基于二分尋值法的熱力膨脹閥自動調(diào)定系統(tǒng)的研制

謝 斌，蔣 慶，湯建斌，李兵豐

XIE Bin, JIANG Qing, TANG Jian-bin, LI Bing-feng

（中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

目前汽車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)流裝置以熱力膨脹閥為主，它的工作特性直接影響整個制冷系統(tǒng)的性能。其中熱力膨脹閥靜止過熱度和內(nèi)漏值檢測是生產(chǎn)過程中兩個重要工藝指標[1]。尤其是靜止過熱度，其調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性直接影響著閥的整體性能。

汽車空調(diào)系統(tǒng)的熱力膨脹閥主要是采用三力平衡的基本原理，如圖1所示，P1為氣箱頭內(nèi)充注介質(zhì)對應(yīng)于溫度產(chǎn)生的壓力，P2為蒸發(fā)壓力，F(xiàn)為彈簧力。靜止過熱度調(diào)節(jié)主要是在標況下通過調(diào)節(jié)F，使閥口開度改變，從而調(diào)定靜止過熱度。

目前國內(nèi)空調(diào)熱力膨脹閥靜止過熱度調(diào)節(jié)主要靠人工實現(xiàn)調(diào)定，其缺陷在于：速度慢、效率低，無法滿足高速自動化生產(chǎn)線需求；檢測精度低，檢測結(jié)果很大程度上取決于工人的主觀判斷，漏檢、誤檢率較高；工人勞動強度大，工作環(huán)境差；人力資源浪費，無法滿足當前汽車行業(yè)產(chǎn)品 “零次品”的要求。

圖1 熱力膨脹閥的工作原理圖

為了彌補傳統(tǒng)檢測方法以人工手動調(diào)節(jié)的缺陷和不足，本文設(shè)計了一種新型的熱力膨脹閥性能自動測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用PLC控制器，利用控制算法配合傳感器技術(shù)實現(xiàn)了對熱力膨脹閥過熱度參數(shù)的自動反饋調(diào)節(jié)。如圖2所示，將待測閥置于0℃恒溫槽中，再通入1.03Mpa的干燥氣體，通過壓力傳感器實時將U壓力信號反饋給PLC，從而控制步進電機帶動過熱度彈簧改變彈簧力，最終調(diào)定靜止過熱度。

圖2 熱力膨脹閥的測試原理圖

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)技術(shù)指標如表1所示。

該檢測系統(tǒng)采用多工位并行檢測，每個工位可以放置一個產(chǎn)品進行獨立測試，工位之間互不影響。該系統(tǒng)主要包括控制單元、測試單元、氣路單元、執(zhí)行單元和溫控單元。其測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

表1 熱力膨脹閥測試系統(tǒng)技術(shù)要求

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)單元中，其控制單元主要是一臺CP1H系列的PLC組成，它是一個高性能高效穩(wěn)定的一種控制器，并且它自帶有AD采集模塊能夠?qū)崟r采集傳感器信號。而系統(tǒng)工作壓力采用的是0～1.6Mpa、精度為0.5%FS壓力傳感器。靜止過熱度壓力測試采用的是0～1Mpa、精度為0.1%FS壓力傳感器。氣路單元主要是氣路上的元器件以及管路分布。執(zhí)行單元主要是控制夾緊氣缸、下壓氣缸等氣動元器件。溫控單元主要控制一臺可實時采集控制溫度的恒溫槽。測試單元中，通過PLC控制器對步進電機、夾緊氣缸、下壓氣缸、報警燈、電磁閥等元器件進行控制，從而完成測試調(diào)定整個流程。由于電機的選型對系統(tǒng)至關(guān)重要，因此我們采用了日本公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，其特點是高精度、高穩(wěn)定性、體積小并且抗振防潮、抗干擾等優(yōu)點。從而在調(diào)定過程中，保證了電機驅(qū)動調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

如圖4所示是單工位氣路測試原理圖。

圖4 單工位氣路測試原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的主流程完成初始化后則會進入到自動運行界面。按啟動按鈕，設(shè)備開始自檢，待自檢完成后系統(tǒng)會對產(chǎn)品是否合格做出判斷并亮燈提示，待檢測完畢則氣缸復(fù)位結(jié)束。如圖5所示是該系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)的檢測流程是整個系統(tǒng)的核心，該流程中涉及控制策略與算法，以及整個檢測步驟。控制器會根據(jù)檢測對象不同選擇最合適的控制參數(shù)，保證整個系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，從而提高調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)效率。如圖6是檢測過程流程圖。

圖6 檢測過程流程圖

3 系統(tǒng)控制策略及算法

在熱力膨脹閥自動調(diào)定過程中，由于調(diào)節(jié)時傳感器反饋信號延時所帶來的滯后性以及閥的性能差異性，造成了超調(diào)或者調(diào)節(jié)不到位的現(xiàn)象。為了使該系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，因此我們引入二分尋值等算法。

如圖7是將一個標準的熱力膨脹閥置于標況中，電機每調(diào)節(jié)0.005圈所對應(yīng)的靜止過熱度一共采集了400個點，擬合出的相對調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度曲線。

在熱力膨脹閥工業(yè)生產(chǎn)中其靜止過熱度一般調(diào)節(jié)范圍為0.12Mpa～0.18Mpa。因此本文系統(tǒng)將調(diào)節(jié)過程分成了實時采集調(diào)節(jié)法和二分尋值法[2]兩個主要步驟。

