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计算机智能控制方法在液压测试系统中的应用
发布时间：2017-11-22
引言
采用计算机辅助装置对液压泵性能进行智能测控是当今液压技术领域的发展趋势[1-2]。目前国内外已有不少企业和公司对计算机辅助测试(CAT)进行研制与开发[3-5]。如SUNDSTRON公司的液压传动实验室的CAT系统,日本制钢所的柱塞泵效率试验台;天津机械工程研究所的装载机液压元件测试系统,太原重型机械学院的液压泵综合试验台,东南大学的液压元件性能计算机辅助测试系统等。其中有一些液压CAT系统具有较高的测试性能,自动化程度也相当高。如瑞士的苏尔泽大功率气泵试验台[6],美国的Cryogenic泵制造厂的低压柱塞泵实时测试(ACD)自动润滑系统[7],法国机械工业技术中心(CETIM)研制的大型立式泵测试台[8],如图1、2所示,等等。然而这些试验台大都不是针对液压泵性能测试的,其测试项目不够全面,计算机集成化程度也有待进一步的提高。
作者以液压件厂现有的液压泵试验台为实际改进对象,分析了国内外有关液压CAT系统的美中不足,提出液压泵性能测试的计算机智能控制方法的设想,新颖地提出加载部分采用国内外先进水平的步进式溢流阀加载,以大大提高系统的控制精度、稳定性和计算机集成化程度。
1测试系统组成及其原理
液压泵试验台的液压系统设计是根据液压泵JB/T7042-93规定的试验项目设计的,试验原理如图3所示。
液压系统测试的工作原理:
(1)液压泵静态性能测试。试验时先按照计算机的中文图标或菜单提示进行参数设置,设置结束,方可进行液压泵静态性能实验。由计算机控制步进电机自动调节溢流阀17阀口的开度,自动加载以改变液压泵的工作压力;在溢流阀17前加节流阀16,可以阻止溢流阀产生的压力冲击对液压泵、传感器及其仪表的影响,起保护作用;系统的油温由加热器4和冷却器22来控制。
(2)液压泵动态性能测试。静态性能测试后由计算机控制换向阀的切换,此时液压油只能通过节流阀19流出,使液压泵的工作压力瞬时升高,这相当于给液压泵输出了一个阶跃压力信号;液压泵阶跃响应过程的实验数据由计算机自动采集。试验完成后,试验者可利用系统中提供的分析软件对实验数据和曲线进行分析,显示并打印实验曲线和结果。
计算机智能控制系统主要包括2个部分,一部分为液压试验台,即在原试验台上增加了压力传感器8、13、流量传感器21、温度传感器7、14、20、扭矩传感器10和转速传感器11;另一部分为计算机测控系统,主要包括计算机(PC机)、A/D转换卡、I/O卡、控制器和动态应变仪。其中控制器有2个作用,一是将流量和转速传感器的信号进行电平转换和波形整形并输出给I/O卡,用于测量流量和转速;二是接受计算机的控制信号,并对信号进行功率放大,控制电磁换向阀换向或控制步进电机进行液压泵自动加载。压力和扭矩传感器的信号经过动态应变仪放大后输出给A/D转换卡并由计算机进行数据采集。控制系统原理框图如图4所示。
2拖动及调速系统设计
液压泵性能测试装置的拖动系统是液压泵性能测试系统的动力源,其占地大、投资高、能耗大。因此合理的选择是液压泵性能测试装置研制是否成功的关键之一。对于小功率的液压泵性能测试装置,其动力源的选择较为简单,这里不再详叙。作者所设计的液压泵性能试验台不仅要适合低压泵,而且对于中、高压泵也同样适合的测试系统。国内目前中、大型液压泵性能测试装置的拖动系统多为可控硅直流调速系统(其控制原理如图5所示),其占地大、维护困难、投资高,使用极为不便。而大功率的二次调节系统(定压网络液压马达调节系统)因噪声大、系统复杂及投资高而在国内未得到广泛应用,但在利用原有液压泵源的技术改造中是一个可选择的方案。在反复比较了投资、占地面积、噪声控制、维护保养等诸因素后,作者采用交流变频调速技术。
