液壓表級聯(lián)式綜合檢定裝置的設(shè)計

寇瓊月 王 鵬 王浩淼

(中國人民解放軍92228部隊，北京 100072)

1 引 言

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。

2 系統(tǒng)整體方案及功能

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。

3 裝置主要硬件技術(shù)設(shè)計

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。控壓機構(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。

3.1 液壓表級聯(lián)式檢定模型

檢定采用標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

3.2 壓力生成及控制方案

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。活塞在氣驅(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)定的目標標準壓力。

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。

3.3 造壓執(zhí)行部件設(shè)計

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，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

3.4 高效造壓控制設(shè)計

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(±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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)標準壓力的設(shè)定、生成、控制及實時顯示，并具有壓力標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

5 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)

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。

6 結(jié)束語

基于同時對多個液壓表實施快速自動檢定設(shè)計目標，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。