高壓脈沖試驗臺測控系統(tǒng)設計

朱煌慶

（第七一五研究所，杭州，310023）

液壓系統(tǒng)工作時，液壓閥的開關、液壓泵的起停、負載的變化均會產(chǎn)生嚴重的液壓沖擊，其強度往往數(shù)倍于系統(tǒng)工作壓力，輕則影響元件壽命，重則導致管路斷裂、元件失效等。因此對于系統(tǒng)中采用的一些重要元件，國家標準規(guī)定在使用前必須進行脈沖試驗。高壓脈沖試驗臺是進行壓力疲勞試驗必不可少的設備，我國高壓脈沖試驗還處在起步階段，1999年才頒布相應的標準。目前市場上高壓脈沖試驗臺設備還不齊全，沒有滿足試驗使用要求的現(xiàn)成設備，因此我們自行開發(fā)設計了一套高壓脈沖試驗臺系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計與組成

高壓脈沖試驗臺主要由液壓油源、脈沖控制裝置、增壓裝置、補油裝置、蓄能器以及被試件組成[1]。液壓回路的供油、回油與脈沖控制裝置的進、回油口相連，脈沖控制裝置及增壓器安裝于同一底座上。增壓器高壓出口與被試件通過硬管相連。

增壓缸作為脈沖試驗臺的重要組成元件，其元件性能和壽命直接影響著系統(tǒng)的整體可靠性。 圖1為高壓脈沖試驗臺示意圖。

圖1 高壓脈沖試驗臺示意圖

2 液壓系統(tǒng)與增壓原理

目前國內(nèi)現(xiàn)有的高壓脈沖試驗臺設備通常是采用高壓力、大流量的伺服閥方案。通過直接控制伺服閥電磁鐵電流周期和大小來控制脈沖壓力產(chǎn)生周期和大小，這種方案雖然在頻率控制方面比較方便，但并不能真正實現(xiàn)高壓，比如脈沖超過 50 MPa，伺服閥實現(xiàn)起來就比較困難。

本文采用增壓缸方式增壓，這種方案不但能在壓力上達到設計要求，增壓效果也比較明顯（一般采用低壓腔與高壓腔面積比系數(shù)較大的增壓缸）。圖2為高壓脈沖試驗臺液壓原理圖。

當?shù)蛪河蚉1進入增壓缸左端X時，活塞向右端Y運動，輸出高壓油P2，由靜壓平衡原理可知：

式中：P1為輸入低壓，P2為輸出高壓，A1為大活塞面積，A2為小活塞面積。由式（1）可得：

式中，K為增壓比系數(shù)。從式（2）中可知，A1與A2面積比越大，K值越大，增壓缸增壓效果越好。

系統(tǒng)增壓原理，液壓油從油源1-1、變量泵2、單向閥5-1、高壓過濾器6-1、進入液壓脈沖控制裝置，蓄能器9用于補充脈沖上升時所需要的瞬時流量，在脈沖曲線的工作壓力穩(wěn)定段和反壓段，油源將液壓能儲入蓄能器；在上升段，蓄能器則釋放儲存的液壓能，以產(chǎn)生所需要的上升斜率和峰值。手動溢流閥7-1為安全閥，限制泵源最高壓力。比例溢流閥控制泵源出口壓力大小，決定脈沖試驗臺初始壓力大小。液壓換向閥 10換向頻率由變頻器控制電機4-3轉(zhuǎn)速決定。

圖2 高壓脈沖試驗臺原理圖

3 電氣系統(tǒng)設計

3.1 電氣硬件系統(tǒng)設計

高壓脈沖試驗臺硬件系統(tǒng)由工控機、研華PCI-1716板卡、三菱PLC各模塊、壓力傳感器、Pro-face觸摸屏、二次儀表、施耐德繼電器、接觸器等硬件組成。圖3為硬件系統(tǒng)設計示意圖。

圖3 硬件系統(tǒng)設計示意圖

從圖3可知，控制系統(tǒng)主要依靠PLC模塊處理開關量輸入/輸出信號及模擬量輸入/輸出信號。Q02CPU模塊通過QX40輸入模塊監(jiān)視開關量傳感器信號輸入，通過QY10輸出模塊控制開關量信號輸出，通過Q68ADI模塊采集各壓力、溫度、液位傳感器4～20 mA模擬量數(shù)值，通過Q68DAV模塊輸出0～1.5 A電流值控制比例泵、比例閥大小。

