基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统图文精.docx
《基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统图文精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统图文精.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统图文精
第18卷第4期2005年12月
传感技术学报
CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS
Vol.18No.4Dec.2005
VirtualInstrumentBasedCATSystemforTestingofStaticand
DynamicCharacteristicsofElectrohydraulicProportionalDirectionalValve
JIANGWanlu,NIUHuifeng,ZHAOChunyan,YANLibin
（MechanicalEngineeringCollegeofYanshanUniversity,QinhuangdaoHebei066004,China
Abstract:
Apressuredifferencefeedbackclosedloopcontrolisusedtokeepthevalvepressuredifferenceinvariantduringthetestingoftheflowcharacteristicoftheelectrohydraulicproportionaldirectionalvalve.Thefluctuationofpressuredifferenceiscontrolledwithin5%.Itaccordswiththenationalstandards.Byuseofthevirtualinstrumenttechnology,thetestingoftheoverallpropertiesincludingstaticanddynamiccharacteristicsoftheelectrohydraulicproportionaldirectionalvalveisrealized.Thestaticcharacteristicscomprisethesteadystateflowcharacteristic,thepressuregaincharacteristic,theloadflowcharacteristicandtheflowpressuredifferencecharacteristic.Thedynamiccharacteristicsconsistofthefrequencycharacteristicandthestepresponsecharacteristic.Theactualtestingresultsofcertainelectrohydraulicproportionaldirectionalvalveareoffered.
Keywords:
electrohydraulicproportionaldirectionalvalve;characteristictesting;virtualinstrument;staticcharacteristic;dynamiccharacteristicEEACC:
7230;7320
基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统
姜万录,牛慧峰,赵春艳,闫立彬
（燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004
收稿日期:
20041223
基金项目:
河北省教育厅博士基金资助项目（132004128
作者简介:
姜万录（1964,男,工学博士,教授,博士生导师,中国人工智能学会智能控制与智能管理专业委员会委员,主要研
究领域为现代检测技术、控制理论与应用、智能信息处理,发表论文80余篇,出版著作4部。
主持完成科研项目10
余项,其中获国家科技进步二等奖一项,省部级科技进步一、二等奖各一项,wljiang@;牛慧峰（1977,男,硕士学位研究生,研究领域为液压测试技术;赵春艳（1978,女,硕士学位研究生;闫立彬（1951,男,实验师。
摘要:
首次采用压力传感器构成压差反馈闭环控制,解决了电液比例方向阀稳态流量特性测试时阀压降恒定问题,使其在
测试过程中阀压降波动控制在国标规定的5%以内。
采用虚拟仪器技术实现了对电液比例方向阀的静动态综合特性测试,主要包括静态特性的稳态流量特性、压力增益特性、负载流量特性、流量压降特性和动态特性的频率特性、阶跃响应特性,并给出了某电液比例方向阀各种特性的实测结果。
关键词:
电液比例方向阀;性能测试;虚拟仪器;静态特性;动态特性中图分类号:
TH137
文献标识码:
A文章编号:
10059490（200504084505
电液比例阀与电液伺服阀相比,具有抗污染能力强、控制方式多样和廉价等特点,在国内外赢得了
广泛的应用领域。
但在液压元件测试技术中,比例阀的测试难度较大。
传统的比例阀测试过程如下:
用信号发生器根据试验要求产生三角波控制信号输入比例放大器,使比例阀阀芯发生移动。
受控的压力、流量等被测量通过相应的传感器测定并输入到X-Y记录仪上,这样就可以得到受控参量（压力、流量等与控制信号（阀电磁铁线圈电流之间的反映比例阀性能的特性曲线[1]
。
随着数字电子技术和计算机技术的发展,出现了大量的数字式测量仪器,用来对信号进行测量、分析、处理。
数字测量系统在数据可靠性、测量速度和精度等方面较之模拟测量系统有很大的提高,但是这些仪器价格昂贵,难以普及应用。
本文研发了基于LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的比例阀静态和动态特性综合CAT系统,采用微机+AD/DA采集卡及相应传感器、变换电路组成信号发生和采集的硬件系统,结合编制的专用软件组成基于虚拟仪器的比例阀测试CAT系统,代替那些价格昂贵的测试仪器[2]。
应用于教学和科研试验,取得了良好的效果。
1系统结构及功能
电液比例阀综合性能CAT系统由测量传感器、二次仪表、信号调理器、数据采集卡、计算机和电液比例阀试验台组成,图1为其液压系统原理图,
测
图1液压系统原理图
1-比例溢流阀（P口调压;2,3,4,5-压力传感器;
6,7-比例溢流阀（模拟加载;8-流量计
试系统原理如图2
所示。
图2测试系统原理
通过操作所开发的测控软件的虚拟仪器前面板,在测试过程中计算机可以输出控制信号,对系统进行实时控制、测试工况转换;同时可对试验数据进行实时采集、数据处理、绘制并显示实测特性曲线图,实现了测试过程的自动化。
1.1硬件构成
!
