29 模擬量的大小調(diào)節(jié)供油壓力，系統(tǒng)調(diào)壓回路實物如圖2所示。動態(tài)性能測試中，調(diào)節(jié)變頻電機14 使供油流量稍大于溢流閥的額定流量，調(diào)節(jié)比例溢流閥29 使溢流閥在額定流量/壓力下溢流。向伺服閥32 施加階躍信號使其開啟，主油路泄壓，再給信號回至溢流狀態(tài)，主油路瞬間升壓。通過壓力傳感器測試超/建壓時間和瞬態(tài)恢復(fù)時間并由上位機自動記錄。靜態(tài)特性測試中，調(diào)節(jié)變頻電機14轉(zhuǎn)速與比例溢流閥29，使系統(tǒng)壓力逐漸升至使溢流閥開啟、額定流量/壓力、全開流量/壓力下溢流；再調(diào)節(jié)比例溢流閥29，使系統(tǒng)壓力由全開流量/壓力下降至關(guān)閉壓力以下，上位機記錄此過程溢流閥的流量-壓力特性曲線。壽命測試中，在溢流閥處于溢流狀態(tài)時，給定伺服閥32脈沖信號，頻率次數(shù)可調(diào)，通過泄漏量來判斷壽命次數(shù)。穩(wěn)定性測試中，系統(tǒng)保持溢流閥全溢流狀額定恒定壓力和流量，通過單位時間內(nèi)溢流閥前端壓力變化來判斷溢流閥的穩(wěn)定性。

圖2 系統(tǒng)調(diào)壓回路實物

2 信號采集

測試系統(tǒng)主要是完成直動式高壓溢流閥動靜態(tài)性能參數(shù)的測試，采集數(shù)據(jù)并生成報表。具體測試內(nèi)容包括靜態(tài)測試、動態(tài)測試、穩(wěn)定性測試和壽命測試等。為此需要對溢流閥前端壓力、背壓壓力、系統(tǒng)溫度、泵站流量、油泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行采集、測試和控制。為保證測試系統(tǒng)穩(wěn)定運行及試驗人員的安全，系統(tǒng)必須具備壓力、溫度、油液污染等報警顯示功能。上位機顯示報警的同時，系統(tǒng)采取卸壓、開始循環(huán)冷卻、關(guān)閉油泵等相應(yīng)的安全措施。

測試系統(tǒng)控制器為研華610L 工控計算機，抗振動能力強，不易受外界電磁干擾。采集卡使用NI公司PCIe-6343多功能采集卡，為同步采樣多功能設(shè)備，提供多路高速模擬、數(shù)字I/O 以及編碼器采集和PWM 輸出等，在準確采集數(shù)據(jù)的同時也能快速控制執(zhí)行機構(gòu)。伺服閥采用北京精密機電控制設(shè)備研究所SFD234 電反饋射流管伺服閥，通過流量大，響應(yīng)速度迅速，穩(wěn)定性高，滿足系統(tǒng)所需動靜態(tài)性能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。流量計信號為0～600 Hz脈沖，溫度、壓力傳感器信號均為0～10 V模擬量，經(jīng)隔離模塊濾波后，由NI數(shù)據(jù)采集卡送入上位機，在LabVIEW中進行分析并處理，實現(xiàn)信息顯示及整體控制功能，再通過D/A模塊將控制量由上位機輸出至硬件，對伺服閥和比例閥進行精確控制，泵站中油泵轉(zhuǎn)速控制對實時性要求不高，由PLC控制。測試系統(tǒng)可實現(xiàn)其他相關(guān)設(shè)備超壓、超溫、油液過臟、相序保護或報警功能。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計

3.1 總體框架結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)軟件部分的主要功能有控制參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)采集及顯示、圖像的顯示與編輯、設(shè)備報警、數(shù)據(jù)存儲、文檔打印和傳感器自檢與校核。測試流程如圖4 所示。測試系統(tǒng)上位機采用Lab-VIEW 編寫，人機交互界面參數(shù)清晰，顯示項目合理，主界面設(shè)計如圖5所示。操作面板可以進行測試信息填寫、測試類型選擇、測試參數(shù)調(diào)整，也可以將供油壓力、背壓壓力、先導(dǎo)壓力、溢流閥流量、油泵轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)油溫等參數(shù)的變化情況實時顯示并輸出曲線。試驗進行中可隨時按下“急?！卑粹o終止試驗；試驗結(jié)束后，系統(tǒng)可以自動保存實驗數(shù)據(jù)存儲在預(yù)先設(shè)置目錄下，可選擇輸出數(shù)據(jù)表格或者圖像，以doc格式打印。