交流变频系统的关键部分是变频装置。由于大功率变频器的价格极其昂贵,不同生产厂家的价格、性能及应用场合也不同,所以合理的选择显得尤为重要。这里以大功率变频器(参考值: 132kW)为例说明。如ABB公司的ACS607-0170-3ACS 600系列变频器,采用直接转矩控制(DTC)技术,具有很宽的功率范围,优良的速度控制和转矩控制特性,能够满足绝大多数的工业现场应用,但价格非常昂贵(约18万元);西门子的EC01-132K/3型变频器,可应用于纺织业、打包机或工业洗涤机械,价格约为8・5万元,日本富士FRN132P11S-4CX型号的大功率变频器,可用于风机、泵,以及搬运、传送设备等一般工业场合,价格较为合理(约6万元)。综合考虑了应用场合和性价比,大功率拖动系统的控制系统选用了日本富士(电机)交流变频控制器(FRN132P11S-4CX),其变频器工作稳定、占地面积小、噪声低、低速特性佳、操作方便、其投资与同功率直流可控硅调速系统相当。变频器带有与计算机通信的接口,易于实现自动控制,操作极为方便。对于小功率拖动系统的控制系统选择较为简单,价格也较为低廉。动力源可采用国内常规的交流电机,价格实惠。
交流变频调速原理结构如图6所示。
主回路由整流桥、中间滤波和逆变回路3部分组成。控制回路由控制接口板、主电路接口板、电机控制板和输入保护板组成。
3加载部分的设计
比较常用的液压泵性能测试装置的加载系统有节流加载和溢流加载,节流加载所需元件少,结构简单,其流量全部由加载阀的出口输出,无泄漏量要处理,但节流口易受温度的影响,控制特性不佳。溢流加载的控制特性较好,但溢流阀在高压大功率的状况下易产生较大的压力脉动,影响被试泵的脉动测试,且有先导溢流量,该泄漏量给流量的测量带来了诸多不便。这两种加载方法均不能实现自动加载,而这两种加载方式又都可派生出比例加载。比例加载操作较为方便,易于实现自动控制。但其自动控制精度不高,且系统需要反馈装置,增加装置的复杂性。
采用步进式数字控制系统,可以实现系统无级调节,由于步进电机是靠数字脉冲来驱动,所以不必经数模转换就可实现计算机自动控制,所以误差很小,开环控制即可达到精度要求,功耗小,结构又简单,是较好的一种控制系统。目前,国内外有关研究机构与研究人员已经开始关注到这一点,同时把数字控制系统应用于各种液压系统中。如液压挖掘机[9],数字换向阀和步进液压缸[10-11]。近几年,美国有关探测专家还把数字控制系统应用于地下含水层的雷达探测装置中[12]。然而在液压泵性能试验系统中的应用几乎空白,作者把数字控制系统应用于液压泵性能试验系统的智能加载装置,以发挥其应有的作用。
作者设计采用的步进式数字溢流阀的结构如图7所示。
原理如图7所示,步进电机1带动偏心轮2转动,使顶杆3作往复直线运动,从而使调压弹簧的压缩量改变,也就调整了溢流压力,实现了进式自动加载。该步进式溢流阀的步位压力特性如图8所示,当N>N1时, p(N)近似和输入脉冲N成正比,线性度很好。
4测试系统软件的设计
根据液压泵试验台的硬件系统组成及其测试原理,整个计算机自动控制系统软件由以下几个大模块组成:初始化模块、菜单模块、测控和实时显示模块、数据采集及处理软件模块、执行元件驱动模块和文件管理模块。系统软件初始化后,由菜单模块将其余模块联系起来,其中,测控和实时显示是整个系统的核心部分,它包括键盘输入操作、A/D采样、数据处理、D/A输出、曲线显示以及控制执行元件驱动信号等内容。主程序框图如图9所示,其中静态性能测试的程序框图如图10所示。
代码的编写可以采用Visual C++, Delphi和VisualBasic等高级语言, VisualC++编程可提高采集速度[14],不必用动态链接库函数来采集数据,但在操作界面和管理数据方面编程效率较VisualBasic低。考虑到系统需要对所测得的数据及时进行比较处理,而且操作界面较为简单,方便工人操作,代码采用VisualBasic语言编写,动态链接库采用C语言和汇编语言来编写。根据预计的信号(Boolean1)进行加载(对步进电机驱动器的控制),开始部分代码如下:
5友好的交互操作界面
系统的主界面如图11所示。由主界面可以清楚地看到压力和流量随时间的实时动态显示,试验者可以通过鼠标点击主界面的命令按钮来得知产品(被试泵)的各种测试性能和数据。如点击“产品信息”,即出现图12的产品信息界面,从产品信息界面,试验者可以容易地得到产品的基本信息及其质量等级。
6结束语
系统基于机、电、液一体化计算机智能控制的思想,采用交流变频调速技术、国内外先进水平的步进式数字溢流阀加载以及方便、快捷、友好的可视化操作界面,对低、中、高压液压泵进行静态与动态的性能测试,计算机集成化程度高,控制精度高,响应速度快,操作性能好。具有很好的实用性与通用性,同时适用于其他的液压系统。
摘自：中国计量测控网
