基于AMESim的多路水壓測試系統(tǒng)的研究

華一帆 盛小明

摘要：針對多路水壓測試系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制問題，從水壓測試系統(tǒng)的原理出發(fā)，建立了多路水壓測試系統(tǒng)的原理模型?；贏MESim平臺對系統(tǒng)壓力的建立、比例調(diào)壓閥壓力控制等性能作了仿真研究。基于AMESim模型分析了水壓測試系統(tǒng)響應(yīng)特性、系統(tǒng)壓力控制精度與不同元器件參數(shù)的關(guān)系，比如不同參數(shù)的空氣過濾器、不同孔徑的管路及其他不同參數(shù)的元器件。分析比較了不同的PID參數(shù)設(shè)置下，氣壓比例閥壓力控制環(huán)節(jié)與液壓缸夾持壓力的主油路水壓控制環(huán)節(jié)的壓力響應(yīng)曲線，得出了匹配的PID參數(shù)設(shè)計是水壓測試系統(tǒng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：水壓測試；壓力控制；AMESim仿真；比例調(diào)壓閥；氣動增壓

中圖分類號：TN820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）26-0202-05

Abstract：Aiming at the problem of pressure closed-loop control in multi-channel hydraulic testing system， the principle model of multi-channel hydraulic testing system is established Based on the principle of hydraulic testing system. Based on the AMESim platform， the performance of the system pressure and the pressure control of the proportional pressure regulating valve were simulated. Based on the AMESim model， the response characteristics of the water pressure testing system， the relationship between the system pressure control precision and the parameters of different components are analyzed， such as the air filters with different parameters， the pipes with different aperture and the other components of different parameters. The pressure response curve of the pressure control link of the pressure proportional valve and the pressure of the hydraulic cylinder under the pressure of the hydraulic cylinder under the different PID parameters is analyzed and compared. It is concluded that the key of the matching PID parameter design is the control system of the water pressure testing system.

Key words： hydraulic pressure test； pressure control； AMESim simulation； proportional pressure regulating valve； pneumatic supercharging

1 概述

水壓測試試驗是貫穿國民經(jīng)濟(jì)的重要工業(yè)應(yīng)用[1-3]。自來水壓力容器、熱水器、工業(yè)用壓力罐等器材包括各種壓力系統(tǒng)的接頭都必須進(jìn)行壓力試驗[4-6]。壓力測試環(huán)節(jié)是各類壓力元件進(jìn)入市場的必要條件。一旦壓力試驗不達(dá)標(biāo)的元件流入人們的生產(chǎn)與生活中，大多會帶來較為嚴(yán)重后果。高壓氣體、液體泄漏會造成人身安全及財產(chǎn)損失。有毒、有害氣體液體泄漏將會對人類及周邊生物與環(huán)境帶來巨大的災(zāi)難。在家用產(chǎn)品中各類水管、接頭等水壓容器需要進(jìn)行高壓、低壓測試，在工業(yè)產(chǎn)品中液壓管件、閥門等液壓容器，均需要耐壓試驗、液壓脈沖試驗及疲勞試驗[7-11]。

最早的水液壓測試技術(shù)，源于軍事用途，美國海軍對海水液壓測試技術(shù)進(jìn)行了研究，研制出了壓力14MPa、流量45L/min的水液壓系統(tǒng)[12]。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水液壓測試技術(shù)在西方工業(yè)國家及亞洲的日本取得了較快的發(fā)展[13]。壓力21MPa及流量6L/min的海水柱塞泵、壓力63MPa及流量4L/min的海水柱塞泵、10MPa的水壓馬達(dá)等水壓設(shè)備先后被國外研究機(jī)構(gòu)與公司研制出來[14-16]。水壓泵、水壓溢流閥、流量閥、方向閥、水壓缸及比例流量閥等水壓元件被應(yīng)用到食品機(jī)械、消防機(jī)械、海洋作業(yè)機(jī)械及管道壓力檢測機(jī)械等工業(yè)設(shè)備上。多路水壓測試試驗臺主要針對工業(yè)制品容器的壓力測試。在家用產(chǎn)品中各類水管、接頭等水壓容器需要進(jìn)行高壓、低壓測試，在工業(yè)產(chǎn)品中液壓管件、閥門等液壓容器，均需要耐壓試驗、液壓脈沖試驗及疲勞試驗。水壓測試系統(tǒng)需要提供各類產(chǎn)品測試的壓力范圍。在保壓試驗下，水壓測試系統(tǒng)需要提供某一壓力下持續(xù)保壓的能力，其測試原理如圖1所示。水壓測試系統(tǒng)綜合了工業(yè)自動化、液壓控制、計算機(jī)技術(shù)，為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)，對單一的測試臺作了多路測試的擴(kuò)展，本文擴(kuò)展了測試臺的接口，形成了多路測試的功能，能更加適應(yīng)多產(chǎn)品同時測試的需求。

