（机械电子工程专业论文）电液比例阀计算机检测系统的研究.pdf

济南大学硕十学位论史 摘要 在传统的电液比例阀检测方法，测试试验过程由人工实现，试验强度大，试验 精度低，试验数据误差大，因此无法保证测试数据的准确性，所以，传统的检测方 法往往无法满足实际要求。而电液比例阀计算机测试系统，是运用计算机测试技术， 对电液比例阀进行静、动态性能测试的系统。由于电液比例阀计算机检测系统，具 有以下特点： ( 1 ) 强大的软件功能优化t n 试系统硬件系统的构成，增强了测试系统的柔性、 通用性和适应性。 ( 2 ) 进一步提高tn 试准确度和可信度。 ( 3 ) 实现t n 试过程的自动化和提高了测试效率。 因此，电液比例阀计算机自动检测系统，能够提高电液比例阀的测试精度和工 作效率，消除人工干扰，确保了测试数据和控制过程的准确性；突破了传统检测系 统在数据处理、显示、传送、存储、打印等方面的限制，使检测结果输出迅速、直 观、准确。所以，电液比例阀计算机检测系统是测试电液比例阀的优选方案。 本课题所研究的电液比例阀计算机测试系统由液压试验台系统、硬件系统与软 件系统组成。 ( 1 ) 液压试验台系统设计 液压试验台系统由电液比例压力阀试验台和电液比例流量阀试验台组成。 ( 2 ) 测试系统的硬件设计 测试系统的硬件部分由测量传感器、二次仪表、信号调理器、数据采集卡、计 算机组成。传感器的输出信经过信号放大，通过数据采集卡采集到工控机中，实现 实时采集和显示。同时根据试验要求产生相应的控制信号，由输出卡输出，进行信 号放大后驱动执行机构进行相应的操作。 ( 3 ) 系统的软件设计 测试软件采用v b 语言编写。软件具有数据采集、数据处理、参数设置和通讯 等功能。其中数据采集功能，可以实时采集测试过程中的各种物理量；数据处理功 能包括对试验数据进行数据处理、实时绘制试验曲线、显示试验数据、求取动静态 性能指标、打印试验报表和数据保存管理等；参数设置和通讯功能包括设置试验给 定信号、输入被试阀的信息、设定系统压力、设置传感器的标定系数。 v 电液比例阀计剪机柃测系统的研究 关键词：电液比例阀；计算机辅助测试；静态特性；动态特性 v i 济南大学硕 。学何论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a le l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v et e s tm e t h o di sc h a r a c t e r i z e db y a r t i f i c i a li m p l e m e n t a t i o n ，h i g hi n t e n s i t y , l o wa c c u r a c ya n dt e s td a t ae r r o r s ，a n dt h e r e f o r e i tc a nn o tg u a r a n t e et h ea c c u r a c yo ft h et e s td a t a c o n s e q u e n t l y , t h et r a d i t i o n a lt e s t m e t h o di st m a b l et om e e tt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t si np r a c t i c e t h ec o m p u t e rs y s t e mf o r e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l v a l v et e s ti st ot e s tb o t ht h es t a t i ca n dt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e so fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l v a l v eb yc o m p u t e rt e c h n o l o g y i t s c h a r a c t e r i s t i c sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i t sp o w e r f u ls o f t w a r ef u n c t i o no p t i m i z e st h i st e s ts y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e a n de n h a n c e st h es y s t e m sf l e x i b i l i t y , v e r s a t i l i t ya n da d a p t a b i l i t y ( 2 ) i tp r o m o t e st h ea c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t yo fh y d r a u l i cp r e s s u r et e s t ( 3 ) i