電液伺服閥測試臺的開發

余晨陽，陳新元，彭海洋，桂曉江

（1.武漢科技大學機械學院，湖北 武漢430081；2.廣東省韶關市質量計量監督檢測所，廣東 韶關512000；3.江蘇力源液壓機械有限公司，江蘇 淮安223001）

1 引言

電液伺服控制在控制領域中起著十分重要的作用，性能的好壞直接影響著控制系統質量［1］。伺服閥其本身結構精密，價格昂貴。因此在伺服閥的使用前和使用過程中，應進行各項的性能測試，包括空載流量測試、壓力增益測試、內泄漏測試等，通過測試了解其性能和指導維修。

綜合上述考慮，提出并設計了一種能夠用于各種伺服閥測試的測試系統，測試過程中通過上位機完成對整個系統的控制，并對采集到的信號進行曲線繪制、信號分析、數據存檔、輸出報表等工作。

在對采集到的信號分析過程中發現，測試系統會受到各類噪聲信號的干擾。因此，針對以上情況采用了不同的濾波器對噪聲的剔除效果進行了對比研究，選擇效果更佳的迭代濾波器。

2 測試系統的組成

2.1 能源系統

系統主要參數為：最大流量為100L/min，最高工作壓力為31.5MPa。在泵的入口采用帶有報警裝置的蝶閥，增加實驗的安全性能。出口配置有壓油過濾器保證被測伺服閥產品及各元件工作的可靠性。油箱配備了溫度和液位報警系統。供油回路的壓力調整通過電磁溢流閥遠程控制實現。

2.2 測試試驗臺

試驗臺為待測元件、儀表和傳感器提供安裝平臺，為降低使用過程中的故障發生率，采用可靠性較高的無泄漏電磁開關閥實現對不同油路的切換控制。并采用集成油路簡化油路結構，減少了外部油路連接。

2.3 測控系統

數據采集處理及電氣控制系統由動力電控柜、試驗操作控制臺、上位機臺、軟件及人機界面、數字顯示屏組成。數據采集控制分別采用美國NI公司數據采集系統及西門子型號為S7-200的PLC，系統組成，如圖1所示。

圖1 測控系統Fig.1 Measurement and Control System

2.3.1 PLC控制系統

運用電控柜引入試驗臺總電源，用于對液壓動力系統的各電動機供電并控制起停運行或變頻調速。采用PLC向工控機提供電動機運行狀態信號。向油源系統、試驗臺操作控制臺、工控機柜和其他用電點提供所需的電源，采集控制柜放置在封閉式臺架中。油路系統中的各個閥的報警信號、油箱液位信號、溫度報警信號、油路切換信號、油路的控制信號主要靠PLC來處理完成，以此保證設備的可靠性及穩定性。

2.3.2 CAT系統

CAT系統采用NI公司的LABVIEW開發，其圖形化的編程和豐富的通訊方式，使得其擁有其它編程語言無法比擬的可讀性和交互性，可以快速的組建自己的虛擬儀器系統［2］以滿足測試系統的需求，縮短軟件的開發周期。流程圖如圖2所示，該測試程序能完成壓力、流量等參數的自動采集，根據測試項目的不同進行數據處理、存儲備份，并由計算機自動生成相應的試驗曲線及試驗報告，并根據需要予以保存和打印輸出，試驗數據以XLS格式保存，以此保證和其他軟件的兼容性，便于后期對數據進行其他的分析和處理。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Software Flow Chart

在進行各項測試前應該對測試系統進行參數設置，以滿足不同的測試項目的需求。以空載流量特性測試為例，測試系統應對模擬輸入、模擬輸出，采樣時鐘的采樣率和采樣點數、輸出信號的類型進行設置，軟件參數設置界面，如圖3所示。

圖3 測試系統參數設置界面Fig.3 Testing System Parameter Setting Interface

在如圖4信號輸出模塊中，為增加測試精度，在信號開始和結束階段，分別加入一段歸零信號，對信號進行校正，保證閥芯的初始位置和結束位子均為中位。其中，采樣點數，波形采樣率，波形個數，信號周期的關系如下：

圖4 信號發射模塊Fig.4 Signal Transmitting Module

式中：N-總的模擬輸出采樣點數；n-信號波形個數；FS-波形采樣率；T-信號周期；N0-歸零信號點數。

3 電液伺服閥靜態測試原理

3.1 空載流量特性測試

測試系統液壓原理圖如圖5所示，當伺服閥處于空載工作狀態即A、B口之間沒有負載的情況下，模擬輸入電壓信號和采集到的流量信號之間對應的關系曲線就是空載流量特性曲線［3］。

