橋式氣動回路節能方法實驗系統研究

姜忠愛，熊 偉，張啟暉，度紅望, 王志文

(1.大連海事大學 船舶機電裝備研究所，遼寧 大連 116026；2.大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023；3.江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000)

引言

橋式氣動回路采用多個開關閥獨立控制氣缸的進氣與排氣，以其獨特的回路結構與進排氣方式受到國內外專家學者的關注[1-4]，研究表明，對比傳統氣動回路在一腔進氣的過程中另一腔必須排氣的情形，橋式氣動回路可有效節約系統耗氣量。德國Festo公司以及熊偉教授及其研究團隊利用運籌學理論及數學優化手段，對橋式氣動回路開關閥的控制時序進行了深入研究，取得階段性研究成果，采用優化后的開關閥控制時序進行獨立供氣與排氣，可最高節約75%耗氣量，并提高了氣缸運行的平穩性[5-8]。本研究以前人理論研究成果為基礎，特別基于優化方法已獲得供排氣時序的情況下[6-10]，以實現對理論研究成果的驗證與校準、提高活塞運行平穩性為目標，通過LabVIEW虛擬儀器技術，開發可適應多工況、多條件需求的實驗系統。

近年來LabVIEW虛擬儀器技術廣泛應用于實驗系統開發與閥件性能測試領域，取得了較好的應用效果[11-13]。在氣動系統控制與檢測方面，也有較多成功的應用實例[14-16]，如王飛等[17]研究了基于LabVIEW 的氣動比例壓力控制系統以及氣動位置伺服控制系統；胥軍等[18]基于LabVIEW開發了針對于氣動系統的檢測系統，以上研究均充分驗證虛擬儀器技術在氣動系統檢測方面的適用性。本研究利用虛擬儀器技術深入研究應用于橋式氣動節能回路控制與檢測的方法，實現基于進氣量需求、供氣時間需求、活塞位移需求以及傳統持續供氣需求等4種控制方式。系統運行狀態變量包括壓力、流量、活塞運行速度、位移等參數可以實時顯示與保存。經實驗驗證，測控系統能夠通過信號采集與分析，結合程序中嵌入的數學模型自動實現精準、快速的進排氣控制，所檢測與保存的系統運行參數真實有效，能夠滿足對橋式氣動回路節能方法理論研究成果準確性驗證與評估。

1 測控系統硬件組成

本研究的基于橋式氣動回路測控系統硬件由1個單桿雙作用氣缸、4個開關閥、傳感器、數據采集卡以及工控機組成，如圖1所示。壓力傳感器用于監控管路和腔室的氣體壓力；流量傳感器用于測試系統進排氣流量；位移傳感器用于檢測活塞桿伸出位移。所有的檢測數據通過數據采集卡傳輸給工控機，測控軟件系統對檢測數據進行分析、計算、顯示與保存。同時根據計算結果對4個開關閥進行開關控制，實現氣動系統按照既定的運行要求進行工作。

1.氣動三聯件 2.二位二通電磁閥 3.消音器 4.流量開關 5.壓力傳感器 6.氣缸

2 系統建模

氣動系統熱力學及能量消耗描述，是控制系統能夠根據實時采集數據進行系統狀態分析與控制的基礎，是智能控制的核心智庫，因此需對氣動系統運行基本規律進行描述。

2.1 氣體流量方程

根據壓縮空氣流量計算公式，氣體流經閥件的體積流量如式(1)所示：

式中，qv—— 氣體標況下體積流量

C1—— 聲速流導

ρ—— 氣體密度

ps—— 閥件上游氣壓

px—— 閥件下游氣壓

b1—— 臨界壓力比

2.2 系統能量消耗組成

根據氣體能量守恒方程：

(2)

式中，H1,H2—— 氣體狀態變化前后的焓值

m—— 氣體質量

v1,v2—— 氣體狀態變化前后的速度

g—— 重力加速度

z1,z2—— 氣體狀態變化前后的質心高度

Q1—— 氣體與外界熱量交換

W2—— 氣體與外界之間的做功能量交換

起始動能和勢能忽略不計，則氣缸伸出過程氣體能量方程為：

H1=H2+W2

(3)

對于氣缸充氣過程，式(3)中W2為氣體沖入氣缸過程中對外做功，其組成如式(4)所示：

W2=We+Wf

(4)

