液压表级联式综合检定装置的设计

寇琼月 王 鹏 王浩淼

(中国人民解放军92228部队，北京 100072)

1 引 言

压力参数计量在工业、科研、军事领域工程检测中占有重要地位，液压仪表是压力参数监测和指示的仪器设备，是保证其所在装置系统安全、正常运转的重要设备。为保证液压仪表提供的数据准确可靠，应当进行定期检定，掌握压力设备技术状态信息，以便及时发现问题、解决问题，排除隐患和故障。液压仪表应用广泛，其作为各领域规定的强检项目，具有覆盖范围宽、数量多，检定周期短，检定工作量大的特点。采用传统计量标准一次只能检定一只液压仪表，劳动强度大，耗时长，效率低，难以在短期内完成计量测试任务。因此，为满足液压仪表检定高效率、高质量的需求，提出液压表级联式综合检定装置的设计方案，采用多参量自动辨识自适应PID控制，通过气驱液压力精确控制及造压活塞加工参数仿真提炼，设计了精密液压自动发生系统；通过构建嵌入式联控软件架构，设计集信息扫描、检定管理和测控功能于一体的综合检定软件，实现了同时对多种多类液压仪表的快速自动检定，提高了计量检定效率和能力。

2 系统整体方案及功能

本文提出基于级联式检定模型，以同时检定3只液压表为目标建立装置的整体方案。系统组成及控制关系如图1所示，主要由气压发生器、压力控制台、压力倍增器、造压传动机构、级联式检定台、二维码扫描仪、检定管理和测控软件和主控计算机等部分组成。其中，压力控制台、压力倍增器和压力传动机构总称为造压执行单元。

图1 系统整体方案框图

系统工作原理如下：启动检定程序后，基于二维码扫描仪将被检表信息录入，由检定管理和测控软件设定被检定表信息和系统压力控制等参数信息，并将控压信息反馈给造压执行单元，由压力控制单元驱动气体发生器的造压活塞，带动压力传动机构造压，输出标准压力，并根据所设定的检定程序，完成对被检液压表的检定。其中，压力控制台可独立于自动检定流程，根据需要独立完成设定压力的输出，实现对被检表的粗检或半人工检定。

3 装置主要硬件技术设计

本装置涉及到造压、控压及检定进程管理控制等单元，需合理进行机械结构设计，保证整套装置稳定造压、易于清污及操作。控压机构中，既有电信号的交互，也有控制信号的流通，特别是涉及气压、油压等管道的连接。在设计中，通过功能划分，将主控计算机与压力控制台的串口相连，一方面为压力标准(压力传感器)供电，另一方面将压力反馈信号传入压力控制台；装置中的气瓶、压力表检定台的气压和油压连接管则直接接入压力控制台，保证整机布局合理、集成度高。

3.1 液压表级联式检定模型

检定采用标准表与被检表相比较法的方法进行，为实现单次对3只液压表的同时检定，装置在机械结构上建立了液压表级联式检定模型，如图2所示。压力表检定工作台与压力控制器分离设计，级联式检定台包含四个压力接头，其中一个连接标准压力模块，另三个连接被检仪表，控压机构通过管路与检定工作台相连，级联式检定台实物如图3所示。该检定台设计成可灵活伸缩变换位置和朝向，一是便于油路中污垢的清除；二是利于消除液面差对检定精度的影响；三是利于检定数据的读取与观测。

图2 液压表级联式检定模型图

图3 液压表级联式检定台

3.2 压力生成及控制方案

针对液压仪表技术特点，检定装置选择的造压和控压方案是基于伺服电机的硬件系统设计方案和基于气驱液的硬件系统设计方案。

基于伺服电机的硬件方案，在原理上属于改变液体体积实现控制压力的方式，原理简单，依靠电机驱动前级液体实现增压目的，由于受液体流动速度限制，这种方案存在控压速度慢的缺陷，且造压时油液内可能会混入气体，将放大该方案的缺陷。为此，装置设计中采用气驱液造压设计，在原理上属于力平衡的控制压力方式，利用气体可压缩、也可快速释放的特点，设计了气压发生器，造压活塞一端用气体，另一端用(油)液体。活塞在气驱液模式下，实现了在60mm活塞有效行程内，短距压力快速倍增和释放，并具有造压效率高、硬件体积小的优点。但这种模式下，增压活塞缸体设计要严格符合控压要求，且要对电磁阀进、出和截止动作的联控方式进行合理设计，才能保证短距快速增压，并准确平稳地达到设定的目标标准压力。

