桥式气动回路节能方法实验系统研究

姜忠爱，熊 伟，张啟晖，度红望, 王志文

(1.大连海事大学 船舶机电装备研究所，辽宁 大连 116026；2.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；3.江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)

引言

桥式气动回路采用多个开关阀独立控制气缸的进气与排气，以其独特的回路结构与进排气方式受到国内外专家学者的关注[1-4]，研究表明，对比传统气动回路在一腔进气的过程中另一腔必须排气的情形，桥式气动回路可有效节约系统耗气量。德国Festo公司以及熊伟教授及其研究团队利用运筹学理论及数学优化手段，对桥式气动回路开关阀的控制时序进行了深入研究，取得阶段性研究成果，采用优化后的开关阀控制时序进行独立供气与排气，可最高节约75%耗气量，并提高了气缸运行的平稳性[5-8]。本研究以前人理论研究成果为基础，特别基于优化方法已获得供排气时序的情况下[6-10]，以实现对理论研究成果的验证与校准、提高活塞运行平稳性为目标，通过LabVIEW虚拟仪器技术，开发可适应多工况、多条件需求的实验系统。

近年来LabVIEW虚拟仪器技术广泛应用于实验系统开发与阀件性能测试领域，取得了较好的应用效果[11-13]。在气动系统控制与检测方面，也有较多成功的应用实例[14-16]，如王飞等[17]研究了基于LabVIEW 的气动比例压力控制系统以及气动位置伺服控制系统；胥军等[18]基于LabVIEW开发了针对于气动系统的检测系统，以上研究均充分验证虚拟仪器技术在气动系统检测方面的适用性。本研究利用虚拟仪器技术深入研究应用于桥式气动节能回路控制与检测的方法，实现基于进气量需求、供气时间需求、活塞位移需求以及传统持续供气需求等4种控制方式。系统运行状态变量包括压力、流量、活塞运行速度、位移等参数可以实时显示与保存。经实验验证，测控系统能够通过信号采集与分析，结合程序中嵌入的数学模型自动实现精准、快速的进排气控制，所检测与保存的系统运行参数真实有效，能够满足对桥式气动回路节能方法理论研究成果准确性验证与评估。

1 测控系统硬件组成

本研究的基于桥式气动回路测控系统硬件由1个单杆双作用气缸、4个开关阀、传感器、数据采集卡以及工控机组成，如图1所示。压力传感器用于监控管路和腔室的气体压力；流量传感器用于测试系统进排气流量；位移传感器用于检测活塞杆伸出位移。所有的检测数据通过数据采集卡传输给工控机，测控软件系统对检测数据进行分析、计算、显示与保存。同时根据计算结果对4个开关阀进行开关控制，实现气动系统按照既定的运行要求进行工作。

1.气动三联件 2.二位二通电磁阀 3.消音器 4.流量开关 5.压力传感器 6.气缸

2 系统建模

气动系统热力学及能量消耗描述，是控制系统能够根据实时采集数据进行系统状态分析与控制的基础，是智能控制的核心智库，因此需对气动系统运行基本规律进行描述。

2.1 气体流量方程

根据压缩空气流量计算公式，气体流经阀件的体积流量如式(1)所示：

式中，qv—— 气体标况下体积流量

C1—— 声速流导

ρ—— 气体密度

ps—— 阀件上游气压

px—— 阀件下游气压

b1—— 临界压力比

2.2 系统能量消耗组成

根据气体能量守恒方程：

(2)

式中，H1,H2—— 气体状态变化前后的焓值

m—— 气体质量

v1,v2—— 气体状态变化前后的速度

g—— 重力加速度

z1,z2—— 气体状态变化前后的质心高度

Q1—— 气体与外界热量交换

W2—— 气体与外界之间的做功能量交换

起始动能和势能忽略不计，则气缸伸出过程气体能量方程为：

H1=H2+W2

(3)

对于气缸充气过程，式(3)中W2为气体冲入气缸过程中对外做功，其组成如式(4)所示：

W2=We+Wf

(4)