tr e a l i z e st h et e s ta u t o m a t i o na n di n c r e a s e st e s te f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h ec o m p u t e ra t o m i ct e s ts y s t e mo fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e w i l lg r e a t l yi n c r e a s et e s tp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y , e l i m i n a t ea r t i f i c i a li n f e r e n c ea sw e l l a se n s u r et h ea c c u r a c yo ft e s td a t aa n dc o n t r o l l i n gp r o c e s s n o to n l yw i l li tm a k e s i g n i f i c a n tb r e a k t h r o u g hi nd a t aa n a l y s i s ，d i s p l a y , t r a n s i t i o n ，s t o r e ，p r i n t i n ga n dt h el i k e ， b u ta l s ow i l lg u a r a n t e et h a tt h et e s t i n gr e s u l t sa rea b l et ob eo u t p u tr a p i d l y , i n t u i t i v e l y a n da c c u r a t e l y t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v et e s ts y s t e mi nt h i sr e s e a r c hi sm a d eu po f h y d r a u l i cp r e s s u r et e s t b e ds y s t e m ，h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m ( 1 ) c o n s t i t u t i o no fh y d r a u l i cp r e s s u r et e s t b e ds y s t e m h y d r a u l i cp r e s s u r et e s t b e ds y s t e mi sm a d eu po fh y d r a u l i cp r e s s u r et e s t b e df o r p r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v ea n dh y d r a u l i cp r e s s u r et e s t - b e df o rp r o p o r t i o n a lf l o wv a l v e ( 2 ) h a r d w a r ed e s i g no ft e s t i n gs y s t e m t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ew h o l et e s ts y s t e mi n c l u d e sm e a s u r e m e n ts e n s o r s ， s e c o n d a r yi n s t r u m e n t s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n c a r da n dc o m p u t e r a m p l i f i e ds i g n a l sa r ec o l l e c t e di n t oi p ct h r o u g ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d r e a l - t i m e a c q u i s i t i o na n dd i s p l a ya r ei m p l e m e n t e d a tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l s i g n a l s ，p r o d u c e di na c c o r d a n c e 谢t l lt e s tr e q u i r e m e n t sa l eo u t p u tf r o mo u t p u tc a r da n d v i i 电液比例阀计剪机榆测系统的研究 o p e r a t e db yt h ec o r r e s p o n d i n gd r i v e ri m p l e m e n t i n ga g e n c i e sa