液压CAT实例

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第217页（6993字）

国内液压CAT实验台系统能测试液压泵、液压马达、液压系统，液压阀、液压缸及电液伺服阀系统的性能，从测试系统功能来看，有两种基本模式：

·计算机对测试装置进行控制。系统可使整个测试过程自动化，计算机不但能进行数据采集、信号处理、试验结果输出，而且能控制试验进程。

·计算机不对测试装置进行控制。该系统中的计算机只进行数据采集、信号处理和试验结果的输出。

(1)计算机对测试装置进行控制并完成测试过程数据采集，处理一体化的系统

目前国内已有的，如机械部北京自动化所的液压阀、液压泵、液压缸、液压马达试验台计算机辅助测试系统；上海交大和昆山液压件厂为武汉钢铁公司研制的高压大流量新国际B级精度液压阀试验台的计算机辅助测试系统；华中理工大学液压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试验台CAT系统及电液伺服阀CAT系统等。

A．高压、大流量新国际B级精度液压阀试验台的计算机辅助测试系统

设计的试验台工作压力为0～31．5MPa，流量为0～100，0～250，0～500L／min，要求测试方向阀、压力阀、流量阀三大类阀。

系统测试过程由计算机控制，在自动测试过程中完成试验台初始工况设置和试验时工况切换；试验过程中，压力、流量、温度等参数控制；试验数据自动采集处理及结果输出，测试精度达到国际B级精度。

(A)主机及硬件配置

计算机 该系统建造于80年代中期，选用了TSR－80型中MDR－Z80B的8位微机，能满足测试、控制、采集和处理要求，属于当时较先进的机型。

输入—输出接口 提供32路开关量输入输出；8个独立可编程的定时器／计算器；2路标准RS－232串行通讯口；16路模拟量输入；A／D转换为12位，7路模拟量输出。

(B)控制功能 整个CAT系统的测试点和控制点很多，这些测试通道和控制通道的布局如图6．3－20所示。

图6．3－20 液压阀试验台计算机控制系统

试验台工况设置与转换 通过微机控制电磁阀来完成试验台工况设置与转换。微机发出开关量信号，经光电隔离电路和驱动电路推动继电器，再由继电器控制电磁铁。

试验压力控制 由计算机的D／A输出模拟量信号，经电平转换和电控器控制电液溢流阀来进行压力控制(图6．3－21)。为了在保证控制精度条件下缩短压力控制的响应时间，采用PID调节器及闭环控制。

图6．3－21 压力控制系统框图

温度控制 油温控制的关键是油源控制系统的合理设计和合理选择温控系统的算法，采用对供油泵出口液流进行冷却和加热的方法控制系统的温度。油温系统的油路如图6．3－22所示。

图6．3－22 油温系统油路图

试验台回油至大油箱，适当冷却后由供油泵打入冷却器进一步冷却，再经小油箱至主泵供应试验用油。三个温度传感器设置在冷却器入口、小油箱入口及试验台上被试阀前。最后一个传感器处的油温测点是主控点，另外两个是参考点，这是为了提高系统的抗干扰能力。

温控系统原理框图如图6．3－23所示。

图6．3－23 温控系统框图

由微机经A／D转换装置采集被试阀前油温，冷却器入口的油温，微机根据冷却器入口的油温值进行判断，选择相应的PID算法，经计算得到控制量，然后将控制量经D／A转换成模拟控制电压去控制加热器或冷却器，最终达到油温恒定。

流量控制 流量控制采用下述方法：

·控制主泵流量。控制电动伺服泵DCY泵的两相伺服电机正、反转和转动时间来控制泵流量。主泵的两相异步电机由微机的两个通道开关量控制输出(图6．3－24)；

图6．3－24 变量泵控制流量系统框图

·控制旁通比例溢流阀。由计算机的模拟量输出经电控器和比例溢流阀来调节旁通流量大小(图6．3－25)。

图6．3－25 比例溢流阀控制流量系统框图

(C)试验数据采集

压力、温度数据的采集是通过压力传感器和温度传感器，经二次仪表转换成标准电压输入到微机的相应A／D通道。流量信号由涡轮流量计发出模拟量输出并经二次仪表的BCD码输出到微机开关量输入、输出接口板。

