基于网络的液压控制阀性能实验教学系统设计

郭 温，王 博，赵东平

(1.西安航空学院 机械工程学院，陕西 西安 710077；2.西安航空学院 飞行器学院，陕西 西安 710077)

引言

实验装置液压控制阀性能实验教学系统根据现代教学的特点和《液压控制技术》、《液压测试技术》、《机电控制技术》等课程的实验教学及其扩展创新要求而设计的。目前伺服阀的性能测试还没有官方的统一标准，也没有教学配套的伺服阀性能实验台，所以设计一套伺服阀性能实验台为日常教学服务，同时又可满足工业伺服阀性能检测的实验台是很必要的，设计制作一套伺服阀性能实验台非常昂贵，所以实验室最多装备一台设备，而传统的实验教学，学生都是在实验室做本地实验，这时就会出现学生扎堆实验的现象，本设计结合Web网络控制技术，使做实验不再被时空约束。学生在有网络的任何地方，都可以不被打扰的预约实验，同时还可以提高实验台的有效利用率，实验台还运用了灵活的模块化设计思想，同时兼顾了扩展性，具有完整的理论和实验一体化同步教学的功能[1-4]，起到了理论教学及实践演示的作用，同时也可以培养学生的综合实践能力。

1 实验台总体设计理念

实验台总体设计理念如图1所示，重点体现创新功能和开放功能，本地实验主要训练学生测控系统扩展编程，主要目的是实验台功能扩展，这里主要体现创新功能，开放功能主要通过远程实验实现，学生或老师通过实验网络管理系统，充分利用互联网的特性，将学习的场地广义化，不仅仅局限于教室或实验室，这样对老师教学效率的提升有着不小的帮助，学生在课下自主学习时也可以通过管理系统随时预约实验[5-7]。

图1 实验台总体设计理念Fig.1 Overall design concept of experimental platform

2 实验台组成

实验台外形及布局如图2所示，主要由自带液压油源、实验液压系统回路、加载单元、电控系统组成[8-11]。

(1) 自带液压油源：由电机、定量齿轮泵、油箱及油箱附件组成，液压动力源为三相异步电动机带动定量齿轮泵，实验台的油液压力通过调节液压动力源的溢流阀(螺纹插装式溢流阀)进行调节，试验台油液压力在出厂前已调试好，无需调节，具体结构如图3所示。

图2 实验台外形及布局Fig.2 Shape and layout of experimental platform

图3 液压油源结构Fig.3 Hydraulic oil source structure

(2) 实验液压回路：该部分主要围绕伺服阀、比例阀性能实验而设计，同时也能检测各种规格试验阀，为了保证流量，该实验台还外挂了一套高压大流量油源，外挂油源如图4所示。液压系统由过滤器、溢流阀、比例节流阀、伺服阀/比例换向阀、液压阀块、电磁球阀、流量计、压力传感器、压力表、力传感器、位移传感器、液压油缸及必要的软硬油管组成。

(3) 加载单元：实验台的直线运动加载模块采用直线电机给液压油缸进行加载，直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，初次级之间的气隙间产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动，它是一种全新的小尺寸，具有更高性能，更高精度和免维护的直线伺服电机。工控机通过串口与直线电机驱动通信，驱动控制直线电机的初级输入电流，进而控制直线电机对顶液压缸，构成直线运动的负载。

图4 外挂油源结构Fig.4 External oil source structure

图5 实验台液压原理图Fig.5 Hydraulic schematic diagram of test bench

(4) 电控系统：由工控机，PLC，数据采集卡及继电器等组成。

3 实验台液压系统设计

基于该实验台主要可以对工业伺服阀进行耐压试验、泄漏试验、流量压力特性试验、阀控缸位置控制试验等，其液压原理图如图5所示[12-15]。图中二位二通电磁阀的主要作用是为各测试实验液压回路实现切换。实验台主要功能之一是学生远程预约实验，这对设备长时间使用温控提出要求，冷却风机的作用是为长时间运行的设备提供大功率降温。为了简化不必要的油路，减少压力损失带来的测试不准确，实验台大部分油路采用集成式连接，主要分为2个集成块，1个是伺服阀及传感器集成块，另1个是油路切换控制集成块。

实验台在液压泵出油口处设置了2个高压过滤器对油液进行两级过滤，用以过滤油液中的杂质，其滤网精度分别为10 μm(粗滤)、5 μm(精滤)。

图6 测控系统结构Fig.6 Structure of measurement and control system

4 实验台测控系统设计

4.1 测控系统结构

实验台测控系统结构如图6所示，主要由工控机、数据采集卡、西门子PLC、传感器、伺服比例放大器、继电器组成，数据采集卡采用PCI8932，主要用于传感器模拟信号的采集，同时还使用其模拟量输出功能，用于输出正负10 V电压，用来控制伺服阀及比例阀，PLC为开关量控制和系统状态监视作用。主要包括二位二通电磁阀控制、供电电路控制。直线电机控制器采用串口直接与工控机通信，由串口控制直线电机的负载。该实验台为了最大限度的训练学生的创新能力及测控编程能力，将数采、上下位机通信、串口通信，集成在一起，方便学生后期根据训练需要编写本地测控程序。

