寇瓊月 王 鵬 王浩淼
(中國人民解放軍92228部隊,北京 100072)
壓力參數(shù)計量在工業(yè)、科研、軍事領(lǐng)域工程檢測中占有重要地位,液壓儀表是壓力參數(shù)監(jiān)測和指示的儀器設(shè)備,是保證其所在裝置系統(tǒng)安全、正常運轉(zhuǎn)的重要設(shè)備。為保證液壓儀表提供的數(shù)據(jù)準確可靠,應(yīng)當(dāng)進行定期檢定,掌握壓力設(shè)備技術(shù)狀態(tài)信息,以便及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,排除隱患和故障。液壓儀表應(yīng)用廣泛,其作為各領(lǐng)域規(guī)定的強檢項目,具有覆蓋范圍寬、數(shù)量多,檢定周期短,檢定工作量大的特點。采用傳統(tǒng)計量標(biāo)準一次只能檢定一只液壓儀表,勞動強度大,耗時長,效率低,難以在短期內(nèi)完成計量測試任務(wù)。因此,為滿足液壓儀表檢定高效率、高質(zhì)量的需求,提出液壓表級聯(lián)式綜合檢定裝置的設(shè)計方案,采用多參量自動辨識自適應(yīng)PID控制,通過氣驅(qū)液壓力精確控制及造壓活塞加工參數(shù)仿真提煉,設(shè)計了精密液壓自動發(fā)生系統(tǒng);通過構(gòu)建嵌入式聯(lián)控軟件架構(gòu),設(shè)計集信息掃描、檢定管理和測控功能于一體的綜合檢定軟件,實現(xiàn)了同時對多種多類液壓儀表的快速自動檢定,提高了計量檢定效率和能力。
本文提出基于級聯(lián)式檢定模型,以同時檢定3只液壓表為目標(biāo)建立裝置的整體方案。系統(tǒng)組成及控制關(guān)系如圖1所示,主要由氣壓發(fā)生器、壓力控制臺、壓力倍增器、造壓傳動機構(gòu)、級聯(lián)式檢定臺、二維碼掃描儀、檢定管理和測控軟件和主控計算機等部分組成。其中,壓力控制臺、壓力倍增器和壓力傳動機構(gòu)總稱為造壓執(zhí)行單元。
圖1 系統(tǒng)整體方案框圖
系統(tǒng)工作原理如下:啟動檢定程序后,基于二維碼掃描儀將被檢表信息錄入,由檢定管理和測控軟件設(shè)定被檢定表信息和系統(tǒng)壓力控制等參數(shù)信息,并將控壓信息反饋給造壓執(zhí)行單元,由壓力控制單元驅(qū)動氣體發(fā)生器的造壓活塞,帶動壓力傳動機構(gòu)造壓,輸出標(biāo)準壓力,并根據(jù)所設(shè)定的檢定程序,完成對被檢液壓表的檢定。其中,壓力控制臺可獨立于自動檢定流程,根據(jù)需要獨立完成設(shè)定壓力的輸出,實現(xiàn)對被檢表的粗檢或半人工檢定。
本裝置涉及到造壓、控壓及檢定進程管理控制等單元,需合理進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,保證整套裝置穩(wěn)定造壓、易于清污及操作??貕簷C構(gòu)中,既有電信號的交互,也有控制信號的流通,特別是涉及氣壓、油壓等管道的連接。在設(shè)計中,通過功能劃分,將主控計算機與壓力控制臺的串口相連,一方面為壓力標(biāo)準(壓力傳感器)供電,另一方面將壓力反饋信號傳入壓力控制臺;裝置中的氣瓶、壓力表檢定臺的氣壓和油壓連接管則直接接入壓力控制臺,保證整機布局合理、集成度高。
檢定采用標(biāo)準表與被檢表相比較法的方法進行,為實現(xiàn)單次對3只液壓表的同時檢定,裝置在機械結(jié)構(gòu)上建立了液壓表級聯(lián)式檢定模型,如圖2所示。壓力表檢定工作臺與壓力控制器分離設(shè)計,級聯(lián)式檢定臺包含四個壓力接頭,其中一個連接標(biāo)準壓力模塊,另三個連接被檢儀表,控壓機構(gòu)通過管路與檢定工作臺相連,級聯(lián)式檢定臺實物如圖3所示。該檢定臺設(shè)計成可靈活伸縮變換位置和朝向,一是便于油路中污垢的清除;二是利于消除液面差對檢定精度的影響;三是利于檢定數(shù)據(jù)的讀取與觀測。
圖2 液壓表級聯(lián)式檢定模型圖
圖3 液壓表級聯(lián)式檢定臺