(D)试验数据处理

由软件编程实现，数据计算处理用BASIC语言，实时控制数据采集用汇编程序。

(E)试验结果输出

可用多种方式输出：测试现场的实时屏幕显示；打印机输出数据表格和曲线；绘图仪绘出试验曲线；数据结果输入软盘或磁带机保存。

(F)微机系统的工况显示口和测试口

由工况显示口显示试验台和微机工况，并提供测试接口。

(G)测试软件包

液压阀测试软件包用汇编语言和BASIC语言混合编写，软件包采用模块形式，子程序模块形式：系统初始化；模拟量输入；模拟量输出；数字量输入；数字量输出；压力控制；温度控制；流量控制；压力采集；两点压差采集；平均压力采集；非线性校正、数据平滑；线性插值；曲线拟合；数字滤波；屏幕显示；打印机打印；绘图仪绘图。

以上程序可组成三大类阀静、动特性测试程序；测量系统标定程序；A／D、D／A检查、I／O通道检查的自检程序等实用程序。

B．液压泵和马达特性智能测试系统

华中理工大学采用8098单片机组成了液压泵马达特性智能测试系统。系统可测试各种条件下的等效率曲线，测试系统框图如图6．3－26所示。

图6．3－26 液压泵和马达特性的智能测试

系统由直流电源及电机、液压系统、测试部分及传感器二次仪表、单片机测试系统组成。其中直流电源及电机部分改变泵的转速；液压系统提供泵和马达的各种工作状态；测试部分及传感器二次仪表，完成10多种参数的检测；单片机测试系统完成温度控制、数据采集计算、显示记录和故障处理报警。单片机系统框图如图6．3－27所示。

图6．3－27 单片机系统框图

其中，温度控制功能由单片机控制加热器和冷却水阀的启闭，调节电热丝的电流和冷却水的流量来保持油温恒定。单片机控制步进电机改变水阀的开度来调节水的流量。数据采集是由8098单片机内有4路带保持器的A／D转换，进行模拟量的采集，数字信号经8255的I／O进入单片机总线，脉冲信号使用高速输入端HS1，以定时器统计脉冲间隙时间，计算脉冲信号的数据。8098机的不足是A／D通路较少，需增加模拟多路选择器。信号处理模块完成消除传感器及二次仪表的部分误差，如非线性误差等；消除测试噪声干扰；令波动信号取有效值；数值采用二进制转换成十进制显示，这些处理工作均由软件完成。液晶显示输出的数据，并由8098串口与微机通讯，将结果输入微机绘制出曲线。

C．液压缸CAT系统

由华中理工大学研制的液压缸CAT系统能够完成中高压液压缸试验项目、信号转换采集、信号分析处理和测试结果输出。测控系统原理如图6．3－28所示。

图6．3－28 液压缸性能综合测试试验台测试系统原理图

系统主要由传感器、输入、输出中间转换接口单元、主机、外设等组成。

根据测试要求设置了压力传感器、拉压传感器、涡轮流量计、温度传感器，在选择传感器和测量放大器时，着重考虑了稳定性、重复性和迟滞等因素，对非线性采用软件补偿的方法加以处理。

上述各种压力、拉力、温度等信号通过传感器、测量放大器变换成0～5V电压模拟信号；流量则经涡轮流量计输出脉冲信号，经过前置放大和数字流量计变成计算机可接收的BCD码，并行输出到计算机TTL数字信号。

硬件接口配置了开关量输入、输出接口及模拟量输入、输出接口。以AT286作为测量、控制数据处理中心，配有打印机完成数据处理、显示、存贮、打印功能。

D．电液伺服阀CAT系统

系统由386主机、两个8098单片机子系统及液压系统组成。386机为主控制器，通过串行通信实现对8098(Ⅰ)、8098(Ⅱ)两个子系统的控制，从而实现对试验过程控制。8089(Ⅰ)为发讯子系统，它用来控制液压系统；8098(Ⅱ)为采集子系统，它用来采集试验数据。8098(Ⅰ)可通过控制线对8098(Ⅱ)进行控制如图6．3－29所示。