f t e rs i g n a la m p l i f i c a t i o n ( 3 ) s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n t h et e s t i n gs o f t w a r ei sw r i t t e ni nv bl a n g u a g e s t h es o f t w a r eh a sm a n yf u n c t i o n s ， s u c ha s ，d a t ac o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，p a r a m e t e rs e r i n ga n dc o m m u n i c a t i o n d a t a c o l l e c t i o nc a nc o l l e c tv a r i o u so fr e a l t i m ep h y s i c a lq u a n t i t i e si nt h et e s t i n gp r o c e s s d a t a p r o c e s s i n gf u n c t i o ni n c l u d e sd a t ap r o c e s s i n g ，r e a l t i m ec u r v er e n d e r i n g ，d a t ad i s p l a y , a c q u i s i t i o no ft h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c er a t i o ，t e s t i n gr e p o r tp r i n t i n ga n dd a t a s t o r ea n dm a n a g e m e n t p a r a m e t e rs e t t i n ga n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni st os e tg i v e n s i g n a l s ，i n p u tt h ei n f o r m a t i o no ft e s t e dv a l v e ，s e ts y s t e mp r e s s u r ea n dt h es e n s o r c a l i b r a t i o nc o e 伍c i e n t s k e y w o r d s ：e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ；c o m p u t e r - a i d e dt e s t ； s t a t i cp e r f o r m a n c e ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：戒：? ：宁! j日期：? 哆_ 型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：凼导师签名：越日期：麴z ：乡7 济南人学硕卜学位论文 舅i i iiii ；1 曼曼量曼皇! 曼曼蔓曼曼曼曼曼舅! 皇蔓曼曼曼曼! 曼曼曼曼 第一章绪论 电液比例阀广泛应用于电液比例控制系统，用于控制系统的压力、流量等参数 随输入电信号成比例地变化。因而，其具有良好的动、静态特性。传统的性能测试 方法精度低、载荷大、效率低。随着计算机技术的发展，计算机检测技术显示出一 系列优点：测试速度快、精度高、效率高等。因此，对电液比例阀计算机测试系统的 需求越来越迫切，本文将主要介绍系统的工作原理、系统组成和数据处理等内容。 1 1 电液比例阀的发展与特点 电液比例阀是一种根据输入的电信号，连续的、按比例的对油液的压力、流量 等参量进行控制的阀类1 1 。它不仅能实现复杂的控制功能，而且具有抗污染、低成 本、响应较快等优点，在液压控制工程中获得越来越广泛的应用。 1 1 1 电液比例阀的发展 电液比例技术的发展大致可以划分为四个阶段： ( 1 ) 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研 公司申请了压力和流量两项比例阀专利，是比例技术的诞生时期【l 】。这一阶段的比 例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以代替 开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控参 数的反馈闭环，其工作频宽仅在1 5 h z 之间，稳态滞环在4 - - - 7 之间，多用于开 环控制。 ( 2 ) 1 9 7 5 年到1 9 8 0 年间可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内 反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成 熟。比例元件的工作频宽已达5 一1 5 h z ，稳态滞环亦减小到3 左右。