式中，We—— 氣體體積變化做功

Wf—— 負載移動過程中克服摩擦力做功

壓縮氣體制備過程近似為等溫過程，焓值保持不變；活塞伸出過程，近似為絕熱過程，則根據氣體熱力學定律，代入相關物理量參數，整理獲得系統所需標準狀態下的最少空氣量V0滿足式(5)：

(5)

式中，Vm—— 氣體摩爾體積

p0—— 標準狀態下氣體壓力

V0—— 最少耗氣量在標況下的體積

p2—— 行程終點缸內氣體壓力

V2—— 氣缸容積

p1—— 氣源供氣壓力

k—— 絕熱指數，取值1.4

μ——摩擦系數

l——活塞行程

3 測控系統功能組成

3.1 系統設計基本思路

本研究的橋式氣動節能回路測控系統主要應用LabVIEW虛擬儀器技術實現對系統壓力、流量、位移等關鍵參數的采集、計算與保存，根據計算結果及系統設定，自動控制進排氣回路開關閥的通斷控制。系統功能組成關系如圖2所示。

圖2 系統功能組成

根據系統測控需求設計程序交互界面及功能模塊設計，其系統交互界面如圖3所示。

圖3 系統交互界面

3.2 系統功能簡介

在交互界面中主要有“設置面板”、“控制序列”、“數據處理”、“特性曲線”四大功能選項卡。

“設置面板”選項卡主要實現對采集卡功能參數、氣缸幾何參數、閥件性能參數等硬件條件的設置；“控制序列”選項卡主要顯示工作過程中4個開關閥的通斷情況；“數據處理”選項卡主要用于顯示、瀏覽保存測控實驗數據，包括腔室壓力、流量、活塞速度和活塞位移等數據；“特性曲線”選項卡主要包含氣動回路運行過程中壓力、流量、速度和位移等參數的顯示窗口，以及本研究主要研究的4種控制方式的功能設定。

傳統控制實現對氣缸一端持續供氣另一端持續排氣直至活塞到達行程終點；位置控制可以通過位置傳感器獲得的數據，在特定位置下關閉或開啟相應閥件；算法控制可實現定量進氣，通過檢測實際進氣量與理論進氣量的關系，當氣缸內充入理論進氣量后，關閉進氣閥，實現定量供氣，理論進氣量是利用實驗系統中編寫的數學模型，結合實際系統參數自動解算出來的；在時間控制方式下，可以設定每個閥件的通斷時刻，用于驗證優化結果的準確性，通過多次試驗調整優化結果偏差，以獲得更優的供排氣方案。本研究以活塞桿伸出行程為實驗對象，介紹算法控制和時間控制2種功能的作用與性能評估。

4 系統功能應用與實驗

4.1 算法控制

算法控制即基于最小耗氣量的定量進氣控制方法。橋式氣動回路，是通過4個開關閥實現氣缸進氣與排氣獨立控制，充分利用壓縮氣體的膨脹能做功，實現氣動系統節能。本研究以活塞桿伸出行程為研究對象，在既定的供氣壓力、系統負載、活塞行程等參數的條件下，根據數學建模式(5)自動計算出系統所需的耗氣量。

在實際工作過程中，通過實時檢測開關閥上下游壓力，根據數學建模式(1)，不斷更新獲得進入無桿腔的空氣量，當達到所需空氣量后，自動關閉進氣閥，活塞將在氣體的膨脹能作用下繼續運動，實現能量充分利用，達到節能目的，相應的程序實現方法如圖4所示。

圖4 進氣量實時測控程序

以活塞伸出行程為實驗對象，因此僅考慮無桿腔進氣閥通斷控制即可，有桿腔排氣閥始終保持暢通。試驗條件為：氣源壓力0.5 MPa(表壓力，無特別說明，本研究所述壓力均為表壓力),負載38.48 kg，氣缸行程0.6 m，氣缸內徑0.063 m。由式(5)可計算系統最少需要2.7 L標況下氣體，系統根據實際進氣量與所需空氣量對比，在進氣0.25 s后自動停止進氣。實驗過程中測得實際腔室壓力、活塞位移、進氣流量、活塞速度等參數如圖5所示。

圖5 定量供氣條件下回路狀態參數變化情況

實驗結果顯示，實驗系統能夠根據所建立的理論耗氣量模型結合既定氣動系統中氣缸缸徑、行程、供氣壓力等參數計算出系統所需空氣量，并通過檢測實際進氣量與所需空氣量的關系控制開關閥件的通斷。當進氣量到達所需空氣量時，即關閉進氣閥，活塞在氣體膨脹能做功條件下，于0.63 s平穩到達行程終點，完成既定的工作要求。根據實驗系統檢測數據，全程耗氣量為2.58 L，與理論計算值2.7 L相差4.4%。可見系統測試結果準確、相應速度快，滿足橋式氣動回路定量供氣控制方法的實際應用需求。

