基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统

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第31卷 第2期 仪 器 仪 表 学 报 Vol.31 No. 2 2010年2月 Chinese Journal of Scientific Instrument Feb. 2010

基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统

郭北涛，柳洪义，曹 阳，罗 忠，王 菲

（1 东北大学机械工程与自动化学院 沈阳 110004;

2 沈阳化工学院 沈阳 110142）

摘 要：传统的电磁阀综合特性测试劳动强度大,效率和测试精度都较低，为了克服这一不足，介绍了一种基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统。该系统实现了电磁阀综合特性的各项测试和测试过程中的自动控制，大大提高了电磁阀综合特性测试的测试精度和效率。简要说明了电磁阀综合特性试验的内容；介绍了流体试验台架；设计了采用虚拟仪器技术开发的测试系统软件和硬件部分；给出了实现大范围且高精度压力测量的压力分级测量方法；最后提出了测控系统实现精确压力控制的控制策略并通过具体的测试结果给以验证。 关键词：电磁阀；测试；控制；虚拟仪器技术

中图分类号：TP206 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：420.40

1,2

1

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1

1

Measurement and control system for comprehensive performance of

solenoid valve based on virtual instrument technique

Guo Beitao1,2, Liu Hongyi1, Cao Yang1, Luo Zhong1, Wang Fei1

(1 School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China;

2 Shenyang Institute of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Abstract：Traditional test methods for comprehensive performance of solenoid valve are characterized as inten-sive labor, low efficiency and poor accuracy. In order to avoid these shortcomings, this paper presents a meas-urement and control system for comprehensive performance of solenoid valve based on virtual instrument tech-nique. The system is able to test all the contents of comprehensive synthetic performance and control the test pro-cedure automatically. Test efficiency and accuracy are improved. In this paper, the contents of synthetic perform-ance test are explained and a hydraulic test bed is introduced. Software and hardware based on virtual instrument

technique are designed. A pressure step-measuring method with large range and high accuracy is given. At last, the strategy of accurately controlling pressure is discussed and is verified by experimental results. Key words：solenoid valve; measurement; control; virtual instrument

1 引 言

电磁阀具有结构简单、外形尺寸小且响应时间短等优点，已成为工业控制系统中重要的执行元件，其性能好坏直接关系到整个系统的安全性及可靠性。因此，电磁阀综合特性的测试是电磁阀研发和生产中必不可少的重要环节。传统的电磁阀综合特性测试劳动强度大、效率和测试精度都较低，而随着科技的发展，对电磁阀产品要求越来越高，其产品的更新换代速度也越来越快,

所以制造高精度电磁阀的需求及研发和生产周期的缩短使得依托采用计算机自动检测电磁阀成为电磁阀研制和

[1]

生产单位的首选。

电磁阀综合特性测试的测试项目多，其测试系统复杂且要求高可靠性和柔性。国际上有较为先进的电磁阀检测设备，可实现对各种型号电磁阀的高精度和高效率自动测试。不足之处是这类检测设备的价格昂贵且设备供应周期和后期维护都较困难，而目前国内则鲜有对同类课题的报道，因此，我们与中国电磁阀国家标准起草单位合作，共同研制开发了一种基于虚拟仪器技术的电

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磁阀综合特性测控系统。该系统实现了电磁阀综合特

性的各项测试和测试过程中的自动控制,可大大提高电磁阀综合特性测试的测试精度和效率，并降低了测试成本, 可以应用于实际生产检测以及新产品研发测试，并对推动该企业电磁阀的生产及电磁阀行业的发展起着重要的作用。

2 电磁阀综合特性测试的各项指标和要求

电磁阀的综合特性测试包括2部分：出厂检测和新产品开发性能检测试验。出厂检测包括：动作检测（包括低压动作试验和高压动作试验）、密封检测和泄漏检测（包括低压泄漏试验和高压泄漏试验），这些检测是在电磁阀出厂时进行的，检测合格后方可出厂；新产品开发性能检测试验包括：额定流量系数(Kv值)试验、流阻试验、寿命试验和响应时间试验，这些试验是在开发新产品时进行的，用于检测新产品的参数及性能，检测合格后方可正式投产。