基于气驱液压力控制原理如图4所示，主要由压力控制(图4粗线部分)、压力执行(图4细线部分)和操作台(图4中快装接头部分)三部分组成，以分离式结构布局设计，以保证装置造压稳定、易于清污、方便操作。

图4 基于气驱液压力控制原理图

压力控制时，首先系统开机加电，电动截止阀和泄压阀最先通电打开，释放上次因非正常操作保留的系统压力，随后两位三通电磁阀通电打开释放掉前级气体压力，系统完成自检；继续保持泄压阀和电动截止阀开启状态，关闭泄压阀，启动预压液泵，系统开始升压，当压力接近第一个检定点时关闭电动截止阀，即完成预压过程；加压控制时，开启两位三通电磁阀和进气阀，气体进入增压缸前端，系统开始升压，进行加压控制，并通过进气阀和排气阀配合动作实现压力检定点的控制；降压控制时，开启排气阀，气体流出增压缸前端，系统开始降压，通过进气阀和排气阀配合动作实现压力检定点的控制；泄压控制时，开启电动截止阀和泄压阀系统与大气连通，实现零点检定。

3.3 造压执行部件设计

为实现短距快速准确造压要求，采用CAD仿真和工艺控制，设计研制了造压执行部件增压缸体，其结构如图5所示。该增压缸体主要由气缸、检测开关、液体活塞、收集腔体、收集油路组成。其中，检测开关用于检测初始活塞杆位置和最大量程的活塞杆位置，以配合完成压力控制。收集腔体和收集油路用于暂时存储和处理液体活塞的泄露，系统会根据预先设定的条件从收集腔体排出油液。

图5 增压缸体结构设计示意图

通过CAD仿真测算及设计加工中对活塞和缸体进行测评修正，活塞和缸体加工参数和技术要求见表1。装置的结构设计难点在于压力执行机构的增压部分，为了适应带载多只被检仪表的需求，液体活塞部分必须提供足够的带载能力，通过对被检仪表的统计与实际测试，三只被检仪表到达满量程需要液体活塞的带载能力约为10ml；气缸启动压差较大时会明显影响控压稳定波动度，因此气缸的启动压差设计不大于3kPa。在活塞60mm的有效行程内，包含2个阶梯状台阶，对活塞的加工工艺提出了很高要求，针对装置应用于普通油介质压力表检定，液体活塞完全依靠油膜密封，活塞筒和活塞杆之间的间隙尺寸必须控制得当，间隙太大，油介质会从间隙泄露过大，造成控压困难，同时也大大减小了液体活塞的带载能力；间隙太小，活塞杆活动不够灵活，造成控压困难，结合常用油膜的厚度，最佳间隙设计为2.5μm，这样的油膜厚度既有密封能力，又有良好的润滑性能。

表1 增压缸体加工参数及技术要求Tab.1 Machiningcharacteristicsandtechnicalrequirementofsuperchargecylinder序号加工参数技术要求序号加工参数技术要求1活塞带载最大油量10ml5活塞长度100mm2气缸的启动压差≤3kPa6活塞有效行程60mm3活塞行程与直径之比≤37活塞圆柱度±1μm4活塞直径20mm8活塞和活塞腔之间间隙2.5μm

3.4 高效造压控制设计

气液增力技术结合了液压和气动技术特点，在压力快速控制方面优势明显。但与液体流体相比，气体流体的压力难以精确控制，利用传统的PID控制方法，达到目标压力耗时长且不稳定，如图6(a)所示，难以使控制过程平稳。本置采用气驱液结构，基于气体介质的作用，压力发生动作较快，增减压过程随机性较大，具有高非线性、时变不确定性，且稍有扰动，就会使压力控制器件产生振荡，造成压力超调。为保证控制过程快速、平稳、准确加压，达到目标压力耗时短且不发生振荡，控制效果如图6(b)所示，避免出现图6a)所示的控制效果，控压设计上采用了自适应调节技术，根据装置造压执行机构、液体压缩比例的非线性来确定PID参数，通过对压力差、电磁阀激励信号、压力变化率等参数进行状态估计，实时自动调整PID控制参数，改善了系统的动态性能，减少了超调量和系统的调节时间。