圖5 液壓系統原理圖Fig.5 Schematic Diagram of Hydraulic System

具體測試方法如下：（1）通過工控機使電磁截止閥10，18得電開啟，電磁三通換向閥11得電開啟，電磁截止閥19失電關閉。（2）設定電磁溢流閥6在該試驗系統中所需的溢流壓力，啟動油泵。（3）通過測試軟件模擬輸出模塊輸出一個幅值為±V完整的三角波信號。（4）采集模擬輸出信號和流量傳感器8的流量信號，生成空載流量特性曲線。

3.2 壓力增益特性測試

壓力增益特性是在閥的額定供油壓力下，關閉A、B之間回路。同時通過壓力傳感器來分別檢測A、B兩個油口的壓力PA和PB，得到的對應的壓力信號和模擬輸入電壓信號的關系曲線［9］。

具體實驗方法如下：（1）通過工控機使電磁截止閥10，18失電關閉，電磁三通換向閥11得電開啟，電磁截止閥19失電關閉。（2）設定電磁溢流閥6在該試驗系統中所需的溢流壓力，啟動油泵。（3）通過測試軟件模擬輸出模塊輸出一個幅值為±V完整的三角波信號。（4）通過采集卡采集模擬輸出信號和A、B口壓力信號，生成壓力增益特性曲線。

3.3 內泄漏特性測試

內泄漏特性是指在額定供油壓力下，關閉A、B之間的口供油回路，模擬輸入電壓信號和采集到的回油口的流量信號之間對應的關系曲線。

具體實驗方法如下：（1）通過工控機使電磁截止閥10，18，19失電關閉，電磁三通換向閥11，，12失電處于常位。（2）設定電磁溢流閥6在該試驗系統中所需的溢流壓力，啟動油泵。（3）通過測試軟件輸出一個正負值均為測試閥額定信號大小的線性信號。（4）采集輸出信號和流量計21的信號，生成內泄漏特性曲線。

4 測試系統中的濾波研究

由于液壓系統處于較為復雜的工作環境中，其中機械振動、電氣干擾、液壓介質溫度特性均會對系統的正常信號造成一定程度的干擾，對特征曲線的繪制帶來很大的影響［4］。所以測試系統需要對采集到的數據進行濾波處理。目前液壓系統中大多采用數字濾波器對原始信號進行處理，以此初步濾除和正常信號頻段相差較大的干擾信號。但因為數字濾波器對不同頻段的信號沒有自適應的能力所以在處理和正常信號頻段接近的干擾時效果不佳，并存在一定程度的峰值衰減［5］。

為了準確過濾這些干擾信號，采用迭代濾波分解算法，對信號進行處理。該算法使用foker-planck方程構造濾波函數，通過若干次的迭代運算，使各類干擾從原始信號中剝離出來，從而得到具有穩定特征的模態分量，能夠有效降噪精確度較高［6］。

4.1 迭代濾波分解原理

迭代濾波分解（iterative filter，decomposition，IFD）能夠按照信號頻段的不同自適應地將一個復雜信號分解為若干個相互獨立的內稟模態分量和一個趨勢項之和。該方法包含了用于提取特征分量的內循環和判斷截止條件的外循環［7］。

4.1.1 內循環過程

內循環過程中，通過計算待分解信號z(t)與濾波函數ω(t)的卷積得到滑動算子Γ(z(t))：

式中：l(z)-濾波區間，可利用式（2）得到：

式中：λ-設置參數1.6～2；m-分解信號的極值點數；N-信號長度。

將（2）式中計算得出的滑動算子從信號z(t)中提取出來后得到了波動算子k(z(t))：

若波動算子k(z(t))滿足IMF條件，則k(z(t))為提取到的IMF分量，但初次計算的結果不能得到固定頻率的IMF分量，需要進行反復的篩選，重復（2）至（5）過程：

當n趨近于無窮大時，若I(t)滿足IMF條件，則完成一次IMF分量提取。

在實際計算中式（6）中的方法由于計算時間的限制通常采用基于泰勒級數等價后的公式（7）作為第i個波動算子的IMF判據。

4.1.2 外循環過程

外循環的作用在于停止內循環對IMF的提取進程并從分解信號z(t)中移除內部循環中識別的IMF分量I(t)，以計算剩余分量：

當呈現明顯的趨勢特征時，迭代終止，并且完成整個迭代濾波器分解過程，否則r(t)賦值為重復內循環過程。

4.2 實際濾波效果

對空載流量特性曲線、壓力增益特性曲線、內泄漏特性曲線分別采用巴特沃斯［8］數字濾波器（低通濾波器，通帶為（0～10）Hz）和迭代濾波分解對原始信號進行處理。

4.2.1 空載流量信號處理

空載流量原始信號，如圖6所示。存在明顯的噪聲干擾，這些干擾信號會對空載流量曲線滯環的判斷、流量增益的計算等造成很大的干擾、影響特征曲線的分析。

圖6 空載流量原始信號曲線Fig.6 No-Load Flow Original Signal

首先，采用巴特沃斯數字濾波器進行濾波效果圖，如圖7所示，經過數字濾波器對原信號進行處理后信號的毛刺情況有所改善但是對信號的處理效果還是不夠理想，例如：在控制流量為零時的電壓信號的毛刺對滯環的判斷還是帶來了一定程度的影響。