1）實時采集調(diào)節(jié)法，如圖7所示，當靜止過熱度＞0.2Mpa時，u和K很大，即調(diào)節(jié)圈數(shù)Y≈u×K，調(diào)節(jié)過程中不確定度很大，很容易造成超調(diào)的現(xiàn)象。為此系統(tǒng)引入實時采集調(diào)節(jié)法，保證盡快調(diào)節(jié)到0.2Mpa附近。

2）二分尋值法，如圖7所示，當靜止過熱度＜0.2Mpa時，其斜率很小，為能快速調(diào)到設(shè)定值，采用二分尋值法。由于熱力膨脹閥靜止過熱度和電機調(diào)節(jié)圈數(shù)是個單輸入單輸出的關(guān)系，且在調(diào)節(jié)過程中始終處于單調(diào)連續(xù)的關(guān)系。所以滿足了二分尋值法的基本要求。

設(shè)靜止過熱度的標準值的下限值等于umin(i)，采用二分法時每次開、關(guān)孔板閥后讀取的靜止過熱度等于umax(i)，所要調(diào)節(jié)的靜止過熱度的標準值等于uY，則所需調(diào)節(jié)的圈數(shù)為Y。

如圖8 所示，相對調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度在0.12Mpa～0.18Mpa范圍內(nèi)的曲線并非是一條直線，其斜率是有變化的。為了提高調(diào)節(jié)精度，我們借鑒了直線插補運算[3]。

圖8 相對調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度（2）

本系統(tǒng)將目標調(diào)定靜止過熱度uY與0.2Mpa區(qū)間內(nèi)的相對調(diào)節(jié)圈數(shù)的靜止過熱度曲線進行進行有限分段(u1,u2,…,ui,…,uy)并根據(jù)數(shù)據(jù)模型庫中的數(shù)據(jù)自動計算出各分段兩點間的斜率(K1,K2,…,Ki,…,Ky)，則當前目標靜止過熱度所對應(yīng)的調(diào)節(jié)圈數(shù)為：

由下面公式可知：

其中umin(i),umax(i)分別表示為第i次調(diào)節(jié)后uk取值的最大最小值，e(i)表示第i次調(diào)節(jié)后uk的取值范圍，A為靜止過熱度所需調(diào)定范圍的最大值與最小值之差。

隨著i的次數(shù)增加，e(i)的范圍越來越小，則uk在不斷逼近標準值uY時，其調(diào)節(jié)的不確定度不斷減小，從而造成了K對于最終調(diào)節(jié)圈數(shù)Y=K×e(i)的影響也越來越小。因為e(i)隨著調(diào)節(jié)次數(shù)增加始終處于收斂狀態(tài)，所以其最終調(diào)定精度始終處于收斂的。如圖9二分法尋值范圍指數(shù)衰減曲線圖所示。

圖9 二分法尋值范圍指數(shù)衰減曲線圖

表2 檢測與分析計算結(jié)果 壓力單元：Mpa

4 系統(tǒng)檢測結(jié)果及分析

為了滿足熱力膨脹閥生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制要求，該檢測系統(tǒng)必須在保證生產(chǎn)效率節(jié)拍的前提下具有良好的準確性和穩(wěn)定性。為此我們分別從以下兩個方面對靜止過熱度檢測系統(tǒng)性能進行分析評定：

1）如圖10所示三種調(diào)節(jié)方法的對比，自動調(diào)節(jié)中，引入二分尋值法后，消除了超調(diào)等現(xiàn)象。同時與傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)方法相比，由于系統(tǒng)采用4工位并行生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍。通過生產(chǎn)現(xiàn)場統(tǒng)計，單工人8個工時最多可調(diào)節(jié)檢測600～700個產(chǎn)品，而相同時間該系統(tǒng)至少能檢測2000個產(chǎn)品以上，并且消除了人為因素的影響，產(chǎn)品誤檢率降低了大約15%。

圖10 靜止過熱度隨時間變化曲線

2）檢測系統(tǒng)的性能分析。為了科學(xué)分析該檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。我們引入了機器能力指數(shù)CMK[8](Machine capability index)對系統(tǒng)進行性能評定。

從生產(chǎn)線現(xiàn)場分別對四個工位檢測歷史數(shù)據(jù)庫中分別隨機抽取了20組數(shù)據(jù)。如表2是檢測與分析計算結(jié)果。

由于四個工位是設(shè)備中的整體，其調(diào)節(jié)工況以及實現(xiàn)的功能都一樣，所以可以將四個工位的數(shù)據(jù)當做整個系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)進行性能評定已知以下個參數(shù)的計算公式為：

其中，min為最小值，USL為上公差界限，UCL為下公差界限，總體平均值，S為樣本標準偏差。

整個系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)平均值為0.137238，而標準偏差為0.846×10-3，則求得CMK為1.876＞1.67，從而證明了該系統(tǒng)能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定具有可靠性。

5 結(jié)束語

本文研制的熱力膨脹閥自動調(diào)定系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)線對熱力膨脹閥靜止過熱度自動調(diào)定檢測，以及內(nèi)漏值檢測。不僅充分滿足了熱力膨脹閥生產(chǎn)線質(zhì)量控制要求，而且大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍和效率，由于只需一人即可操作多臺設(shè)備，大幅度降低了人工成本，并且該系統(tǒng)具有良好的準確性和穩(wěn)定性以及調(diào)節(jié)精度，為企業(yè)生產(chǎn)帶來了很大的效益。

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