一种液压脉冲试验台控制系统的设计

摘要：液压脉冲试验系统是根据不同试验要求，产生不同压力波形如：阻尼波、体型波、正弦波等，对液压系统成附件进行检验，以便提前发现系统成附件在设计或制造上存在的缺陷的系统。液压脉冲试验测控系统的主要功能是通过调节控制元件，使试验件内部产生压力脉冲，再利用压力传感器实时采集压力变化，形成对压力波形闭环控制。本文简要介绍了一种液压脉冲试验台控制系统的设计。

关键词：脉冲试验；控制系统；CMAC算法

中图分类号：TP271文献标识码:B

1引言

飞机液压系统工作时，在电磁阀打开或关闭的瞬间，供压管路和回油管路会出现强烈的压力撞击，即压力脉冲。液压脉冲是液压系统的致命危害，可导致系统管路、连接件、作动筒等的断裂，系统附件失灵，严重时可导致飞机重大事故的发生，因此液压系统的成附件以及管路必须进行压力脉冲试验，以验证其抗液压脉冲冲击的能力。

本文论述的液压脉冲试验台是一台多功能、通用液压压力脉冲试验设备。能产生满足国军标的标准脉冲波形。该设备从系统工作原理到测控方法已具备了通用液压脉冲试验设备的基本特点，它的研制成功为今后研制的大功率通用液压脉冲台的研制奠定了良好的试验技术基础。

2.试验台液压系统结构

2.1液压系统结构原理

脉冲试验台工作原理图见图1

图1脉冲试验台液压原理图

变量柱塞泵在电机驱动产生高压油，经单向阀、油滤，靠比例溢流阀和蓄压器的共同作用，保持系统有稳定的输出压力。高压油经比例阀调节后流向二位四通电磁换向阀，电磁换向阀周期换向推动隔离减压缸往复运动，使充满液压油的试验件产生升压、卸荷的交替变化，从而完成液压脉冲试验。该套试验设备能承担工作压力28MPa、峰值压力42Mpa，试验件体积在3L以下的液压脉冲试验任务，在国内为首创。

3.试验台测控系统结构

液压脉冲是一个瞬变的过程，压力波形随着时间函数变化而快速变化，水锤波的自由振荡频率可以达到30Hz以上，要实现对液压脉冲波形的实时控制，控制系统功能是关键。脉冲试验台电器原理图见图2。

液压脉冲试验设备上采用试验人员手动控制和计算机自动控制两种控制方式相互结合。

图2 脉冲试验台电器原理图

3.1手动控制

液压脉冲试验台安装有多块数显仪表和控制按钮，用于显示系统压力和控制试验状态。当选择开关置于"脱机"时，试验人员通过启动时间继电器来启动试验，试验过程中试验人员手动调压旋钮调节比例阀放大器输入信号（0～10V），去控制比例溢流阀电磁铁，使系统液压压力达到试验值；手动调压旋钮调节比例电磁阀的放大器输入信号（0～10V），去控制比例电磁阀电磁铁，调节液压脉冲的压力峰值和升率，使脉冲波形满足国军标与航标的要求。

3.2计算机控制

液压脉冲试验台主要是完成航空试验件的测试，涉及的技术领域和诸多性能指标构成是一般的传统测试控制系统难以完成的。数据采集系统采用了先进的PXI总线系统，用脉冲机理研究和试验数据分析，对脉冲设备进行性能分析与评价。系统在对液压系统的脉冲控制的同时，能对多种物理量(如压力、流量、温度等)进行多点高精度的测量。鉴于PXI总线具有优良的特性和良好的性能价格比等特点，选取PXI总线作为本测控系统的总线平台。其采集信号为:压力信号11路，温度信号6路，流量信号6路。每路采集信号均配有调理电路，将各类信号调理为0-5V电压信号输入计算机。

3.3控制算法

为实现脉冲波形，需要采用闭环控制方式，控制实际波形跟踪某给定波形，使实际输出波形满足规范要求。由于控制元件的动态特性所限，加上管路动态特性、液压油路的非线性变化对系统的影响，尤其是比例伺服阀的特性，要做到完全波形全跟踪，采用何种控制方式可以保证实际波形满足要求是该部分研究的主要内容。