其应用领域 日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进 步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳 度精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，比例阀在 中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均己和工业伺服阀无异【2 1 。另一项重大 进展是，比例技术开始和插装阀相结合，已开发出各种不同功能和规格的二通、三 l 电液t t 例阀计贸机枪测系统的研究 通型比例插装阀，形成了8 0 年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器 件的小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代 的集成化趋势3 1 。第三个值得指出的进展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和 执行元件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代中后期开始，比例技术在固定工程设备上不断得到广泛应用 的同时，开始大量进入行走机械领域，各种节能的负载敏感控制、负载适应控制等 节能器件与系统日益增多。其次，作为比例阀家族新成员的高速开关阀，正从小流 量向中等流量发展，在快速性和结构简单可靠方面显示其优势。另一个重要的进展 就是适应电液比例闭环控制的快速增长需要，出现了在一个新层面上伺服技术与比 例技术的结合的产物，即伺服比例阀，使得比例技术与伺服技术的交融与整合更进 了一步。一方面在不同的层面上各得其所，扬长避短；另一方面，技术上进一步融 合，为达到未来的一个技术体系的目标打下了更牢固的基础。 1 1 2 电液比例阀的特点 ( 1 ) f i 邑实现自动控制、远程控制和程序控制4 1 。 ( 2 ) 能把电的快速、灵活等优点与液压传动功率大等特点结合起来。 ( 3 ) 能连续地、按比例地控制执行元件的力、速度和方向，并能防止压力或速度 变化及换向时的冲击现象【4 1 。 ( 4 ) 简化了系统，减少了元件的使用量。 ( 5 ) 制造简便，价格比伺服阀低廉，但比普通液压阀高。由于在输入信号与比例 阀之间，需设置直流比例放大器，相应增加了投资费用【4 1 。 ( 6 ) 使用条件、保养和维护与普通液压阀相同，抗污染性能好。 ( 7 ) 具有优良的静态性能和适当的动态性能，动态性能虽比伺服阀低，但已经可 以满足一般工业的要求【4 1 。 ( 8 ) 效率比伺服阀高。 ( 9 ) 主要用于开环系统，也可组成闭环系统。 1 2 电液比例阀计算机测试技术的原理和特点 随着机一电一液一体化技术的迅速发展，电液比例元件的应用也日益广泛。在 工程应用中，比例元件的性能优劣，对电液比例控制系统的控制精度、系统的稳定 2 济南大学硕 j 学位论文 性以及可靠性有着举足轻重的作用。确定和考核电液比例元件的性能参效、品质指 标就显得至关重要了。因此，工程技术人员，必须了解、甚至要掌握液压测试技术。 液压测试技术就是通过人的主观能动性和所具有的技术水平，将液压试验设备与测 量系统有机地结合起来，为有效地完成预定试验目的的整套技术。目前，在国内的 液压测试技术中，人工调试手段仍占多数。但是，近年来，由于计算机辅助测试( c a t ) 技术日臻成熟，它改变了传统的人工测试一统天下的技术状况，为微机在测试技术 中的应用开辟了新的途径。 1 2 1 电液比例阀计算机测试技术的原理 电液比例阀计算机测试技术，涉及电液比例阀、计算机、测试技术、数字信号 处理、信息等许多理论与技术。电液比例阀c a t 是利用计算机建立一套数据采集 和数字控制系统，结合液压试验系统，通过计算机对各种参数，如压力、温度、流 量、转速、扭矩等进行数据采集、量化和处理结果。在试验过程中，计算机还可以 根据信号反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机实时跟踪和控制 试验系统对象状态的目的，从而以快速，较高准确度、自动地完成对液压元件的性 能测试。 1 2 2 电液比例阀计算机测试技术的特点 ( 1 ) 强大的软件功能优化了测试系统硬件系统的构成，增强了测试系统的柔性、 通用性和适应性。采用虚仪器拟技术，取代了昂贵的测量仪器；计算机提供的周期 电信号的波形失真度低f 5 棚。 ( 2 ) 进一步提高了电液比例阀测试准确度和可信度。计算机强大的运算处理功 能，对试验数据进行复杂的处理，进一步提高了测试结果的准确度和可信度。 ( 3 ) 实现了测试过程的自动化，提高了测试效率。利用计算机和相关功能软件 建立的电液比例阀特性的测试系统，实现了电液比例阀稳、动态特性的自动测试； 计算机采样、存储数据速度快，运算速度高，数据分析处理能力高，大大缩短了测 试时间、有效提高了测试过程的自动化程度和效率。 ( 4 ) 便于与通讯技术、网络技术、数字控制技术和各种优化算法结合，实现数字 化、远程控制【5 - 6 1 。 因此，电液比例阀c a t 系统是测试电液比例阀的优选方案。 