4.2 時間控制

時間控制是實現手動設定的閥件供氣與排氣時刻的需求，主要用于驗證橋式氣動回路，以氣動系統節能為優化目標，獲得開關閥通斷時序的準確性，特別是對于優化時序較為離散的情況，通過整合或微調閥件開閉時間獲得更優的供排氣方案，為修正理論優化模型提供幫助。

在基于氣動系統最少耗氣量為目標的理論優化研究階段，通過運籌學理論，可以獲得在特定負載、氣缸及進氣壓力等條件下一系列通斷閥開閉時間，部分優化結果過于離散或不適于實際應用，因此需要對所獲得的各開關閥工作時序表的準確性和實用性進行驗證。通過時間控制功能可以完成這一目的，通常經過反復的實驗驗證，必要時對所獲得的通斷時序表進行調整，以便獲得最優的控制策略。圖6為理論優化方法獲得的在0.2 MPa供氣壓力下，進氣時長0.35 s，排氣時刻在0.35 s附近相對離散的情況，圖中1為通氣，0為截止。因此采用時間控制方式進行實驗，表1為實驗設計的3個排氣時刻點以驗證理論優化結果的準確性，并通過結果分析獲得有價值的規律。

圖6 通過優化獲得進排氣閥通斷時序

表1 相同進氣時長不同排氣開始時刻實驗設計

根據表1設定的進排氣時刻，利用時間控制方法開展實驗，獲得活塞運行速度及耗氣量曲線如圖7所示。從圖7a系統耗氣量情況看，要實現系統耗氣量減少，排氣閥需要在系統運行一段時間后開啟，有助于進氣腔壓力的快速上升，降低進氣腔流量，實現在相同的供氣時間內較少壓縮空氣消耗。從圖7b活塞速度對比曲線可以看出，排氣時間會影響活塞運行平穩性，不同的排氣時間活塞的速度變化差異較大，即活塞運動平穩性有較大區別。大量優化計算及實驗表明，過早排氣節能效果不佳，過晚排氣對活塞運行效率不利，甚至出現活塞反彈。綜合分析，在進氣終止時刻之后的一個時間區間內開始排氣，可以獲得耗氣量較少和活塞運行平穩均優的效果，這一結論為理論優化邊界條件設定提供參考，有助于獲得更優的解算結果。

圖7 不同排氣時間回路狀態參數對比

4.3 實驗系統準確性驗證

為客觀評價實驗系統測控結果的準確性和可信度，本研究利用MATLAB/Simulink進行橋式氣動回路系統仿真建模，將仿真結果與測控系統實際測控結果進行對比分析，以實現對實驗系統的性能驗證。圖8為橋式氣動系統 Simulink仿真程序結構。

圖8 橋式氣動系統Simulink仿真結構圖

圖9為進氣壓力0.5 MPa、負載38.48 kg條件下仿真與實驗結果對比情況。

圖9 實驗與仿真結果對比圖

通過對比仿真與實驗測試結果，活塞的位移、兩腔壓力曲線在變化趨勢和數值方面均有較好的吻合，在其他條件的仿真與實驗中也得到了相同的結論，可以看出本實驗系統工作穩定、功能完善，所測得的數據真實有效，能夠滿足橋式氣動回路實際運行測控實驗需求。

5 結論

本研究完成了基于LabVIEW平臺開發的適用于由4個開關閥構成的橋式氣動回路實驗系統，該系統可以準確檢測氣動回路運行過程中相關參數，根據系統建模，快速計算與分析，控制橋式氣動回路按照既定設置運行，主要實現氣動系統在定量或定時進排氣條件下運行，實現對理論研究成果的驗證與修正。通過對系統實際運行情況分析，該實驗系統工作穩定、響應速度快、檢測數據真實準確，為橋式氣動回路節能方法研究提供了有力的支撐。本實驗系統還可以實現基于活塞位置需求和傳統持續供氣工況下的測試與控制，但受限于空氣的可壓縮性及溫度變化對其體積的影響，活塞位置控制的精確性有待進一步提高。后續研究將結合運籌學理論，升級智能運算模塊，以活塞整個工作周期為研究對象，結合實際應用需求，使之可以運用數學優化算法自動獲得不同工況下各開關閥通斷時序，提升系統的適應性和智能化水平。