被试阀（Atos公司,DHZO-T-051-L5/Y;∀微型计算机（PIV1.8G-CPU,256M内存,40G高速硬盘;#比例放大器（Atos公司,E-ME-T-01H;∃PCI-6024E数据采集卡（NI公司;%流量计（LC-11/DN40;&压力传感器（PT-S型,量程40MPa;∋稳压电源（WYK-302B2;（信号整形电路（自制。
1.2测控软件的特点
该测试系统的软件部分采用虚拟仪器开发软件平台美国NI公司的虚拟仪器图形编程语言LabVIEW,它是一个大型的虚拟仪器系统开发平台,具有界面直观、便于开发、调试轻松、易于学习和掌握的特点。
以该软件为中心,利用计算机强大的计算、显示、和连接能力,在屏幕上组建自己的仪器、仪表,体现了软件就是仪器的新概念。
本测试系统采用LabVIEW5.11,在Windows2000操作系统下编制。
采用模块化程序设计思想,每个特性曲线测试程序以独立操作面板的方式出现。
2测试系统存在的问题及解决方法
2.1传感器、显示仪表、数据采集处理环节的抗干
扰措施系统的抗干扰能力是影响计算机辅助测试系统精度和可靠性的重要因素,在计算机辅助测试系统中包含许多噪声源。
归纳起来,主要有传输噪声、固有噪声和干扰噪声。
形成干扰噪声有3个条件:
噪声源、耦合通道或介质和接收电路。
解决噪声问题必须去除、减少或转移这3个条件中的一个或几个。
（1屏蔽措施对具有低功率、高速以及高分辨率的测试系统,微小的杂散电容将会对电路产生严重的干扰。
为此在测试系统中,采用以下屏蔽措
846传感技术学报
2005年
施:
每一个被测信号都使用独立的屏蔽电缆,每一屏蔽层都连接到其自身的参考电位上;屏蔽电缆单端接地,因为两端地之间的电位差将产生一个屏蔽电流,这一屏蔽电流通过电感性耦合,将在中心导体上感应一噪声电压。
为了减小以磁场形式引起的噪声（即电感性耦合噪声,采用了减小接收电路面积,通过最佳布线来减小耦合。
电流信号长线传输使用了双绞线等技术措施。
（2接地措施计算机辅助测试系统是一个既有模拟电路又有数字电路的复杂系统。
混合接地会在数字电路与模拟电路之间引起几百毫伏的噪声电压干扰。
在本测试系统中,模拟、数字电路分别采用独立的接地回路,使测试系统有独立的模拟地和数字地,且每一电路模块都有自己的接地点。
这种接地方法可使电路系统原有的上百毫伏的噪声电压下降到几个毫伏。
2.2被试阀压降保持恒定的闭环控制
流过一节流控制阀口的流量为:
Q=CdA（x2P/（1式中:
Cd阀口流量系数;
A（x阀口节流面积;
x阀芯位移;
P阀口压降;
油液密度。
受控流量取决于阀芯位移x和阀口压降P。
在国标中比例方向阀的稳态流量控制特性试验要求阀压降基本恒定。
但阀芯移动引起流量变化时,使阀压降不能保持恒定。
本系统用压力传感器构成压力闭环来解决这一问题。
采用图3所示方案,原理是利用进出口压差形成负反馈,去调节系统压油口比例溢流阀1,从而最终保证比例方向阀进出口压差恒定[3]。
图中PS和PT为图1中P口和T口压力。
该方案有以下特点:
!
不影响回油路流量计的安装和被试阀的回油口流量检测;∀不改变国标规定的被试阀的试验工况;#闭环控制精度高。
3比例阀性能测试原理
3.1静态特性测试
（1稳态流量特性
本特性测试的关键是在试验过程中保持比例阀压降为恒定,通过一个PI调节的压差反馈控制,随着被试阀阀芯开口变化,随时控制输入到图1中比例溢流阀1比例电磁铁的电流,来调节P口压力,从
而达到保持恒定P的目的。
图4为压差反馈控制
图3压差反馈控制
前面板,从图中可见方向阀压差稳定在4MPa附近,压力波动稳定在国标规定的5%以内。
图4压差反馈闭环控制前面板
测试时,先运行这个程序,调节KP和Ti使阀压降调定在给定值,再运行稳态流量特性测试程序。
这样就可以保证在测试过程中保持阀压降恒定。
此时,虚拟仪器信号源产生超低频三角波信号,使阀口逐步开大又逐步关小,这时通过阀口的流量逐步增大又逐步减少,采集回来的流量脉冲信号经方波整形电路整形后输入采集卡计数通道,通过程序运算算出给定时间的平均流量,由虚拟的X-Y记录仪显示出稳态流量特性曲线,测试结束。
（2压力增益特性
测试时,先关闭图1中截止阀9,相当于负载无穷,再调定一定的供油压力（如10MPa,运行压力增益特性测试程序,虚拟仪器发出超低频三角波,使阀口逐步开大又逐步关小,随着阀口开度变化,A口压力发生变化,采集回来的压力信号,经程序运算绘
847
第4期姜万录,牛慧峰等:
基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统