針對液壓儀表技術(shù)特點,檢定裝置選擇的造壓和控壓方案是基于伺服電機的硬件系統(tǒng)設(shè)計方案和基于氣驅(qū)液的硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。
基于伺服電機的硬件方案,在原理上屬于改變液體體積實現(xiàn)控制壓力的方式,原理簡單,依靠電機驅(qū)動前級液體實現(xiàn)增壓目的,由于受液體流動速度限制,這種方案存在控壓速度慢的缺陷,且造壓時油液內(nèi)可能會混入氣體,將放大該方案的缺陷。為此,裝置設(shè)計中采用氣驅(qū)液造壓設(shè)計,在原理上屬于力平衡的控制壓力方式,利用氣體可壓縮、也可快速釋放的特點,設(shè)計了氣壓發(fā)生器,造壓活塞一端用氣體,另一端用(油)液體?;钊跉怛?qū)液模式下,實現(xiàn)了在60mm活塞有效行程內(nèi),短距壓力快速倍增和釋放,并具有造壓效率高、硬件體積小的優(yōu)點。但這種模式下,增壓活塞缸體設(shè)計要嚴格符合控壓要求,且要對電磁閥進、出和截止動作的聯(lián)控方式進行合理設(shè)計,才能保證短距快速增壓,并準確平穩(wěn)地達到設(shè)定的目標(biāo)標(biāo)準壓力。
基于氣驅(qū)液壓力控制原理如圖4所示,主要由壓力控制(圖4粗線部分)、壓力執(zhí)行(圖4細線部分)和操作臺(圖4中快裝接頭部分)三部分組成,以分離式結(jié)構(gòu)布局設(shè)計,以保證裝置造壓穩(wěn)定、易于清污、方便操作。
圖4 基于氣驅(qū)液壓力控制原理圖
壓力控制時,首先系統(tǒng)開機加電,電動截止閥和泄壓閥最先通電打開,釋放上次因非正常操作保留的系統(tǒng)壓力,隨后兩位三通電磁閥通電打開釋放掉前級氣體壓力,系統(tǒng)完成自檢;繼續(xù)保持泄壓閥和電動截止閥開啟狀態(tài),關(guān)閉泄壓閥,啟動預(yù)壓液泵,系統(tǒng)開始升壓,當(dāng)壓力接近第一個檢定點時關(guān)閉電動截止閥,即完成預(yù)壓過程;加壓控制時,開啟兩位三通電磁閥和進氣閥,氣體進入增壓缸前端,系統(tǒng)開始升壓,進行加壓控制,并通過進氣閥和排氣閥配合動作實現(xiàn)壓力檢定點的控制;降壓控制時,開啟排氣閥,氣體流出增壓缸前端,系統(tǒng)開始降壓,通過進氣閥和排氣閥配合動作實現(xiàn)壓力檢定點的控制;泄壓控制時,開啟電動截止閥和泄壓閥系統(tǒng)與大氣連通,實現(xiàn)零點檢定。
為實現(xiàn)短距快速準確造壓要求,采用CAD仿真和工藝控制,設(shè)計研制了造壓執(zhí)行部件增壓缸體,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該增壓缸體主要由氣缸、檢測開關(guān)、液體活塞、收集腔體、收集油路組成。其中,檢測開關(guān)用于檢測初始活塞桿位置和最大量程的活塞桿位置,以配合完成壓力控制。收集腔體和收集油路用于暫時存儲和處理液體活塞的泄露,系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件從收集腔體排出油液。
圖5 增壓缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖
通過CAD仿真測算及設(shè)計加工中對活塞和缸體進行測評修正,活塞和缸體加工參數(shù)和技術(shù)要求見表1。裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點在于壓力執(zhí)行機構(gòu)的增壓部分,為了適應(yīng)帶載多只被檢儀表的需求,液體活塞部分必須提供足夠的帶載能力,通過對被檢儀表的統(tǒng)計與實際測試,三只被檢儀表到達滿量程需要液體活塞的帶載能力約為10ml;氣缸啟動壓差較大時會明顯影響控壓穩(wěn)定波動度,因此氣缸的啟動壓差設(shè)計不大于3kPa。在活塞60mm的有效行程內(nèi),包含2個階梯狀臺階,對活塞的加工工藝提出了很高要求,針對裝置應(yīng)用于普通油介質(zhì)壓力表檢定,液體活塞完全依靠油膜密封,活塞筒和活塞桿之間的間隙尺寸必須控制得當(dāng),間隙太大,油介質(zhì)會從間隙泄露過大,造成控壓困難,同時也大大減小了液體活塞的帶載能力;間隙太小,活塞桿活動不夠靈活,造成控壓困難,結(jié)合常用油膜的厚度,最佳間隙設(shè)計為2.5μm,這樣的油膜厚度既有密封能力,又有良好的潤滑性能。