利用水击现象产生所需要的试验用水锤波。影响水锤波的因素很多，包括管路的分布参数、元件的动特性等。水锤波主动控制主要是控制峰值、上升斜率以及振荡的衰减，这些特征量如果能够有效控制，则可以保证脉冲波形的一致性。脉冲台水锤波的自由振荡频率可以达到30Hz以上，与动态性能较好的大通径比例伺服阀相当，所以要对波形的多个特征值进行控制，而且与波形控制有关的机械硬件结构不能过于复杂，控制策略十分重要，目前主要研究单个控制输入和两个控制输入时波形的控制技术。

3.3.1算法选择

在工业控制过程，PID控制算法在控制系统中被广泛地采用。作为一种经典的控制方式，PID控制不要求严格掌握被控对象的数学模型；此外PID控制算法结构简单，实现手段很方便，容易被现场工程师所接受；同时在长时间的PID算法发展过程中，广大工程技术人员已经积累了丰富的经验，摸索出了一系列整定PID参数的方法。不过，传统的PID控制算法是在某一定条件下完成的，故当实际情况发生变化时，一组PID参数很难适应不同的工作条件，往往不能达到理想的设计性能指标。因此针对液压脉冲系统中不同试验件不同的技术要求时，若采用PID控制算法则必须不停地人为修正PID参数。从而在控制方式显得较为繁琐。

人工神经网络（Artificial Neural Network-ANN）是基于仿生物大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统。它是一种由简单计算处理单元（神经元）通过采用某种网络拓扑结构而成的功能强大的活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统，不仅如此，它还具有学习能力、记忆能力、计算能力等多种智能处理功能，在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功能，非常适合于瞬变系统的控制。

3.3.2CMAC算法

小脑模型关联控制器CMAC是一种模仿人的小脑功能的神经网络，它是基于局部学习的神经网络，其非线性逼近精度高，学习速度快，适合应用于实时控制。它是模拟人的小脑的一种学习结构，是一种表达复杂非线性函数的表格查询性自适应神经网络，该网络可通过学习算法改变表格的内容，具有信息分类存储的能力。

3.3.3基于CMAC网络的自学习控制策略

由于CMAC能在不改变原有系统结构的情况下直接使用，且具有信息分类存储、算法简单、适时性好的特点，因此针对液压脉冲试验的非线性、时变性特征，提出了CMAC与传统控制方法并行控制的CMAC控制器，如图三所示。

图三：基于CMAC网络的自学习控制策略原理图

CMAC水锤控制器的工作原理是：先找到与试验件类型和容腔相同或接近的权向量（与CMAC实际存储器对应），然后控制时将期望的峰值通过概念映射与实际映射在CMAC实际存储器中找到与之对应的c个单元，c成为泛化常数，并将这c个单元的权值相加得到CMAC的输出。即：

式中：为存储于CMAC实际存储器中的权值，class为试验件类型和容腔，i为通过概念映射与实际映射在CMAC实际存储器中找到的c个实际存储器的地址。CMAC的输出与PID控制器的输出相加便得到了总的控制量：

式中：U为总控制量，U0为PID控制器的控制量。

其中，CMAC的学习算法采用简单的δ算法，即：

式中：η学习步长，c泛化常数。

经过大量反复的映射于学习，CMAC逐渐逼近理想的PID控制参数，使液压脉冲波形满足试验要求。该控制算法对非线性和时变性系统具有自适应能力，大大减轻了人为调节控制参数的工作，提高了控制的准确性和试验波形的精度。

4.试验结果

试验件：3.4L作动筒

试验波形：水锤波

试验压力：工作压力28MPa，峰值压力42MPa

图四：脉冲试验曲线

试验数据比较如下：

符合国军标HB 6090-86，第3.6.7.2条对作动筒液压脉冲试验的要求。

5.结束语

本测控系统可满足液压脉冲试验中对多种不同试验件的试验要求，并能保证脉冲试验稳定可靠的运行。试验控制系统操作简单，用户极易掌握。该测控系统的研制成功为今后类似的液压脉冲试验设备的控制系统的设计及制造提供了很好的指导作用。

参考文献

[1]章宏甲，黄宜，王积伟主编.液压与气动传动.

[2]刘君华主编.现代检测技术与测试系统设计.

[3]刘君华主编.基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计.

[4]张毅刚，乔立岩等编著.虚拟仪器软件开发环境.LabWindows/CVI6.0编程指南.

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