3.2 軟件控制系統(tǒng)設計

軟件控制系統(tǒng)要求能完成整個試驗過程的自動控制，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。系統(tǒng)軟件以C ++Builder和三菱GX Works2作為開發(fā)環(huán)境，通過C ++Builder軟件編寫通訊協(xié)議程序、控制程序、研華數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)庫程序，實現(xiàn)對硬件測試平臺運行和數(shù)據(jù)采集的控制。通過三菱GX Works2軟件編寫通訊協(xié)議程序、低速數(shù)據(jù)采集程序、電機啟停程序。三菱QJ71C24N通訊模塊通過RS232串口通信方式與上位機通信，輔助上位機程序控制測控平臺。圖4為測控軟件整體結構圖。

圖4 測控軟件整體結構圖

圖5為系統(tǒng)閉環(huán)控制示意圖，采用壓力傳感器來檢測系統(tǒng)的壓力，以進行系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制。當系統(tǒng)實際壓力與給定值存在偏差時，出現(xiàn)壓力差，這個信號通過壓力傳感器反饋到系統(tǒng)內(nèi)，比較器得出壓力差值，PID控制器根據(jù)該差值給出控制量，經(jīng)比例放大板功率放大后驅(qū)動比例溢流閥，使被控對象壓力達到設定值[2]。

圖5 測控系統(tǒng)閉環(huán)控制示意圖

在測控系統(tǒng)閉環(huán)控制中，外部干擾也會引起一定的誤差，PI調(diào)節(jié)器可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但調(diào)節(jié)速度比較慢。PD調(diào)節(jié)器雖然反應速度比較快，但不能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。本系統(tǒng)采用增量式的PID控制算法，其控制算式為

式中，u(t)為控制器的輸出值，e(t)為測量值與設定值之間的差值，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常量，Td為微分時間常量，T為調(diào)節(jié)周期。

從式（3）中可以看出，要計算Δu(t)，只需要用到e(t)、e(t?1)、e(t?2)這3個偏差值，計算相對比較簡單，編程比較容易。圖6為高壓脈沖試驗臺軟件控制流程圖。

圖6 高壓脈沖試驗臺軟件控制流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證

由C ++ Builder軟件開發(fā)的人機界面可以顯示脈沖試驗波形，且設有三個選項，分別是暫停顯示、系統(tǒng)壓力、示波器模式[3]。暫停顯示選中后，當前測試數(shù)據(jù)不再動態(tài)刷新；系統(tǒng)壓力選中后顯示主泵出口壓力曲線；示波器模式下系統(tǒng)顯示全部通道的動態(tài)波形（在系統(tǒng)診斷、分析時有用）。圖7是高壓脈沖試驗臺測控系統(tǒng)實現(xiàn)的實物圖。

系統(tǒng)設計試制完成后，進行了系統(tǒng)性能的測試。圖8為試驗時產(chǎn)生的脈沖波形圖，試驗參數(shù)預設壓力峰值為60 MPa、頻率為20 Hz、沖擊次數(shù)為50000次。從圖中可以看出，脈沖波形能夠在一個周期內(nèi)達到預先設定的脈沖峰值，且脈沖峰值能夠持續(xù)產(chǎn)生，從而保障高壓脈沖實驗按預定要求開展，驗證了高壓脈沖試驗臺的性能。

圖7 高壓脈沖試驗臺測控系統(tǒng)實物圖

圖8 高壓脈沖試驗臺脈沖波形圖

5 結束語

高壓脈沖試驗臺系統(tǒng)采用增壓油缸方案，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率改變電機轉(zhuǎn)速控制液壓換向閥換向，實現(xiàn)增壓油缸增壓目的，較好地克服了伺服閥方案難于實現(xiàn)高壓力缺點。試驗頻率控制在 0～20 Hz、沖擊次數(shù)控制在0～50000次時，液壓系統(tǒng)脈沖壓力峰值達到了100 MPa，測試取得了預期效果。

[1]吳根茂, 邱敏秀, 王慶豐. 新編實用電液比例技術[M].杭州: 浙江大學出版社, 2006.

[2]張艷兵, 趙建華, 鮮浩.計算機控制技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.

[3]李幼儀, 甘志.C++Builder高級應用開發(fā)指南[M]. 北京: 清華大學出版社, 2002.