3 电液比例阀计算机柃测系统的研究 1 3 电液比例阀计算机测试系统的组成，系统方案和整体架构 1 3 1 电液比例阀计算机测试系统的组成 电液比例阀计算机测试系统由测量传感器、二次仪表、信号调理器、数据采集 卡、计算机与电液比例阀试验台组成。通过操作编制的测控软件，在测试过程中计 算机可对试验数据进行实时采集、显示、报表，绘制曲线图，同时可输出控制信号， 对系统进行实时控制，工况转换，实现测试过程的自动化阴。电液比例阀计算机测 试系统结构框图如图1 1 所示。 图1 1 结构框图 按功能单元划分，可将液压测试系统分为七个功能单元： ( 1 ) 能源单元 能源单元系指供电系统【4 1 。 ( 2 ) 试验装置单元 试验装置即液压试验台，它包括液压油源、管道、各类调节阀、电动机、转速 调节装置和加载装置等，还包括过滤器、热交换器等辅助装置【4 1 。 ( 3 ) 被试器件单元 系指被测试的电液比例元件。 ( 4 ) 信号源单元 信号源提供测试所需的激励信号，例如三角波、正弦被、方波等激励信号。 ( 5 ) 传感器单元 传感器单元是组成测量系统的主要部件。表征被试电液比例元件特性的物理 量，如压力、流量、电压、电流、转速、转矩、位移以及温度等参数，都需由相应 的传感器转化为电信号，然后经过放大、采集到计算机中。 ( 6 ) 数据采集及处理单元 该单元通过传感器采集试验数据，并对采集到的数据进行处理，获取被测元件 4 济南大学硕十：学位论文 的稳、动态特性的主要技术指标。它常由数据采集卡、测量放大器、滤波器、a d 或d a 转换器、计算机组成。 ( 7 ) 显示及记录仪器单元 显示及记录仪器单元包括各类模拟式或数字式显示仪表。 各功能单元的连接框图如图1 2 所示。 图1 2 各功能单元的连接框图 1 3 2 电液比例阀计算机测试系统方案 ( 1 ) 通用仪器方案。 ( 2 ) 普通计算机方案。 ( 3 ) 上、下位机检测与控制方案。 1 3 3 电液比例阀计算机测试系统的整体架构 整体架构如图1 3 所示。 ( 1 ) 液压试验台。 ( 2 ) 传感器。 图1 3 电液比例阀c a t 测控系统整体架构图 5 电液比例阀计算机柃测系统的石j f 究 ( 3 ) 数据采集卡是整个测控系统的的核心，它负责试验台的数据采集，及控制。 ( 4 ) 计算机是整个测控系统的数据处理中心。 1 4 本章小结 本章介绍了电液比例技术的发展、特点及趋势，阐述了液压计算机测试技术的 特点、组成、国内外发展现状及其趋势。介绍了本论文选题的目的和意义，提出了 本论文的主要研究方向和内容。 6 济南大学硕l ：学位论文 第二章液压试验台系统设计 根据试验的功能需求、精度要求及成本控制，并结合现有的技术水平，设计了 如下液压试验台。 2 1 电液比例压力阀试验回路 2 1 1 电液比例压力阀试验回路设计 设计的试验回路原理图如图2 1 所示。 鱼 7 1 叼 2 1，lr e 捌型 3 巨 4 - 1蛹同 罗罐d ：i ”c ip 4 3 目s j 州： 8 图2 1 电液比例压力阀试验回路原理图 1 液压泵2 溢流阀3 调速阀4 1 、4 2 、4 3 快速切换阀 5 - 1 、5 - 2 、5 3 压力传感器昏被试阀7 1 、7 2 流阀8 流量计9 温度计 2 1 2 试验台的各模块组成 该系统中的比例调速阀3 、进口快速切断阀4 1 及压力传感器5 1 构成压力阀 的进口加载装置，用于对比例压力阀( 含溢流阀) 的静态特性和动态特性进行测试。 该系统中的比例节流阀7 1 、节流阀7 2 、出口快速切断阀4 3 和( 压力传感器) 5 2 构 成压力阀的出口加载装置，用于对比例压力阀( 含减压阀) 的静态和动态特性进行测 试。上述进口加载装置和出口加载装置构成了比例压力阀的加载系统，可模拟比例 压力阀的各种负载工况。 2 2 电液比例流量阀试验回路 2 2 1 电液比例流量阀试验回路设计 设计的试验回路原理图如图2 2 所示。 7 电液比例阀计算机柃测系统的研究 34 15 14 25 2 9 图2 2 电液比例流量阀试验回路原理图 1 液压泵2 溢流阀3 温度计4 1 、4 2 压力传感器5 1 、5 2 压力表 6 被试阀7 1 、7 2 节流阀8 快速切换阀9 流量计 2 2 2 试验台的各模块组成 该系统中的溢流阀2 构成流量阀的进口加载装置，用于对比例流量阀的静态特 性和动态特性进行测试。该系统中的调速阀7 1 、调速阀7 2 、出口快速切断阀8 构 成流量阀的出口加载装置，用于对比例流量阀的静态和动态特性进行测试。上述进 口加载装置和出口加载装置构成了比例流量阀加载系统，可模拟比例流量阀的各种 负载工况。 2 3 本章小结 本章设计了电液比例阀的液压试验台回路，分为电液比例压力阀试验台和电液 比例流量阀试验台两个部分，能够模拟比例压力阀和比例流量阀的各种负载状况。 8 济南大学硕十学位论文 第三章测试系统的硬件设计 测试系统的硬件主要由各类传感器、执行机构、信号抗干扰电路、数据输入与 输出卡和工业控制计算机组成，如图3 1 所示。传感器变送的输入信号首先通过信 号抗干扰电路进行隔离和滤波，经过处理后的信号经数据采集卡转化为计算机能够 识别的标准数字信号后，送入计算机进行实时采集和显示。同时计算机根据试验要 求产生相应的控制信号，由输出卡输出，再经信号抗干扰电路后，驱动执行机构进 行相应的操作。 ，l压力传感器卜+ - i压力传感器卜 放 比 大 例 - l温度传感器卜+ 器数工 阀据 试 i温度传感器卜_ + 采控 验 集 厶 流量计显示仪表 卡 机口 i比例阀i 一 比例 放大 l比例阀卜一 器 3 1 传感器的选择 图3 1 电液比例阀测试系统的硬件系统框图 本课题设计的计算机测试试验系统实现对电液比例阀的测试，这就要求各被测 量能够转换为电信号采集到计算机中，以便控制程序能够实现对液压试验系统相关 元件的控制。系统中的所有压力、温度、流量等被测信息都要转换为电信号，输入 到计算机中。 为了规范模拟量的输入，在选择传感器时，我们要求其具有0 5 v 的电压变 送输出，这样，可以直接将采集的信号进行a d 转换，并送入工控机。为了提高传 感器信号传输过程中的抗干扰能力，系统中的压力传感器都选择了二线制的电流型 传感器，供电电压为1 0 3 0 v ，输出为4 - - 2 0 m a 电流。压力传感器的选型主要考 虑测量点和量程，传感器如图2 1 中的5 1 、5 2 ，图2 2 中的4 1 ，4 2 ，安装在电液 9 电液比例阀计算机柃测系统的研究 比例阀的进出油1 2 1 处，选用i m t - 3 3 7 6 0 8 6 0 0 1 型压力传感器，量程为0 - - 4 0 m p a 。 3 2 流量计的选择 试验系统中所用的流量计选用选用合服精大仪表厂生产的l c b a 15 g f 1 型椭圆齿轮流量计。仪表的参数如下： ( 1 ) 精度等级o 2 。 ( 2 ) 脉冲当量为：0 0 0 5 9 8 4 l p 。 ( 3 ) 输出最高频率：6 9 6 2 8 。 ( 4 ) 显示仪表为：e l 9 0 0 0 流量显示仪表。 用示波器观察l c b a i5 g f 1 型椭圆齿轮流量计的输出信号，如图3 2 所示。 可以看到输出为脉冲信号。从图中可以得出每两个脉冲信号之间的间隔代表 0 0 0 5 9 8 4 l ，如果能够获得两个脉冲信号之间的经历的时间间隔，就可以算出这段时 间内的流量。即流量q = ( ( 脉冲数1 ) x o 0 0 5 9 8 4 ) 时间间隔t 。 经过这样处理，可以省掉流量显示仪表，避免了显示仪表带来的输出延时。 3 3 系统控制器的选择 图3 2 流量计的输出信号图 对于自动控制系统来说，控制器的选择是硬件设计的核心，当前工业上应用的 的控制器很多，但总的来分，主要有4 种，下面我们分别予以介绍、对比： ( 1 ) 用单片机d s p 做控制器 所谓单片机就是将中央处理器( c p u ) 、随机存储器( r a m ) 、只读存储器( r o m ) 、 定时器计数器和一些输入输出( i o ) 接口电路集成在一块芯片或部分集成的微型计 算机，又可称为微控制器。其特点是控制能力强、体积小、功耗小、成本低。上述 1 0 济南大学硕十学位论文 单片机在工业、民用、军工等工程领域得到广泛的应用【8 1 。特别是随着数字技术 的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法，在软件和扩展接口支持下，单片 机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。 当前主要使用的单片机有m c s 5 1 、m c s 9 6 系列等。它们的最大特点是开发 简便、系统相对稳定、通用性强，但是处理速度偏慢，不适合实时大容量的数据处 理f 1 2 15 1 。在一些运算量大的领域一般采用d s p 作为主控制器，它的最大特点是运算 速度快，但开发相对复杂。 采用单片机d s p 系统的最大优点是体积小、批量生产成本很低；但是这类系统 的通用性不强，需要对每个硬件接口直接操作，开发周期长f 1 6 1 。 ( 2 ) 用嵌入式处理器做控制器 嵌入式系统是近年来微控制器发展的一个主流方向，嵌入式系统是以应用为中 心，以计算机技术为基础，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统【 一9 1 。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系 统以及用户应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等 功能。 它的主要特点有：对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短 的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度；具 有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，并且 有利于软件诊断；可扩展的处理器结构，能最迅速地开发出满足应用的高性能的嵌 入式系统；嵌入式微处理器必须功耗很低；与网络联系紧密，很多嵌入式操作系统 自带t c p i p 协议栈，极大方便了网络编程。目前常用的嵌入式处理器芯片有a r m 系列芯片。 ( 3 ) p l c 做控制器 可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体 的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通 常把p l c 认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。 