2 多路水壓測試原理

多路水壓測試系統(tǒng)的關(guān)鍵性能是閉環(huán)壓力控制，進(jìn)行壓力脈沖試驗時，要求試驗臺能跟隨測試壓力指令完成系統(tǒng)快速升壓、降壓的過程。實現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制，對比例調(diào)節(jié)閥的要求較高，要求比例調(diào)節(jié)閥具有較高響應(yīng)特性、較好重復(fù)性，較小的遲滯效應(yīng)。同時系統(tǒng)的閉環(huán)控制模型需要與產(chǎn)品各類測試特性需求匹配。本文采用經(jīng)典的PID控制模型，如圖2所示，對系統(tǒng)的壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，其優(yōu)化的控制參數(shù)能滿足各類壓容器的測試需求。

多路水壓測試系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思路，包含了水壓動力模塊、水壓管路模塊、水壓控制模塊、工件測試模塊及液壓缸夾持模塊等，其原理圖如圖3所示。水壓動力模塊包含氣動增壓泵、電機(jī)、水箱、氣源等為測試系統(tǒng)提供合適的動力輸出。水壓管路模塊包含了系統(tǒng)各模塊之間的連接管路、密封接頭等，為系統(tǒng)的水壓提供運輸通道，保證整個測試系統(tǒng)的密封性能。水壓控制模塊包含了數(shù)據(jù)采集模塊、指令輸入模塊、電氣控制模塊以及相關(guān)控制軟件是整個試驗臺的重要組成部分，為試驗員提供可操作界面，調(diào)整整個測試系統(tǒng)的參數(shù)。工件測試模塊為試驗件提供安裝位置，能夠根據(jù)測試產(chǎn)品的不同規(guī)格，調(diào)整測試安裝的管接頭及連接密封形式，為產(chǎn)品壓力測試提供了安裝空間，多路測試工位能夠同時為多個產(chǎn)品提供測試條件。液壓夾持模塊包含了液壓夾持缸、液壓泵、液壓控制閥及液壓管路，對工件進(jìn)行夾持，保證工件在高壓測試下的穩(wěn)定性及安全性。

3 多路水壓測試系統(tǒng)壓力的建立

多路水壓測試系統(tǒng)水壓動力模塊由氣動增壓泵實現(xiàn)壓力的提升，其壓力的建立是由空氣壓縮機(jī)實現(xiàn)，空氣壓縮機(jī)建立壓力的過程如圖4所示。隨著壓縮機(jī)的工作時間增加，壓力值成線性增加，為了達(dá)到系統(tǒng)工作壓力通常將安全閥與空氣壓縮機(jī)結(jié)合使用。其壓力曲線如圖5所示，安全閥設(shè)置為15MPa泄壓值時的氣源處壓力。在使用不同規(guī)格的空氣過濾器時，其氣體流量可通過以下公式計算：

Tup——進(jìn)口溫度。

等效小孔面積不同的過濾器其壓力瞬時響應(yīng)曲線如圖6所示。其瞬時響應(yīng)時間與過濾器的等效小孔面積有關(guān)，對于瞬時響應(yīng)要求較高的壓力系統(tǒng)要綜合考慮過濾效果與過濾器等效面積的關(guān)系。

4 基于AMESim的水壓壓力閉環(huán)控制參數(shù)的設(shè)計

多路水壓測試系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制一關(guān)鍵環(huán)節(jié)是氣壓動力的建立及氣體壓力的控制。氣壓動力的建立與空氣壓縮機(jī)及安全閥的參數(shù)匹配密切相關(guān)，在AMESim平臺上，建立氣動增壓模型如圖7所示。為了實現(xiàn)氣壓比例可調(diào)，本文采用電氣比例調(diào)壓閥通過電流信號控制氣壓輸出壓力，從而實現(xiàn)氣壓系統(tǒng)的壓力可調(diào)，其控制模型如圖8所示。在兩級電磁閥與控制單元的組合下其壓力能夠?qū)崿F(xiàn)與輸入信號的比例關(guān)系。電氣比例調(diào)壓閥的性能與控制單元的參數(shù)設(shè)置有著密切的關(guān)系，通過不同PID控制參數(shù)設(shè)置，其曲線響應(yīng)如圖9與圖10所示。