图6．3－29 电液伺服阀CAT系统框图

该系统完成电液伺服阀试验项目，其主要功能为：

·产生1～500Hz任一频率的正弦信号，用于动态频率响应试验；

·产生缓变静态试验信号，用于静态项目试验；

·多路模拟量采集，每次采集数据量为8K字节，用于测定压力；

·多路脉冲量计数，用于静态流量；

·两路A／D输出，用于试验前系统调压及试验各种信号；

·8路数字输出，经光电耦合隔离器后功率放大，驱动电磁阀多路试验系统的切换。

·过程显控；

·用户自选输出方式：显示器、打印机、绘图仪。

(2)计算机进行数据采集、信号处理和试验结果输出的CAT测试系统

国内目前大多数缸、泵的性能测试系统均属于此类。其中有北京理工大学的液压泵、液压马达、液压泵—液压马达传动系统工作特性的计算机辅助实验系统；机械部北京自动化所和湘潭机电专科学校研制的液压泵出厂试验台系统；广州机床研究所液压泵性能和噪声计算机实时测试系统；徐州液压件厂液压缸CAT试验台系统。这些系统研制运行时间从80年代中期至今，反映了我国液压CAT发展的水平。

A．液压泵、液压马达性能测试系统

各系统研制时间先后不同，选用的计算机硬件配置不全相同，采用的CAT形式也不相同，但都是因时、因地选用适合测试要求的方式来组成。下面对北京理工大学的液压泵、液压马达、液压系统工作特性计算机辅助实验系统进行介绍。

该系统研制于85年并已推广到北京液压件厂、宝钢等单位，运用效果良好。这个系统主要完成上述三个测试对象工作特性的实时数据采集和存贮、实验数据的处理与分析以及特性的输出。

CAT系统结构框图如图6．3－30所示。

图6．3－30 CAT系统结构框图

硬件配置除系统的主机根据当时的机型并配置了绘图仪、打印机等输出设备，考虑到计算机配置了IEEE－488通用标准接口，二次仪表只有BCD输出，为了解决数据的传送，研制了10通道BCD到IEEE488的数据转换单元，保证BCD输出数据正确输入计算机。

软件采用模块化结构，共有10个模块，按其功能分为：

(A)数据采集和存贮模块。用BASIC语言编制，用高级BASIC语言调用GP－IB接口，实现数据采集和存贮；

(B)各种特性参数打印与误差分析模块。由4个模块组成：确定空载排量模块；工作特性参数打印输出模块，对采集数据进行计算，并输出采集与计算特性参数的打印表格；建模误差分析模块，根据实测参数计算的各种效率和根据所建立的数学模型计算出的各种效率的绝对误差作为误差参数，计算平均误差，均方根误差和最大误差；并打印参数及绝对误差的分布以确定实测的精度；建模误差统计分析模块，对所建立的数学模型与实测参数做绝对误差或相对误差分析，并做出误差的点估计、区间估计、方差估计等统计分析结果。

(C)根据实验数据建立了数学模型，在此基础上，以不同形式输出液压泵等的特性曲线，特性曲线输出模块由5个模块组成，它们的功能是：计算并输出固定转速下的容积效率、机液效率和总效率随压差变化的曲线；计算和输出屏幕绘制等效率曲线的坐标和曲线图形打印；计算和绘图仪绘制工作特性曲线坐标和绘制输出图形。后两个功能均由两个模块完成，将坐标计算和输出分为两个独立模块是因为建立坐标的运算比较费时，操作也比较复杂，这样分为两个模块后就可以运行一次建立的坐标模块，再运行几次输出模块，而得到几份特性曲线的拷贝结果。

B．液压泵出厂试验台的CAT系统

该CAT系统是由机械部北京自动化所及湘潭机电专科学校合作研制。系统包括传感器及前置放大、多台8098单片机测试单元和IBM－PC／XT主机等三部分组成。系统结构见图6．3－31。

图6．3－31 液压泵出厂试验台CAT系统结构图

传感器检测到的信号经放大或转换后输入8098测试单元，通过RS－232接口实现8098单片机与IBM－PC／XT主机的异步串行通讯。其中传感器需检测压力、温度、转速和流量。

8098测试单元组成如下：从机箱采用总线结构，主板上除有通讯接口电路和复位电路外，并有10个通道的测试单元扩展插槽。为了用于不同目的的测试单元，采用了自行设计的数字量和模拟量的通用测试单元。数字量单元测定转速和流量，模拟量单元测定压力和温度。测试单元具有数据采集、滤波，数据处理，实时显示和主机通讯的功能，采用可靠接地、阻容滤波、数字滤波等防干扰措施。

主机具有数据处理、通道显示、数据库管理及控制试验进程等功能；软件具有人机对话、菜单选择功能及试验结果管理、查询、浏览、删除、统计、打印等功能。