式中，We—— 气体体积变化做功

Wf—— 负载移动过程中克服摩擦力做功

压缩气体制备过程近似为等温过程，焓值保持不变；活塞伸出过程，近似为绝热过程，则根据气体热力学定律，代入相关物理量参数，整理获得系统所需标准状态下的最少空气量V0满足式(5)：

(5)

式中，Vm—— 气体摩尔体积

p0—— 标准状态下气体压力

V0—— 最少耗气量在标况下的体积

p2—— 行程终点缸内气体压力

V2—— 气缸容积

p1—— 气源供气压力

k—— 绝热指数，取值1.4

μ——摩擦系数

l——活塞行程

3 测控系统功能组成

3.1 系统设计基本思路

本研究的桥式气动节能回路测控系统主要应用LabVIEW虚拟仪器技术实现对系统压力、流量、位移等关键参数的采集、计算与保存，根据计算结果及系统设定，自动控制进排气回路开关阀的通断控制。系统功能组成关系如图2所示。

图2 系统功能组成

根据系统测控需求设计程序交互界面及功能模块设计，其系统交互界面如图3所示。

图3 系统交互界面

3.2 系统功能简介

在交互界面中主要有“设置面板”、“控制序列”、“数据处理”、“特性曲线”四大功能选项卡。

“设置面板”选项卡主要实现对采集卡功能参数、气缸几何参数、阀件性能参数等硬件条件的设置；“控制序列”选项卡主要显示工作过程中4个开关阀的通断情况；“数据处理”选项卡主要用于显示、浏览保存测控实验数据，包括腔室压力、流量、活塞速度和活塞位移等数据；“特性曲线”选项卡主要包含气动回路运行过程中压力、流量、速度和位移等参数的显示窗口，以及本研究主要研究的4种控制方式的功能设定。

传统控制实现对气缸一端持续供气另一端持续排气直至活塞到达行程终点；位置控制可以通过位置传感器获得的数据，在特定位置下关闭或开启相应阀件；算法控制可实现定量进气，通过检测实际进气量与理论进气量的关系，当气缸内充入理论进气量后，关闭进气阀，实现定量供气，理论进气量是利用实验系统中编写的数学模型，结合实际系统参数自动解算出来的；在时间控制方式下，可以设定每个阀件的通断时刻，用于验证优化结果的准确性，通过多次试验调整优化结果偏差，以获得更优的供排气方案。本研究以活塞杆伸出行程为实验对象，介绍算法控制和时间控制2种功能的作用与性能评估。

4 系统功能应用与实验

4.1 算法控制

算法控制即基于最小耗气量的定量进气控制方法。桥式气动回路，是通过4个开关阀实现气缸进气与排气独立控制，充分利用压缩气体的膨胀能做功，实现气动系统节能。本研究以活塞杆伸出行程为研究对象，在既定的供气压力、系统负载、活塞行程等参数的条件下，根据数学建模式(5)自动计算出系统所需的耗气量。

在实际工作过程中，通过实时检测开关阀上下游压力，根据数学建模式(1)，不断更新获得进入无杆腔的空气量，当达到所需空气量后，自动关闭进气阀，活塞将在气体的膨胀能作用下继续运动，实现能量充分利用，达到节能目的，相应的程序实现方法如图4所示。

图4 进气量实时测控程序

以活塞伸出行程为实验对象，因此仅考虑无杆腔进气阀通断控制即可，有杆腔排气阀始终保持畅通。试验条件为：气源压力0.5 MPa(表压力，无特别说明，本研究所述压力均为表压力),负载38.48 kg，气缸行程0.6 m，气缸内径0.063 m。由式(5)可计算系统最少需要2.7 L标况下气体，系统根据实际进气量与所需空气量对比，在进气0.25 s后自动停止进气。实验过程中测得实际腔室压力、活塞位移、进气流量、活塞速度等参数如图5所示。

图5 定量供气条件下回路状态参数变化情况

实验结果显示，实验系统能够根据所建立的理论耗气量模型结合既定气动系统中气缸缸径、行程、供气压力等参数计算出系统所需空气量，并通过检测实际进气量与所需空气量的关系控制开关阀件的通断。当进气量到达所需空气量时，即关闭进气阀，活塞在气体膨胀能做功条件下，于0.63 s平稳到达行程终点，完成既定的工作要求。根据实验系统检测数据，全程耗气量为2.58 L，与理论计算值2.7 L相差4.4%。可见系统测试结果准确、相应速度快，满足桥式气动回路定量供气控制方法的实际应用需求。