电磁阀综合特性检测系统需要完成多种类型、多个尺寸系列电磁阀的多个试验项目的测试工作，要求测控系统应能提供各项特性测试所需较宽范围的压力和流量的试验条件且兼顾节约能源的需求；自动测控系统应能实时显示出被测阀前后的压力和流体回路流量曲线；能够监视和控制流体回路设备的工作状态并可对系统进行安全保护；能够根据需要实现试验数据的保存和打印。

图1 流体回路结构

Fig.1 The Structure of fluid circuit

3 电磁阀流体试验回路

电磁阀综合特性测控系统分别根据电磁阀的油、水、空气不同的工作介质设计了不同的流体回路。本文以工作介质为液压油的流体回路进行说明，所设计的流体回路如图1所示。

在图1的流体回路中包括泵站、蓄能器组、电动截止阀、被测阀、压力及流量传感器、溢流阀、电磁开关阀、电动调节阀及其他附件。泵站主要包括3台油泵，其作用是可根据试验的需要单独或者几台泵组合为试验提供各种不同压力和不同流量的液压油。蓄能器组作用是能够减小油泵输出液压油的脉动，保持油压的连续性

图2 液压试验台架 Fig.2 Hydraulic test bed

4 基于虚拟仪器技术的电磁阀测控系统

虚拟仪器技术是在以个人计算机为核心的软硬件平台上，具有虚拟显示面板，由用户定义和设计具体测试功能并由测控软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器实现了计算机软硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合,是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一个重要发展方向。

[4]

[3]

和稳定性。根据被测阀的通径范围设计了50 mm和 4.1 电磁阀测控系统的硬件设计 100 mm通径2条测试支路，测试时可打开相应支路前端电磁阀测控系统的硬件系统如图3所示。硬件系统由的电动截止阀进行该支路试验。电动调节阀安装在支路的后部，是测控系统除采用变频技术控制压力之外调节管路压力和流量的另一重要设备，要求该阀不仅动作迅速，而且为零泄漏，这样才能保证其在系统压力控制过程能进行及时有效的控制。图2为安装在测试现场的电

磁阀综合特性液压试验台架。

工控机、变频器、数据采集卡、传感器、可编程控制器（PLC）等组成。压力和流量传感器采集的压力和流量信号经数据采集卡传至上位机(工控机)中的测控软件，经数据处理和智能计算，将系统的控制信号传至下位机PLC中，由PLC控制变频器、电动调节阀、电磁开关阀等动作，以实现对系统的控制

[6-7]

[5]

。

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和阀后小压力传感器则主要是用在低压状态下的动作试验和泄漏试验中，尤其是泄漏试验要求的压力比较小（0～ 20 kPa），故选用了量程较小的精密压力传感器且安装有电磁开关阀对其进行控制和保护。

压力分级测量的具体方案是：根据试验过程中测量压力的大小，启用不同的传感器进行测试。当管路压力较大时使用大压力传感器并关闭小压力传感器前的电磁阀对小压力传感器进行保护。若大压力传感器的压力小于0.1 MPa时打开量程为0～100 kPa的阀前小压力传感器

图3 测控系统硬件结构图

Fig.3 The hardware structure of the measurement and

control system

4.2 电磁阀测控系统的软件设计

基于虚拟仪器技术的图形化语言LabVIEW软件功能强大,集成度高,程序运行速度快、性能稳定,人机交互界面简洁明了。用户可以使用LabVIEW在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面，即可设计出完全符合自己要求的虚拟仪器。通过这个图形主控界面，使用者可以进行各类电磁阀特性测试项目、控制硬件、分析采集到的数据和显示结果等。测控系统软件框图如图4所示。

[8]