圖7 數字濾波器濾波后空載流量曲線Fig.7 No-Load Flow Curve after Digital Filter Filtering

針對數字濾波器對信號處理后效果不夠理想的情況，通過采用迭代濾波算法對信號進行分解，對含有干擾的原始信號進行濾波處理。經過五次迭代提取IMF分量后，結果圖如圖8所示。

圖8 迭代濾波IMF分量圖Fig.8 Iterative Filtering IMF Component Diagram

從圖8（迭代濾波IMF分量圖）中可以看出噪聲信號集中在IMF1到IMF3分量中且存在頻段和正常信號接近的諧波干擾IMF4。因此在分解時只要去掉這些干擾信號，就可以達到較好的過濾效果，濾波后的信號為：

去除干擾信號后的空載流量特性曲線如圖9所示，經迭代濾波后整段曲線的毛刺明顯減少，光滑性也有所增加，提高了數據的準確度。

圖9 迭代濾波后空載流量曲線Fig.9 No-Load Flow Curve after Iterative Filtering

為進一步驗證迭代濾波算法對頻段接近信號的剝離效果，分別對圖8中的IMF4特征分量和剩余信號分量IMF5分別進行FFT變換，得到的頻譜圖，如圖10所示。由圖可以看出頻率十分接近的干擾信號也從原始信號中剝離了出來，有效避免了在干擾信號和信號頻率接近的情況下普通數字濾波器存在頻率混疊的問題。

圖10 IMF4特征分量和剩余信號IMF5頻譜圖Fig.10 IMF4 Characteristic Components and IMF5 Spectrum of Residual Signals

4.2.2 壓力增益曲線濾波處理

考慮到設備老化和其他因素的影響壓力變送器的干擾情況嚴重，壓力增益曲線原始信號，如圖11所示。分別采用巴特沃斯數字濾波器和迭代濾波算法所構造的濾波器，分別對原始信號進行處理，處理后的效果圖，如圖12、13所示。

通過圖12、13的對比可知在噪聲干擾非常嚴重的情況下，數字濾波能起到一定程度的降噪和平滑曲線的效果，但是濾波效果沒有迭代濾波理想。

圖12 數字濾波器濾波后壓力增益曲線Fig.12 Pressure Gain Curve of Digital Filter after Filtering

圖13 迭代濾波后壓力增益曲線Fig.13 Pressure Gain Curve After Iterative Filtering

4.2.3內泄漏特性曲線濾波處理

內泄漏特性測試中，系統同樣受到一定程度的干擾，內泄漏曲線原始信號，如圖14所示。分別采用上述數字濾波器和迭代濾波分解方法分別對內泄漏曲線進行處理。效果如圖15、16所示。

圖14 內泄漏原始信號曲線Fig.14 Internal Leakage Original Signal Curve

圖15 數字濾波器濾波后內泄漏曲線Fig.15 Digital Filter Filtered Internal Leakage Curve

4.3 數據標準差對比

為驗證數字濾波器和迭代濾波算法的準確性，分別對巴特沃斯數字濾波和迭代濾波處理后的數據進行標準差的計算，如表1所示。通過五組數據標準差的對比可以看出迭代濾波器的標準差均小于數字濾波器，數據的精確度更高。

圖16 迭代濾波后內泄漏曲線Fig.16 Iterative Filtered Internal Leakage Curve

表1 數字濾波和迭代濾波后和原信號的標準差Tab.1 Standard Deviation of Original Signal After Digital Filtering And Iterative Filtering

通過上述曲線的對比以及數據標準差的對比，結果表明，迭代濾波器的濾波效果優于巴特沃思數字濾波器。在噪聲干擾嚴重的情況下，迭代濾波器濾波后平滑性強于巴特沃斯數字濾波器，由于迭代濾波器對不同頻率有自適應的特點，在干擾信號頻率和信號的頻率接近時，迭代濾波器也可以有效的將干擾信號剝離開來，避免了頻段相近的干擾信號的混疊，提高了數據的精確性。

5 結論

提出并設計了一種伺服閥測試系統，采用計算機作為上位機完成對系統的測試和控制，并通過LABVIEW編程開發了一套適用于伺服測試的應用程序，實現了伺服閥靜態特性的自動測試。針對采集到的信號存在干擾的問題，對比了普通數字濾波器和迭代濾波器的濾波效果后系統采用了效果更佳的迭代濾波器。