图6 压力控制效果对比图

自适应PID控制系统如图7所示，由常规反馈控制系统和自适应机构组成，其中，

r

(

t

)为目标设定值，

e

为偏差，

u

为合成控制量，

v

为控制系统内部的固有扰动，

ξ

表示人为产生的噪声，用于防止造压启动时因微分作用而产生振荡。常规反馈控制系统由控制器和被控对象构成，“控制器”为电磁阀组(包括放气阀、进气阀、截止阀等)，“被控对象”为气驱液活塞缸体，通过算法程序，由数字智能电路实现控制过程；自适应机构由控制器参数设计计算和参数/状态估计器构成，“参数/状态估计器”根据系统输入输出数据在线辨识被控系统的结构或参数，“控制器参数设计计算”根据参数/状态估计器的输出和确定的控压稳定度指标(±0.005%F.S)计算控制器参数，反馈给控制回路，并调整控制回路中的控制参数。图8为自适应PID控制效果对比图，从图中看出，常规PID控制用于气驱液增压模式时，系统稳定性较差。

图7 自适应PID控制方案示意图

图8 自适应PID控制效果对比图

4 系统软件设计

装置软件采用集嵌入式压力控制、自动检定与管理功能于一体的软件架构，如图9所示。软件运行通过启动检定程序，进入“手动/自动控制压力”选择界面。选择手动方式，则启动嵌入式压力控制软件，带动造压执行单元产生所设定的压力，通过控制、测量、清零三个功能模块设计，实现标准压力的设定、生成、控制及实时显示，并具有压力标准模块零点校准功能。选择自动方式，则启动压力表自动检定软件，通过对被检表信息的自动扫描或录入，检定点数等信息设置后，运行自动检定软件，完成自动控压、检定过程控制、数据采集、运算处理和检定证书的生成，自动检定过程管理软件架构如图10所示。

图9 软件架构图

图10 自动检定过程管理软件架构图

5 实验结果及数据

装置设计研制完成后，经第三方计量检测机构检定，给出装置准予作为0.05级计量器具使用的检定结论；表2为装置标准压力传感器的第三方计量检定数据，实验数据表明系统的压力输出的量程为分(0～10)MPa、(0～25)MPa和(0～60)MPa三个量程，准确度等级为0.05级。

表2 标准压力传感器检定数据Tab.2 Verificationdataofstandardpressuresensor测量范围/MPa零位漂移/MPa正行程最大示值误差/MPa反行程最大示值误差/MPa压力计示值最大允许误差/MPa结论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

装置稳定性实验，采用型号为ConST810，准确度等级为0.02级的精密数字压力计作为稳定性考核设备，对系统压力生成短期稳定性进行了测试，图11为60MPa压力输出稳定性曲线，压力输出波动范围为±0.0025MPa，可见系统压力生成响应速度快，控制稳定性好，整个系统的压力控制稳定性优于0.005% F·S。

图11 60 MPa压力输出稳定性曲线

应用该装置对一般压力表、压力控制器、压力开关、压力表变送器等多只液压仪表进行了检定，测试结果表明，该装置造压、控压、检定模块与管理模块衔接合理、运行正常、稳定，并具有对被检液压表信息自动识别、登记和管理功能，实现了同时自动完成3只液压表的检定(耗时10分钟)，将原来手动检定3只液压表的时间缩短为原来的1/6。

6 结束语

基于同时对多个液压表实施快速自动检定设计目标，采用气驱液压力倍增、精密活塞工艺设计、自适应嵌入式控制和信息化管理等技术，建立的液压表级联式综合检定装置，解决了短时间内快速增加、压力准确稳定控制等技术难点，缩短了造压时间，实现了0～60MPa范围内多只液压表同时计量检定，提高了检定效率。目前，装置应用于多型液压仪表计量保障中，提高了压力参数计量保障效率和能力。装置设计研究中提出的气驱液压力精确控制模式、多参量自动辨识自适应PID控压方案、造压活塞和增压缸体精密工艺设计，为高效实现液压表计量检定，液压系统压力的生成和精确控制提出了一种切实可行的控制方法和解决方案。