的电磁阀开关，但这时量程为0～20 kPa的阀后小压力电磁阀开关仍关闭。当测得管路压力降为20 kPa以下方可打开量程最小的阀后小压力电磁阀开关并使用该传感器进行测量。在打开任一小压力传感器后，如果管路中出现压力意外升高现象，则测控系统可关闭该传感器前电磁开关阀对其采取保护措施，防止压力冲击过大对精密压力传感器造成损坏。

采用不同量程的压力传感器进行组合，且由电磁开关阀对小量程压力传感器进行控制和保护，从而既可保证所需测试精度又可获得较大的测试量程，为实现需大范围且高精度压力测量提供了一条有效的工程实际解决途径。

5.2 实现精确压力控制的控制策略

测控系统的流体部分应能提供各项特性测试所需较宽范围的压力和流量的试验条件且兼顾节约能源的需求。特别是在密封试验和泄漏试验中，系统应能提供各被测阀所需的不同的试验压力且将该压力稳定一段时间，供以判断被测阀是否在某一指定压力下出现内外泄漏。为了实现压力的精确控制采用了以Bang-Bang+PID算法为控制策略的变频调压技术。测控系统利用目标压力值和采集到的实时反馈压力值的差，通过测控软件中的Bang-Bang+PID算法控制变频器输出不同频率进而调节液压泵电机的转速，从而达到精确控制管路中流体压力的目的。

5.2.1 Bang-Bang+PID控制

图4 测控软件结构图

Fig.4 The software structure of the measurement and

control system

Bang-Bang控制（最速控制)是一种时间最优控制，如果设定上、下2个极限值为控制区域，则被控制量在设定的2个极限控制值之间以最短时间进行来回转换，使输出值以一定的精度稳定在设定值范围内。在系统偏差较大时对系统采用Bang-Bang控制,可增大对系统的控制力度，提高系统相应的快速性，因此，Bang-Bang控制是一种不可缺少的控制方式。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制算法因[9]

5 测控系统实现压力分级测量方案和精确压力控制的控制策略

5.1 压力的分级测量方案

被测阀前后各安装1对大压力传感器和1对小压力传感器，阀前和阀后大压力传感器的作用是测量在高压状

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被最广泛地应用于工业控制领域中。

虽然Bang-Bang控制可快速跟踪目标压力P0，但不可避免地产生控制量从极大到极小的多次切换，会造成较大超调。PID控制具有结构简单、且在对象的数学模型不确知的情况下也可达到有效控制的特点。综合Bang-Bang控制和PID控制的优点，针对电磁阀自动测控系统提出了以Bang-Bang+PID算法为控制策略的变频调压技术，这样既可满足快速调节压力的要求，又可以提高系统的鲁棒性和控制精度所示。

[10]

过试验的方式获得的，通过多次试验，将ea设为目标压力值的10%～20%作为切换阈值，这样既可满足快速调节压力的要求，又可以提高系统的鲁棒性和控制精度。

5.2.3 试验研究

虚拟仪器技术的核心就是利用软件代替或部分代替传统仪器的硬件，降低仪器开发成本，提高仪器性能[12]。为了体现充分利用了虚拟仪器的这项技术特征，本测试系统以密封试验用虚拟面板（图6）为例进行说明。如图6所示，当使用者用鼠标或键盘操作该虚拟面板时就如同使用一台专用的测量仪器一样，可输入被测阀的型号和参数后开始试验，此时“开始试验”按钮转为“退出试验”按钮显示以便于在紧急状态下随时退出试验。此外，测试结果以曲线和数值等多种形式在虚拟面板上实时显示并可在试验结束后显示试验合格与否的结论。虚拟面板上也可显示试验时的状态如密封试验进行的时间和试验是否有异常，若有异常则报警灯亮并给出试验退出的原因[13]。