p l c 的主要优点是可靠性高、适应性好、开发简单、接口功能强、扩充方便、 配置灵活，所以一般用在大型企业的生产线中或用作单件产品的控制器；但是它的 成本高，执行速度慢，不能用来做复杂的控制算法。 电液比例阀计算机干令测系统的研究 ( 4 ) 用工控机做控制器 工控机是工业控制微型计算机的简称，是在微型电子计算机特别是个人计算机 ( p c ) 的基础上发展出来的，并应用于工业控制领域的产物。它是通过对p c 机的加 固、改良，提高其抗恶劣环境的能力，再配以相应的工业控制应用软件和数据采集 卡的基础上实现的【2 0 1 。 它相对于p c 机的主要改进有：特殊设计的高可靠性电源装置，除了能适应较 宽的电压波动范围外，还可以承受瞬时浪涌冲击，保证工控机在电网不稳、电气干 扰较大的环境中也能可靠运行；高功率双冷风扇配置，一方面解决高温下的散热问 题，另一方面使机箱内始终保持空气正压，以减少粉尘侵入；全钢结构标准机箱和 减震、加固压条装置，在机械震动较大的环境中仍可能正常运行；废弃原p c 机所 采用的大母板结构而采用了多层无源母板，其抗震性能、分布参数、抗干扰性能十 分优越。开放式系统结构机箱内1 0 2 0 槽总线插座，可插入各种模板，而且模块化 的i o 模板已有上千种，可组成不同功能和档次的控制系统；采用标准化部件，硬、 软驱动器一般采用通用部件。元件均采用高档产品经过严格测试。所有部件均要求 进行老化试验，确保整机质量。 工控机相对于其它工业控制器的主要特点是软、硬件资源丰富，可随意选用， 硬件有很多通用的p c i i s a 插槽的板卡，可以实现不同功能，即插即用，十分方便， 省去了硬件开发的时间口1 】：工控机上可运行多种通用的程序开发环境，可方便的进 行软件开发；它的外围输入输出资源很多；它的运算速度快，可以进行复杂的控制 算法编程。 综上所述，我们选择工控机作为比例阀测试试验台的控制器。 由于要进行高速实时地波形显示与分析，较高的c p u 处理器速度是重要的前 提。其次，硬件配置和通讯接口的可扩充性是工控系统的重要指标2 2 1 。此外，考虑 到谐波补偿现场的特定环境，工控机的抗电磁干扰、防尘、可靠性等性能也是需要 考虑的【2 3 1 。因此本系统采用的工控机是研华生产的工控机，其c p u 主频为p 41 8 g ， 内存为2 5 6 mb y t e ，硬盘4 0 g ，有鼠标及键盘输入，带有光盘驱动器及软盘驱动器、 带有p c i 插槽及i s a 插槽，采用1 7 寸纯平彩色显示器，具有高分辨率和刷新率。 3 4 数据卡的选型 输入输出卡选用研华的p c i 1 7 11 和p c l 8 18 l 。 1 2 济南大学硕卜学位论文 1 ) p c i - 1 7 1l p c i 1 7 1 1 是一款功能强大的低成本多功能p c i 总线数据采集卡。p c i 1 7 1 1 有2 路模拟量输出通道。p c i 1 7 1 1 完全符合p c i 规格r e v 2 1 标准，支持即插即用。在 安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和d i p 拨码开关。实际上，所有与总线相关 的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。p c i 1 7 1 1 有一个自动通道 增益扫描电路。在采样时，这个电路可以自己完成对多路选通开关的控制。用户可 以根据每个通道不同的输入电压类型来进行相应的输入范围设定。所选择的增益值 将储存在s r a m 中。这种设计保证了为达到高性能数据采集所需的多通道和高速采 样( 可达1 0 0 k s s ) 。p c i 1 7 1 1 特点： ( 1 ) 1 6 路单端模拟量输入。 ( 2 ) 1 2 位a d 转换器，采样速率可达1 0 0 k h z 。 ( 3 ) 每个输入通道的增益可编程。 ( 4 ) 自动通道增益扫描。 ( 5 ) 卡上1 k 采样f i f o 缓冲器。 ( 6 ) 2 路1 2 位模拟量输出。 ( 7 ) 1 6 路数字量输入及1 6 路数字量输出。 ( 8 ) 可编程触发器定时器。 2 ) p c l 818 l 数据采集卡 研华p c l 8 1 8 l 数据采集卡是一款多功能的数据采集卡，它是针对 i b m p c x t a t 以及其他兼容机设计的，机箱中有a s i c 插槽的计算机都可以方便 的使用。它为用户提供了1 6 路模拟信号输入通道，可以通过跳线开关设定为1 6 个 单通道信号输入或8 个通道差分信号输入；1 2 位a d 转换率；提供最大为4 0 k h z 采样速率( 在直接数据传输模式下) ；通过跳线开关和软件相结合可提供8 种模拟 量输入范围；1 路1 2 位模拟量输出通道，跏的转换速率以及1 6 路数字量输入和 1 6 路数字量输出通道。并可以实现在多通道采样时为每路通道设置不同的增益以及 单端和差分输入的自由组合。同时该卡支持三种a d 转换的触发方式：软件触发、 内部定时触发和外部定时触发。软件触发允许用户在需要采样时触发采样；内部定 时触发不断获得高速采样数据，外部定时触发，允许用外部设备实现同步采样。 p c l 8 1 8 l 的特点： ( 1 ) 可通过跳线配置为1 6 路单端或8 路差分模拟量输入。 