4.2 测控系统上位机软件设计

本地软件设计，实验台软件本地测控程序采用LabVIEW进行编写，本地软件测控设计采用模块化设计思想，具有较强的可移植性，主要考虑学生在实验台练习本地测控软件编程时，能对模块随意组合，提高学生编程效率，实验台本地软件总体架构如图7所示。

图7 上位机测控软件总体架构Fig.7 Overall architecture of upper computer measurement and control software

图8为实验系统本地测试界面，主要分为三部分：第一模式选择区，主要选择本地实验或远程实验，第二为数据曲线显示区，第三为自由模式操作区，主要用于手动控制伺服阀或比例阀及一些开关量。

软件数据采集主要包括9个通道分别为系统压力、负载力、位移、A口压力、B口压力、T口压力、P口压力、主流量、泄漏流量。采用定时循环采集，采集精度为12位，采样速率为100 kHz，约为每点10 μs，转换时间为8 μs。以上数据采集(数据量)以共享变量形式存在程序中，本地和远程均可访问，图9为数据采集程序。

4.3 远程Web页面设计

远程页面设计采用了Web 2.0前端开发技术,分别使用了HTML、CSS、JavaScript三项前端核心技术，HTML主要用于界面结构设计，CSS主要用于主要用于外观属性设计，JavaScript主要用于行为控制。图10为远程操作界面，该实验界面由现场视频、采集显示和操作界面三部分构成。现场视频负责实时监测实验室内设备的运行状态，采集显示负责将传回的传感器采集量以曲线的形式在页面显示，操作界面提供实验排队、控制参数设定等操作功能。开始实验前，学生需要先“点击排队”，若此时设备空闲，则直接进入实验，否则等待队列之前的学生完成实验后，方可进入实验。系统为学生权限分配的实验时间为5 min，教师为45 min。若计时结束前未“退出实验”，系统会自动移除当前实验用户，将队列中的用户按顺序推入实验。

图8 本地测试界面Fig.8 Local test interface

图9 数据采集程序Fig.9 Data acquisition program

5 实验效果展示

教师、学生通过校园网，使用浏览器直接访问实验台交换机的IP，就可直接访问到实验台Web服务器，登录界面如图11所示。下面通过内泄漏特性实验及阀控缸扫频实验展示实验效果。

图11 远程登录界面Fig.11 Remote login interface

(1) 内泄漏测试，是指伺服阀在负载通道封死情况下，阀芯在中位，由回油口测出的流量为泄漏流量。实验原理图如图12所示。实验步骤为:第一步检查实验台状态是否“正常”；第二步切换控制模式：将“控制模式”切换至“阀试验模式”；第三步选择被试阀将“被试阀切换”按钮切换至伺服阀；第四步进行实验参数设定，将比例节流阀设定为5，测试周期设定为100 s；第五步启动实验点击试验启停按钮；第六步实验自动进行，同时绘制输出流量-输入信号特性曲线，图13为实验所得曲线。

由内泄漏曲线可以看出，曲线并没有在零位产生最大泄漏，而是在输入信号2 V附近产生最大泄漏，主要原因是伺服阀静态特性中零偏的存在导致。

(2) 阀控缸扫频实验，原理图如图14所示，实验主要目的是为电液伺服系统设计调节器，学生通过做该实验，能对控制理论有一个直观的认识，彻底融汇贯通控制理论课程。实验步骤为：第一步检查实验台状态，在图15所示实验操作面板上，调整当前控制模式为自动模式；第二步按下“电机控制”和“风机控制”按钮，开启主泵电机和冷却风机；按下“油缸球阀控制”按钮，开启油缸控制模式；第三步在油缸运动设定模块中，“运动模式”选择“正弦波形”，“幅值”设定为50，“偏置”设定为50，“频率”设定为0.02；第四步在“油缸运动设定”模块中，在“油缸控制PID参数”栏中输入PID参数，该次实验设定参数为6，0.7，0.3；第五步点击“参数写入”按钮，再按下“动作启停”按钮启动实验，观察油缸运动轨迹控制曲线的控制效果如图16所示。

图12 内泄漏实验液压原理图Fig.12 Hydraulic schematic diagram of internal leakage test

图13 内泄漏曲线Fig.13 Internal leakage curve

图14 阀控缸扫频实验液压原理图Fig.14 Hydraulic schematic diagram of sweep frequency experiment for valve controlled cylinder

图15 实验操作面板Fig.15 Experimental operation panel

图16 扫频实验曲线Fig.16 Sweep frequency experimental curve

液压缸的中间过程跟踪响应比较好，在正弦信号的拐点附近，误差就比较大，这是因为伺服阀死区及系统惯性所致，死区使液压缸有短暂时间不能响应信号造成误差较大。

6 结论

设计的网络化液压控制阀性能实验教学系统，是一种理论与实践一体化同步教学系统，解决了由于没有与课程对应的实验设备，而使《液压伺服与比例控制系统》、《液压控制技术》等课程教学太过偏理论而轻实践的现状，而该实验设备造价非常昂贵，这就使该实验设备配比很低，所以该实验台融合了远程控制技术，解决了实验台配比不高带来的扎堆实验的问题。该实验系统是对未来教学模式发展的探索，在作者实际的教学中，取得了令人满意的教学效果，主要体现在以下几个方面：第一，它使课堂变得更生动有趣；第二，学生在课下可以方便的实现远程实验，获得需要的数据；第三，这种先进技术在教学中的加持可以提升学生的科技视野，激发学生的创新精神。