丁海港 趙繼云 沈剛 陳飛 楊寅威

摘? 要 針對目前電液比例控制實驗系統(tǒng)功能單一、操控困難、不易二次開發(fā)、無法滿足教學需求的問題，研制閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以改變控制模式，開展泵控馬達、閥控馬達、閥-泵并聯(lián)控制馬達等多種電液比例調(diào)速實驗。設計閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)，闡述其結(jié)構(gòu)和工作原理，建立基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統(tǒng)，并將此實驗平臺用于電液比例控制的實驗教學，有效提高學生的實踐能力，促進電液比例控制課程建設。

關(guān)鍵詞 閥-泵并聯(lián)變模式;電液比例控制;液壓調(diào)速系統(tǒng);實驗教學;LabVIEW;虛擬儀器技術(shù)

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0114-04

1 引言

電液比例控制技術(shù)是在以開環(huán)傳動為主要特征的傳統(tǒng)液壓技術(shù)和以閉環(huán)控制為主要特征的電液伺服控制技術(shù)的基礎上，為適應一般工程系統(tǒng)對傳動與控制特性提出的更高要求，采用比例閥或比例泵作為電液控制元件的新興液壓控制技術(shù)[1-2]。電液比例控制技術(shù)是連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率的液壓傳動之間的橋梁，已被廣泛應用于工程機械、礦山機械及國防尖端產(chǎn)品等領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制工程的基礎技術(shù)之一[3-5]。目前美國普渡大學、德國亞琛工業(yè)大學以及國內(nèi)的浙江大學、燕山大學、中國礦業(yè)大學均將電液比例控制技術(shù)作為機械工程專業(yè)學生的專業(yè)課程，以培養(yǎng)機電液控制復合人才[6-8]。

電液比例控制實驗系統(tǒng)是開展電液比例控制教學，培養(yǎng)機電液控制復合人才的重要保障。電液比例調(diào)速實驗是必開實驗之一，但目前的實驗系統(tǒng)功能單一，只能進行閥控或泵控實驗，而且界面不友好，操控困難，且不易二次開發(fā)，無法滿足教學需求[9-10]。針對這些問題，中國礦業(yè)大學電液控制團隊研制了閥-泵并聯(lián)電液比例調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)界面友好，易于操控和二次開發(fā)，可以改變控制模式，開展泵控馬達、閥控馬達、閥-泵并聯(lián)控制馬達等多種電液比例調(diào)速實驗，有效提高電液比例控制課程教學質(zhì)量。

2 閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)設計

如圖1所示，閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)主要由比例泵控馬達單元、比例閥控馬達單元、加載單元、測控單元、切換單元組成，主要元器件及其參數(shù)見表1。

比例泵控馬達單元是閉式回路，主要由14-補油電機-泵組、1-閉式電比例變量泵、3-電比例變量馬達組成。補油電機-泵組為閉式系統(tǒng)向閉式泵控馬達閉式回路供油，以補充系統(tǒng)泄漏，通過調(diào)整變量泵或者變量馬達的排量，調(diào)節(jié)變量馬達的轉(zhuǎn)速。

比例閥控馬達單元是開式回路，主要由13-閥控油源、7-比例方向閥組成。閥控油源為比例方向閥提供恒壓油源，通過調(diào)整比例方向閥的開度，就可以調(diào)節(jié)變量馬達的轉(zhuǎn)速。

加載單元主要由6-轉(zhuǎn)動慣量、8-加載泵、9-比例溢流閥、10-加載電機-補油泵組組成。通過改變慣量的大小，實現(xiàn)慣量加載;通過調(diào)節(jié)比例溢流閥的溢流壓力，實現(xiàn)負載力矩的加載。

測控單元主要有2-流量傳感器、12-壓力傳感器、5-轉(zhuǎn)速扭矩儀及變模式控制器，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和模式切換。

切換單元包括15-L型三通截止閥、16-二通截止閥、17-梭閥。通過切換截止閥的位置，可實現(xiàn)閥控馬達、泵控馬達、閥-泵并聯(lián)控制馬達。截止閥狀態(tài)與控制模式關(guān)系見表2。

閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)是多輸入單輸出系統(tǒng)，可以處于多種工作模式。當處于泵控模式時，通過調(diào)節(jié)變量泵或變量馬達的排量，以控制馬達的轉(zhuǎn)速;當處于閥控模式時，通過調(diào)節(jié)比例方向閥的開度，以控制馬達的轉(zhuǎn)速;當處于閥-泵并聯(lián)模式時，轉(zhuǎn)速進入馬達的流量等于泵的流量和閥的流量之和，泵控和閥控共同調(diào)節(jié)馬達的轉(zhuǎn)速。閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)，建立了控制結(jié)構(gòu)依控制要求而變的靈活的控制機制，可充分發(fā)揮閥控、泵控各自的優(yōu)勢，改變了目前液壓調(diào)速方式選擇的單一性和簡單化，豐富了液壓系統(tǒng)的方式，使電液控制系統(tǒng)更具靈活性和適應性，將有望提高大功率液壓調(diào)速系統(tǒng)的綜合性能。

3 基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統(tǒng)

虛擬儀器技術(shù)是儀器領(lǐng)域的一次變革，利用“硬件虛擬化、軟件化”的思想，以便最大限度降低成本，并增加系統(tǒng)的功能與靈活性。利用美國NI公司研發(fā)的LabVIEW平臺開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統(tǒng)（見圖2），其主要包括工控機、采集卡、傳感器、測控程序。通過傳感器測量馬達轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、泵及比例閥的流量等信號，通過采集卡采集傳感器信號，然后傳輸進入工控機，以進行數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲、變結(jié)構(gòu)控制，最后采集卡分別輸出信號到變量泵、控制閥、比例溢流閥，實現(xiàn)多模式控制和系統(tǒng)加載。

4 實驗教學應用

在江蘇高校品牌專業(yè)建設工程、江蘇省自然基金項目、中國礦業(yè)大學教育教學項目等項目的資助下，研制閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)（見圖3），其主要由泵站、電液控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)臺組成，系統(tǒng)總功率180 kW，流量250 L/min，壓力25 MPa。利用該實驗系統(tǒng)可進行閥-泵并聯(lián)控制馬達閉環(huán)調(diào)速實驗[11-12]（見圖4），各調(diào)速階段的控制模式為：在低轉(zhuǎn)速運行階段，采用泄油式并聯(lián)閥控模式，以提高馬達轉(zhuǎn)速的低速平穩(wěn)性;加速和減速階段，采用并聯(lián)泵控模式，以保持系統(tǒng)的高效率;在勻速階段，采用補油式并聯(lián)閥控，以實現(xiàn)馬達轉(zhuǎn)速對階躍負載干擾的快速調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果表明，閥-泵并聯(lián)變模式比例調(diào)速系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和速度跟蹤特性，提高了大功率液壓馬達調(diào)速的綜合性能，如啟停平穩(wěn)性，對負載干擾的快速調(diào)節(jié)特性，以及系統(tǒng)的高效率。

目前，該實驗系統(tǒng)已成為電液比例控制課程主要的實驗設備，開設的實驗主要有變量泵控定量馬達、定量泵控變量馬達、閥控馬達、閥-泵并聯(lián)控制馬達實驗，虛擬儀器測控實驗，電液比例智能控制實驗。通過以上實驗，貫通了機械工程專業(yè)學生在機械傳動、液壓傳動、電氣傳動、自動控制等方面的理論知識，使學生更加深入了解電液比例調(diào)速系統(tǒng)與控制技術(shù)，提高了學生對復雜機電系統(tǒng)設計、搭建、分析的能力，增強了綜合利用機電液一體化技術(shù)進行創(chuàng)新的能力和實踐能力。

5 結(jié)語

針對目前電液比例調(diào)速實驗系統(tǒng)功能單一、操控困難、不易二次開發(fā)的問題，研制閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)，豐富了電液比例控制實驗教學資源。該實驗系統(tǒng)可通過改變控制模式，實現(xiàn)泵控馬達、閥控馬達、閥-泵并聯(lián)控制馬達等多種電液比例調(diào)速實驗;同時基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)測控系統(tǒng)，以便于系統(tǒng)的二次開發(fā)。將閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)用于實驗教學，促進了電液比例控制課程建設，有效提升了機械工程專業(yè)學生的綜合實踐能力、創(chuàng)新能力，有利于培養(yǎng)國家急需的機電液復合型專業(yè)人才。

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