4.2 时间控制

时间控制是实现手动设定的阀件供气与排气时刻的需求，主要用于验证桥式气动回路，以气动系统节能为优化目标，获得开关阀通断时序的准确性，特别是对于优化时序较为离散的情况，通过整合或微调阀件开闭时间获得更优的供排气方案，为修正理论优化模型提供帮助。

在基于气动系统最少耗气量为目标的理论优化研究阶段，通过运筹学理论，可以获得在特定负载、气缸及进气压力等条件下一系列通断阀开闭时间，部分优化结果过于离散或不适于实际应用，因此需要对所获得的各开关阀工作时序表的准确性和实用性进行验证。通过时间控制功能可以完成这一目的，通常经过反复的实验验证，必要时对所获得的通断时序表进行调整，以便获得最优的控制策略。图6为理论优化方法获得的在0.2 MPa供气压力下，进气时长0.35 s，排气时刻在0.35 s附近相对离散的情况，图中1为通气，0为截止。因此采用时间控制方式进行实验，表1为实验设计的3个排气时刻点以验证理论优化结果的准确性，并通过结果分析获得有价值的规律。

图6 通过优化获得进排气阀通断时序

表1 相同进气时长不同排气开始时刻实验设计

根据表1设定的进排气时刻，利用时间控制方法开展实验，获得活塞运行速度及耗气量曲线如图7所示。从图7a系统耗气量情况看，要实现系统耗气量减少，排气阀需要在系统运行一段时间后开启，有助于进气腔压力的快速上升，降低进气腔流量，实现在相同的供气时间内较少压缩空气消耗。从图7b活塞速度对比曲线可以看出，排气时间会影响活塞运行平稳性，不同的排气时间活塞的速度变化差异较大，即活塞运动平稳性有较大区别。大量优化计算及实验表明，过早排气节能效果不佳，过晚排气对活塞运行效率不利，甚至出现活塞反弹。综合分析，在进气终止时刻之后的一个时间区间内开始排气，可以获得耗气量较少和活塞运行平稳均优的效果，这一结论为理论优化边界条件设定提供参考，有助于获得更优的解算结果。

图7 不同排气时间回路状态参数对比

4.3 实验系统准确性验证

为客观评价实验系统测控结果的准确性和可信度，本研究利用MATLAB/Simulink进行桥式气动回路系统仿真建模，将仿真结果与测控系统实际测控结果进行对比分析，以实现对实验系统的性能验证。图8为桥式气动系统 Simulink仿真程序结构。

图8 桥式气动系统Simulink仿真结构图

图9为进气压力0.5 MPa、负载38.48 kg条件下仿真与实验结果对比情况。

图9 实验与仿真结果对比图

通过对比仿真与实验测试结果，活塞的位移、两腔压力曲线在变化趋势和数值方面均有较好的吻合，在其他条件的仿真与实验中也得到了相同的结论，可以看出本实验系统工作稳定、功能完善，所测得的数据真实有效，能够满足桥式气动回路实际运行测控实验需求。

5 结论

本研究完成了基于LabVIEW平台开发的适用于由4个开关阀构成的桥式气动回路实验系统，该系统可以准确检测气动回路运行过程中相关参数，根据系统建模，快速计算与分析，控制桥式气动回路按照既定设置运行，主要实现气动系统在定量或定时进排气条件下运行，实现对理论研究成果的验证与修正。通过对系统实际运行情况分析，该实验系统工作稳定、响应速度快、检测数据真实准确，为桥式气动回路节能方法研究提供了有力的支撑。本实验系统还可以实现基于活塞位置需求和传统持续供气工况下的测试与控制，但受限于空气的可压缩性及温度变化对其体积的影响，活塞位置控制的精确性有待进一步提高。后续研究将结合运筹学理论，升级智能运算模块，以活塞整个工作周期为研究对象，结合实际应用需求，使之可以运用数学优化算法自动获得不同工况下各开关阀通断时序，提升系统的适应性和智能化水平。