。Bang-Bang+PID复合控制原理图如图5

图5 Bang-Bang+PID复合控制原理图 Fig.5 Bang-Bang+PID compound control principle 图5中Bang-Bang+PID控制的控制策略是：首先在系统启动阶段采用Bang-Bang控制，这是因为系统启动阶段的误差一般很大，在这一阶段一般不需要考虑精度和超调,只要求被控系统在尽可能短的时间内将误差减小到某一范围内，因此可以加入最大的控制量。Bang-Bang控制确保了管路里的压力在启动阶段快速地靠近给定值；其次当控制误差减小到某一范围后,必须降低系统调节速度，使误差进一步减小，使输出精确定位或跟随指定输入变化。在此阶段可切换到PID控制输出,防止由于加入太大的控制量而导致过大的超调，以便于实现精确的压力控制。 5.2.2 切换阈值的确定

在Bang-Bang+PID这种控制策略中，确定不同控制方法切换的阈值是设计的重要环节[11]。Bang-Bang控制的实质是当系统误差e>ea时,使误差减少为ea所用时间最短的最优控制问题，可知：

e>ea u,

(1) u= max

< uee,a max式中：umax指可输入的最大控制量。

由于Bang-Bang控制输出的是最大控制量，而整个系统本身由于有蓄能器组等设备，会给系统带来一定的滞后，当传感器检测到管路里的压力与目标值之差达到ea时，再切换控制模式到PID控制，此时压力必然会有一定的超调，所以ea不能太小，否则会造成整个管路压力的

e

图6 电磁阀密封试验 Fig. 6 The seal test of solenoid valve

本测试系统中传感器、信号调理和数据采集模块是最基本的硬件组成。由于LABVIEW的有丰富的信号分析及处理模块,其信号处理功能相当强大，因此对于某些易于产生误差和误差较大的硬件部分，本系统利用软件进行补偿和校正并对采样数据采取数字滤波及平滑处理等措施进一步提高了测试精度[14]。

为了说明实现精确压力控制的控制策略的可行性，本文以综合特性试验之一的密封试验为例进行说明，图6为电磁阀密封试验的结果图。密封试验要求使系统压力达到1.1倍的所测阀的公称压力并维持1 min。现场调试时所检测的电磁阀公称压力为2.5 MPa，故目标压力即为

2.75 MPa。首先由传感器采集到被测阀前的实时压力并将该压力值由数据采集卡传至工控机，测控软件将该实时压力值与设定的目标压力值相比较并进行控制算法计算后，将需控制量的输出通过测控软件传给PLC，由PLC

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从而达到控制系统压力的目的。从图上可以看出，被测电磁阀的阀前压力曲线可以分为3个阶段，第1阶段，开始阶段压力上升迅速，这是因为采用了Bang-Bang控制，使变频器控制泵的电机达到最大转速；第2阶段，当压力到达2.2 MPa左右，测控系统实施对压力的精确控制，当被测阀前的压力越来越接近1.1倍公称压力即2.75 MPa时，

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6 结 论

基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统，可以充分利用最先进的计算机软硬件技术，得到更高的开发效率和更完备的系统功能。所采用的压力分级测量方案和实现精确压力控制的控制策略均是经现场实践验证的非常有效的工程实际解决方案。用该测控系统对电磁阀进行了各项综合特性测试，证实该测控系统测定的参数准确，可大大降低测试工人的劳动强度,提高了测试精度和效率，能够完成对不同种类、不同通径电磁阀的各类综合特性项目的测试。该电磁阀综合特性测控系统现已应用于实际生产检测以及新产品研发测试中，对于该企业电磁阀的生产及国内电磁阀行业的发展都起着积极的推动作用。

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作者简介

郭北涛,现为东北大学博士研究生,主要研究方向为机电控制与计算机检测技术。 E-mail: guobabt@

Guo Beitao is a PhD student in Northeastern University, her main research directions are electromechanical control and computer aid test technology.

柳洪义,现为东北大学教授、博士生导师,主要研究方向为智能控制系统、智能机器人技术与计算机检测等。 E-mail: hyliu@mail.neu.edu. cn

Liu Hongyi is a professor and doctoral supervisor in North-eastern University. The main research directions are intelligent robot technique, intelligent control and system and computer aid test technology.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6npe.html