1 3 电液比例阀计算机柃测系统的研究 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼璺曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼ii 曼曼皇曼曼! 舅舅! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼量曼曼曼曼曼量 ( 2 ) 1 2 位a d 转换器，最高采样速率1 0 0 h z ( d m a 方式) 。 ( 3 ) 每个输入通道的输入范围可通过软件单独设置，这个设置保存在板卡的 r a m 中。 ( 4 ) 可通过软件选择输入范围： 双极性：士0 6 2 5 v ，4 - 1 2 5 v ，士2 5 ，+ 5 v ，+ 1 0 v ； 单极性：肛1 2 5 v ，0 - - 2 5 v ，叽5 v ，0 1 0 v 。 ( 5 ) 3 种a d 触发方式：软件触发，p a c e r 触发，外部触发。 ( 6 ) a d 转换后数据转移方式：软件查询，中断方式，d m a 方式。 ( 7 ) 采用i n t e l 8 2 5 4 可编程定时器计数器芯片，可提供触发脉冲频率从0 0 0 0 2 3 h z 到2 5 m h z ，时基可用跳线选择1 0 m h z 或1 m h z 。 ( 8 ) 1 6 路数字量输入及1 6 路数字量输出，所有通道均为1 v r l 电平。 ( 9 ) 1 路1 2 位模拟量输出通道，输出范围可通过选择基准电压为5 v 或1 0 v 输 出5 v 或1 0 v ，当然也可以选择不同的基准电压源( a c 、d c ) 输出不同的电压 范围。 3 5 比例放大器的选择 比例放大器的作用是将工控机输出的控制信号放大后，输入到电液比例阀的比 例电磁铁，驱动比例电磁铁的动作，控制电液比例阀阀口的大小，从而实现对电液 比例阎的控制2 4 - 2 5 1 。在这里我们选用双通道比例放大器d t - 1 2 g 2 4 。它的技术参数 为：直流电源输入d c 2 4 v ，最大输出电流1 5 a ，控制信号0 1 0 v ，负载阻抗：5 4 0 欧，缓冲信号上升下降时间o 2 0 2 s 可调，颤振信号的幅值可调。双通道比例 放大器的各引脚功能与接线方式如图3 3 所示。 1 4 济南大学硕卜学位论文 曼皇曼曼_ 一_ m m m i mi 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼笪曼曼曼! 曼笪曼曼 图3 3 双通道比例放大器的各引脚功能与接线方式 3 6 电气系统的抗干扰措施 试验台系统在试验时通常需要长时间连续工作，工作现场强电设备多，如电机。 这些干扰的影响不能消除会大大降低测试的准确性，所以必须采取一定的抗干扰措 施，包括硬件和软件抗干扰技术。 ( 1 ) 采用强弱分离方案。 在大型的电气工程系统中，最大的干扰源通常来自强电系统，所以在本系统的 电气设备布线设计过程中，我们严格按照强电一弱电分离的原则，强电和弱电的供 电采用不同的线路，避免供电干扰 ( 2 ) 采用模数分离方案。 经验表明，一般模数混合系统中，数字部分的干扰量比较大，而且随着频率的 增加而增加，会对模拟部分产生影响。将弱电的模拟部分与数字部分全部分离，使 数字部分对模拟部分的干扰减到最小。 3 7 本章小结 本章设计了电液比例阀计算机测试试验系统的硬件系统，对系统中用到的的传 1 5 电液比例阀计算机柃测系统的研究 感器、比例放大器、流量计和计算机等进行选型，并完成硬件系统电路的联结。设 计的硬件系统能够保证测试系统中的所有压力、温度、流量等被测物理量准确的输 入到计算机中；同时计算机产生相应的控制信号，通过硬件系统可以精确地对比例 阀进行控制。 1 6 济南大学硕t 学位论文 第四章系统的软件设计 软件部分是本课题的核心部分，能够提高系统的自动化程度，而且能够充分利 用计算机软硬件资源，从而将自动测控过程中存在三大要素_ 人、计算机、数据有 机地联系在一起，极大地提高了测试系统效率，降低了操作人员的工作强度【2 6 1 。计 算机测试系统的软件系统，在测试过程中对试验数据进行实时采集、显示、报表， 绘制曲线图，同时可输出控制信号，对系统进行实时控制，工况转换( 即根据比例阀 的特性需要在不同压力下实现流量的连续可调，或在不同流量下实现压力的连续可 调【2 7 - 3 1 1 ) 。 因此比例阀计算机测试系统系统软件的设计遵循以下原则： ( 1 ) 自动化程度高。以测试和控制功能的一体化作为设计核心。计算机自动完成 不同种类比例阀的测试功能，并对采集的信号进行处理，并且由计算机自动求出被 试阀的各种性能指标【3 2 1 ，从而消除了人工读取数据计算性能指标而造成的随机误 差。 ( 2 ) 人机界面始终保持一致，友好并且使用方便。软件设计采用虚拟仪表技术， 能够实时显示试验数据，绘制试验曲线，打印试验报表，保存试验数据。 ( 3 ) 输入、输出数据尽可能接近实际，并运用数字滤波技术对试验数据进行处理， 很好地解决了压力、流量传感器及电流、位移信号的滤波，具有很强的抗干扰能力， 使系统具有较强的容错功能。 ( 4 ) 具有实时工况监测能力和实时数据分析处理能力。 ( 5 ) 为将来的远程测控提高必要的网络接口。 4 1 软件开