圖4 測試流程圖

圖5 上位機顯示界面

3.2 算法優(yōu)化設(shè)計

溢流閥測試系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，檢測量為流量與壓力，故系統(tǒng)控制量為測量的壓力值和流量，由變頻電機和比例閥來實現(xiàn)系統(tǒng)輸出。動態(tài)測試和壽命測試要求響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)速度迅速，靜態(tài)測試和穩(wěn)定性測試要求魯棒性強，結(jié)合系統(tǒng)要求，采用數(shù)字PID控制算法。根據(jù)比例閥控制原理可得到PID控制規(guī)律為

式中：μ(k)為比例閥和變頻油泵的輸入。

常用PID 算法的參數(shù)KP、KI、KD由人工根據(jù)以往經(jīng)驗調(diào)試，浪費時間成本的同時也存在巨大的安全隱患。文中使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID 算法，如圖6 所示，可在線對控制參數(shù)KP、KI、KD進行自整定，以滿足不同狀態(tài)下控制量的要求，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)優(yōu)良的動靜態(tài)性能。PID控制器的3個參量由轉(zhuǎn)換器

圖6 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID 控制算法的結(jié)構(gòu)模型可分析并設(shè)計出控制算法程序框圖，如圖7所示。在LabVIEW中使用NI-MLT工具包的BPCreate-Project.vi 等相關(guān)vi 進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)計算來調(diào)優(yōu)PID控制器參數(shù)。

圖7 控制算法程序框圖

4 測試結(jié)果

選用2種不同型號的溢流閥進行測試，額定壓力分別為16 MPa 和26 MPa。動態(tài)特性曲線如圖8所示。16 MPa 溢流閥動態(tài)響應(yīng)時間約為0.3 s，超調(diào)為0.43 MPa；26 MPa 溢流閥動態(tài)響應(yīng)時間約為0.36 s，超調(diào)量為2.27 MPa。靜態(tài)特性曲線見圖9。16 MPa 溢流閥開啟壓力為15.5 MPa，全開壓力為16 MPa，在溢流狀態(tài)下壓力下降至12.7 MPa 時，溢流閥閉合。26 MPa溢流閥開啟壓力為25 MPa，全開壓力為26 MPa，在溢流狀態(tài)下壓力下降至21.3 MPa時，溢流閥閉合。圖10 為16 MPa 溢流閥穩(wěn)定性特性曲線與壽命測試系統(tǒng)壓力變化曲線。穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖10a 所示，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為6.23%。壽命測試即通過調(diào)整系統(tǒng)壓力使溢流閥以固定頻率多次重復(fù)由閉合至溢流再閉合的過程，測試人員測試溢流閥泄露量，系統(tǒng)壓力變化如圖10b所示。

圖8 溢流閥動態(tài)特性曲線

圖9 溢流閥靜態(tài)特性曲線

圖10 測試系統(tǒng)壓力

由上述測試結(jié)果可看出：動態(tài)測試中系統(tǒng)在PID 控制器作用下響應(yīng)速度快，升壓迅速，滿足動態(tài)測試需求；靜態(tài)測試中系統(tǒng)魯棒性強，壓力穩(wěn)定。更換溢流閥后控制器自整定PID參數(shù)，測試系統(tǒng)穩(wěn)定運行且滿足動靜態(tài)測試。

5 結(jié)論

文中設(shè)計的溢流閥性能測試系統(tǒng)已投入運行，能夠完成航空用“簡”系列溢流閥動靜態(tài)性能測試、穩(wěn)定性測試和壽命測試，具有數(shù)據(jù)存儲和報表打印等功能；針對不同型號不同壓力的溢流閥可直接安裝測試，可對控制參數(shù)自整定。