表1 增壓缸體加工參數(shù)及技術(shù)要求Tab.1 Machiningcharacteristicsandtechnicalrequirementofsuperchargecylinder序號加工參數(shù)技術(shù)要求序號加工參數(shù)技術(shù)要求1活塞帶載最大油量10ml5活塞長度100mm2氣缸的啟動壓差≤3kPa6活塞有效行程60mm3活塞行程與直徑之比≤37活塞圓柱度±1μm4活塞直徑20mm8活塞和活塞腔之間間隙2.5μm
氣液增力技術(shù)結(jié)合了液壓和氣動技術(shù)特點,在壓力快速控制方面優(yōu)勢明顯。但與液體流體相比,氣體流體的壓力難以精確控制,利用傳統(tǒng)的PID控制方法,達到目標(biāo)壓力耗時長且不穩(wěn)定,如圖6(a)所示,難以使控制過程平穩(wěn)。本置采用氣驅(qū)液結(jié)構(gòu),基于氣體介質(zhì)的作用,壓力發(fā)生動作較快,增減壓過程隨機性較大,具有高非線性、時變不確定性,且稍有擾動,就會使壓力控制器件產(chǎn)生振蕩,造成壓力超調(diào)。為保證控制過程快速、平穩(wěn)、準確加壓,達到目標(biāo)壓力耗時短且不發(fā)生振蕩,控制效果如圖6(b)所示,避免出現(xiàn)圖6a)所示的控制效果,控壓設(shè)計上采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù),根據(jù)裝置造壓執(zhí)行機構(gòu)、液體壓縮比例的非線性來確定PID參數(shù),通過對壓力差、電磁閥激勵信號、壓力變化率等參數(shù)進行狀態(tài)估計,實時自動調(diào)整PID控制參數(shù),改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能,減少了超調(diào)量和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間。
圖6 壓力控制效果對比圖
自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)如圖7所示,由常規(guī)反饋控制系統(tǒng)和自適應(yīng)機構(gòu)組成,其中,r
(t
)為目標(biāo)設(shè)定值,e
為偏差,u
為合成控制量,v
為控制系統(tǒng)內(nèi)部的固有擾動,ξ
表示人為產(chǎn)生的噪聲,用于防止造壓啟動時因微分作用而產(chǎn)生振蕩。常規(guī)反饋控制系統(tǒng)由控制器和被控對象構(gòu)成,“控制器”為電磁閥組(包括放氣閥、進氣閥、截止閥等),“被控對象”為氣驅(qū)液活塞缸體,通過算法程序,由數(shù)字智能電路實現(xiàn)控制過程;自適應(yīng)機構(gòu)由控制器參數(shù)設(shè)計計算和參數(shù)/狀態(tài)估計器構(gòu)成,“參數(shù)/狀態(tài)估計器”根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)在線辨識被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù),“控制器參數(shù)設(shè)計計算”根據(jù)參數(shù)/狀態(tài)估計器的輸出和確定的控壓穩(wěn)定度指標(biāo)(±0.005%F.S)計算控制器參數(shù),反饋給控制回路,并調(diào)整控制回路中的控制參數(shù)。圖8為自適應(yīng)PID控制效果對比圖,從圖中看出,常規(guī)PID控制用于氣驅(qū)液增壓模式時,系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。圖7 自適應(yīng)PID控制方案示意圖