氣壓比例調(diào)壓閥的PID控制器將輸入指令與壓力反饋信號運算后，通過比例、積分環(huán)節(jié)達(dá)到壓力控制，其控制器中沒有采用微分環(huán)節(jié)。氣壓的壓力控制環(huán)節(jié)中， Kp與Ki的設(shè)定對調(diào)壓閥的壓力控制效果起較為關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)控制器比例環(huán)節(jié)的作用是，對系統(tǒng)設(shè)定壓力曲線與系統(tǒng)實際壓力值的差值進(jìn)行放大，使控制系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)偏差值，從而縮小偏差，達(dá)到最佳控制結(jié)果。比例系數(shù)越大則響應(yīng)速度越快，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置過高的比例系數(shù)時會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)甚至震蕩。壓力調(diào)節(jié)控制器中的積分環(huán)節(jié)可以減小系統(tǒng)的超調(diào)，積分時間常數(shù)越小，積分作用越強(qiáng)，對系統(tǒng)壓力值的偏差控制能力越強(qiáng)，但積分時間常數(shù)過小會使水壓測試系統(tǒng)容易產(chǎn)生壓力震蕩。積分時間常數(shù)越大，積分作用越弱，對系統(tǒng)壓力值的偏差控制能力越弱，但是系統(tǒng)不易產(chǎn)生震蕩。因此對特定的水壓測試系統(tǒng)需設(shè)置匹配的PID控制參數(shù)。

多路水壓測試系統(tǒng)另一壓力控制環(huán)節(jié)在系統(tǒng)的液壓缸夾持模塊中。液壓缸夾持模塊包含了液壓動力源、液壓比例調(diào)節(jié)閥、安全閥、換向閥、液壓缸、變頻電機(jī)及轉(zhuǎn)速控制器。液壓缸夾持模塊的壓力控制采用主油路水壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由夾持缸一側(cè)的壓力傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器形成壓力閉環(huán)控制。設(shè)定壓力值與夾持缸一側(cè)的壓力值比較，通過轉(zhuǎn)速控制器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變液壓泵的流量輸出實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)?；贏MESim的液壓缸夾持模塊如圖11所示。對主油路水壓控制器進(jìn)行壓力跟隨仿真，圖12是42MPa壓力下，不同PID參數(shù)一次線性跟隨曲線仿真結(jié)果通過壓力仿真曲線該系統(tǒng)參數(shù)下PID參數(shù)值為（5，8，1）時，系統(tǒng)壓力跟隨性最優(yōu)。圖13是42MPa壓力下，5Hz正弦壓力曲線仿真結(jié)果，比較輸出壓力誤差，42MPa壓力下，PID參數(shù)值為（5，8，1）時，系統(tǒng)壓力跟隨性最優(yōu)。圖14是42MPa壓力下，5Hz方波壓力曲線仿真結(jié)果，比較輸出壓力誤差，42MPa壓力下，PID參數(shù)值為（5，0，0）時，系統(tǒng)壓力跟隨性最優(yōu)。依據(jù)仿真結(jié)果可以將水壓測試系統(tǒng)中，液壓夾持壓力的PID控制設(shè)計在軟件控制環(huán)節(jié)。依據(jù)水壓試驗不同的壓力曲線，系統(tǒng)作出最優(yōu)PID的設(shè)置。

5 結(jié)論

水壓測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計需結(jié)合測試需求及系統(tǒng)壓力響應(yīng)特性匹配合適的水壓及氣壓元件，比如與系統(tǒng)匹配參數(shù)的空氣過濾器、匹配的管路孔徑及其他元件參數(shù)的匹配。多路水壓測試系統(tǒng)壓力控制包含兩個重要的壓力閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，一個是氣壓比例閥壓力控制環(huán)節(jié)，另一個是采用主油路水壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的液壓缸夾持壓力控制環(huán)節(jié)。這兩個壓力閉環(huán)控制均采用了PID控制器控制環(huán)節(jié)。在不同的壓力測試曲線中，PID參數(shù)的設(shè)置對系統(tǒng)的壓力響應(yīng)及跟隨特性起決定作用。

在多路水壓測試系統(tǒng)的PID控制參數(shù)的設(shè)計中需對水壓測試系統(tǒng)的響應(yīng)要求及壓力測試精度的需求進(jìn)行分析，選擇滿足測試要求的PID控制器參數(shù)。對水壓測試控制系統(tǒng)的基本要求可以歸納為穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速。穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的前提，快速性可以提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，準(zhǔn)確性是控制精度的重要體現(xiàn)。結(jié)合水壓試驗工藝，以及油壓控制的特點，本對油壓控制策略提出以下要求：

（1） 系統(tǒng)壓力的建立選用氣體增壓模塊時，需針對系統(tǒng)壓力瞬時響應(yīng)特性選擇參數(shù)匹配的元件；

（2） 使用氣壓比例調(diào)節(jié)閥及其PID控制參數(shù)需與水壓測試系統(tǒng)的參數(shù)匹配；

（3） 通過對壓力閉環(huán)控制，設(shè)置出最佳PID控制參數(shù)，使系統(tǒng)具有較好的壓力跟隨性，瞬時響應(yīng)性及脈沖壓力曲線控制。

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