制出压力增益特性曲线,测试结束。
（3负载流量特性
测试时,先切断图1中A口比例溢流阀6的比例放大器的输入线,改用虚拟仪器编程控制逐步增加输入比例溢流阀6比例电磁铁的电流,相当于逐步加载。
改变不同的被试阀阀口开度,可得到一簇曲线,反映了通过阀的流量随负载变化的关系。
（4流量压降特性
此特性是当被试阀阀口开度最大时,被试阀压降的变化和通过阀流量的变化关系。
作此测试时,先断开图1中P口比例溢流阀1的比例放大器输入线,改用虚拟仪器编程控制逐步增加输入比例溢流阀1比例电磁铁的电流,这样逐步改变供油压力,从而被试阀压降也逐步改变。
阀压降是通过采集A、B、P、T口的压力信号送入计算机,经过虚拟仪器运算得出的,再通过采集流量计发出的脉冲个数,算出该压降对应的流量值,由虚拟的X-Y记录仪绘制出流量压降特性曲线,测试结束。
3.2动态特性测试
（1频域特性
元件或系统的频率特性等于输出信号的傅立叶变换与输入信号的傅立叶变换之比:
H（f=Y（f/X（f（2用复数级坐标形式可表示为:
H（f=|H（f|e-j
（f
（3
式中:
|H（f|称为幅频特性;（f称为相频特性。
也就是说,当被试阀的输入信号为振幅不变而频率按不同规律变化的正弦信号时,其输出信号必然也是同频率的正弦信号,只不过振幅和相位有变化而已。
输入与输出信号的振幅比随频率的变化就是幅频特性;两者之间的相位差随频率的变化就是相频特性。
本系统频率特性测试采用的是扫频法和相关积分原理,如图5所示,sin!
t为虚拟仪器信号源产生的5~90Hz的正弦扫频信号,Asin（!
t+
为被试
图5扫频法算法原理框图
阀阀芯位移响应信号。
响应信号经过A/D转换后,
输入计算机,由虚拟仪器进行相关的运算,得出幅值
比和相位差,绘制出波德图。
（2时域特性
输入比例电磁铁为阶跃电流信号,输出为阀芯位移响应（由阀内部的位移传感器测得阀芯位移信号,数据采集卡采回响应信号后,经程序运算绘制出阶跃响应特性曲线。
4测试结果与分析
用此CAT系统对DHZO-T-051-L5/Y型电液比例方向阀（单向换向进行了测试,得到结果如下:
图6、7、8、9为静态特性测试曲线,图10、11为频率特性测试曲线（扫频法,图12为时域特性测试曲线。
如图6所示为实测稳态流量特性曲线,虚线为实测结果,实线为拟合后的结果,可以看出此阀有一定的死区。
图6稳态流量特性曲线
如图7所示为实测压力增益特性曲线,阀有一定的死区,当输入电流为4.3mA时,压力急剧上升,迅速达到供油压力10MPa,表明此阀的压力增
益特性很好;当阀口逐步关小时有一定的滞环。
图7压力增益特性曲线
如图8所示为实测负载流量特性曲线,实线为拟合后的曲线,表明了在不同的被试阀阀口开度下
848
传感技术学报
2005年
的流量和负载的关系。
图8负载流量特性曲线
如图9所示为实测流量压降特性曲线,实线为拟合后的曲线,表明了被试阀阀口最大时,阀压降与
对应的最大流量的关系。
图9流量压降特性曲线
如图10、11所示为实测幅频特性和相频特性曲线,该阀幅频宽为51Hz左右,相频宽为60Hz左
右。
图10幅频特性曲线如图12为给比例电磁铁输入最大阶跃电流信号时,实测阀芯位移阶跃响应特性曲线,虚线为输入
信号,
实线为响应信号。
由于该阀内部有阀芯位移
图11相频特性曲线
反馈构成的闭环,所以没有出现振荡现象。
该比例
阀表现出过阻尼二阶特性。
图12阶跃响应特性曲线
5结束语
本系统首次利用进出口压差形成负反馈,去调节系统进油压力,从而最终保证比例方向阀进出口压差恒定,使在测试过程中阀压降波动控制在国标规定的5%以内。
基于虚拟仪器的电液比例阀的综合性能CAT系统的研制和使用,充分发挥了现代计算机的优势和软硬件资源,使电液比例阀性能测试便捷、有效。
将虚拟仪器技术应用到液压元件性能测试中,使测试技术和计算机技术深层次结合,推动了基于个人计算机的自动测试系统的不断完善和发展。
参考文献:
[1]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京理工出版社,1998:
21902193
[2]王燕山.基于虚拟仪器的电液伺服阀静动特性CAT理论与实
验研究[D].燕山大学硕士学位论文,2001
[3]王渝,肖凯鸣,王向周,白志大.电液控制元件性能检测系统
[J].北京理工大学学报,1997:
307314
849
第4期姜万录,牛慧峰等:
基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统
升级会员 