圖8 自適應(yīng)PID控制效果對比圖
裝置軟件采用集嵌入式壓力控制、自動檢定與管理功能于一體的軟件架構(gòu),如圖9所示。軟件運行通過啟動檢定程序,進入“手動/自動控制壓力”選擇界面。選擇手動方式,則啟動嵌入式壓力控制軟件,帶動造壓執(zhí)行單元產(chǎn)生所設(shè)定的壓力,通過控制、測量、清零三個功能模塊設(shè)計,實現(xiàn)標(biāo)準壓力的設(shè)定、生成、控制及實時顯示,并具有壓力標(biāo)準模塊零點校準功能。選擇自動方式,則啟動壓力表自動檢定軟件,通過對被檢表信息的自動掃描或錄入,檢定點數(shù)等信息設(shè)置后,運行自動檢定軟件,完成自動控壓、檢定過程控制、數(shù)據(jù)采集、運算處理和檢定證書的生成,自動檢定過程管理軟件架構(gòu)如圖10所示。
圖9 軟件架構(gòu)圖
圖10 自動檢定過程管理軟件架構(gòu)圖
裝置設(shè)計研制完成后,經(jīng)第三方計量檢測機構(gòu)檢定,給出裝置準予作為0.05級計量器具使用的檢定結(jié)論;表2為裝置標(biāo)準壓力傳感器的第三方計量檢定數(shù)據(jù),實驗數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)的壓力輸出的量程為分(0~10)MPa、(0~25)MPa和(0~60)MPa三個量程,準確度等級為0.05級。
表2 標(biāo)準壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)Tab.2 Verificationdataofstandardpressuresensor測量范圍/MPa零位漂移/MPa正行程最大示值誤差/MPa反行程最大示值誤差/MPa壓力計示值最大允許誤差/MPa結(jié)論0~100.0000.0010.001±0.005合格0~250.0000.0010.003±0.0125合格0~600.000-0.002-0.002±0.030合格
裝置穩(wěn)定性實驗,采用型號為ConST810,準確度等級為0.02級的精密數(shù)字壓力計作為穩(wěn)定性考核設(shè)備,對系統(tǒng)壓力生成短期穩(wěn)定性進行了測試,圖11為60MPa壓力輸出穩(wěn)定性曲線,壓力輸出波動范圍為±0.0025MPa,可見系統(tǒng)壓力生成響應(yīng)速度快,控制穩(wěn)定性好,整個系統(tǒng)的壓力控制穩(wěn)定性優(yōu)于0.005% F·S。
圖11 60 MPa壓力輸出穩(wěn)定性曲線
應(yīng)用該裝置對一般壓力表、壓力控制器、壓力開關(guān)、壓力表變送器等多只液壓儀表進行了檢定,測試結(jié)果表明,該裝置造壓、控壓、檢定模塊與管理模塊銜接合理、運行正常、穩(wěn)定,并具有對被檢液壓表信息自動識別、登記和管理功能,實現(xiàn)了同時自動完成3只液壓表的檢定(耗時10分鐘),將原來手動檢定3只液壓表的時間縮短為原來的1/6。
基于同時對多個液壓表實施快速自動檢定設(shè)計目標(biāo),采用氣驅(qū)液壓力倍增、精密活塞工藝設(shè)計、自適應(yīng)嵌入式控制和信息化管理等技術(shù),建立的液壓表級聯(lián)式綜合檢定裝置,解決了短時間內(nèi)快速增加、壓力準確穩(wěn)定控制等技術(shù)難點,縮短了造壓時間,實現(xiàn)了0~60MPa范圍內(nèi)多只液壓表同時計量檢定,提高了檢定效率。目前,裝置應(yīng)用于多型液壓儀表計量保障中,提高了壓力參數(shù)計量保障效率和能力。裝置設(shè)計研究中提出的氣驅(qū)液壓力精確控制模式、多參量自動辨識自適應(yīng)PID控壓方案、造壓活塞和增壓缸體精密工藝設(shè)計,為高效實現(xiàn)液壓表計量檢定,液壓系統(tǒng)壓力的生成和精確控制提出了一種切實可行的控制方法和解決方案。