基于LabVIEW技術(shù)的動態(tài)流量軟測量模型研究*

陳天夫，谷立臣，賈永峰，田晴晴

（1.西安建筑科技大學機電工程學院，西安 710055；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，西安710018）

基于LabVIEW技術(shù)的動態(tài)流量軟測量模型研究*

陳天夫1，谷立臣1，賈永峰2，田晴晴1

（1.西安建筑科技大學機電工程學院，西安 710055；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，西安710018）

文章以伺服電機驅(qū)動定量泵輸出流量為研究對象，分析了實時轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、油液粘度等變化對動態(tài)流量的影響，建立基于LabVIEW技術(shù)的動態(tài)流量軟測量模型，并進行靜態(tài)、動態(tài)及流量閉環(huán)控制實驗分析，研究表明該模型有較高的穩(wěn)態(tài)測量精度和優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)特性及閉環(huán)控制特性，為動態(tài)流量測量提供了一條新途徑。

伺服電機；動態(tài)流量；虛擬儀器；光電碼盤

0 引言

隨著現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的發(fā)展，對于系統(tǒng)和元件的動態(tài)特性的要求越來越高，因此對動態(tài)流量測試技術(shù)的要求也越來越高［1］。但是由于受到工況、油液性質(zhì)、流體流態(tài)的復(fù)雜性以及流量計自身運動部件慣性的制約，一直很難實現(xiàn)動態(tài)流量的精準測量。

虛擬儀器的興起使得計算機在測試中的作用得以充分利用，即“軟件就是儀器”已成為一種新的測試理念。這種測試系統(tǒng)的硬件組成更簡單有效，數(shù)據(jù)處理更加方便快捷，可以通過實時計算大量數(shù)據(jù)，解復(fù)雜算式進而獲得待測數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了由一種或幾種比較容易測得的輔助變量來估算不易直接測量的主要變量［2］。因此在動態(tài)流量的測試中引入軟測量技術(shù)，通過采集和實時處理電機轉(zhuǎn)速、油液的壓力、溫度等易得信號，就能間接得到動態(tài)流量信號。由于這種虛擬動態(tài)流量計不含運動元件，運算速度快，因此可以獲得較高的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)測量精確度［3］。

1 動態(tài)流量數(shù)學模型的建立

在壓力一定情況下，實測不同轉(zhuǎn)速下齒輪泵輸出流量。發(fā)現(xiàn)不同壓力下齒輪泵轉(zhuǎn)速和輸出流量都近似成線性關(guān)系（如圖1）［4］。因此，可以通過泵的轉(zhuǎn)速、泵自身的參數(shù)、油液壓力、油液參數(shù)等間接估算出泵輸出動態(tài)流量。

定量泵流量連續(xù)性方程模型為：

式中：

Qγ：泵的輸出流量，m3/s；

Dp：泵的排量，m3/rad；

ω：泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

C′P：泵的總動態(tài)泄漏系數(shù)，m3/s·Pa；

P：齒輪泵進出口壓力差，Pa；

βe：油液彈性模量，N/m2；

從式（1）中齒輪泵輸出流量不僅和電機轉(zhuǎn)速ω、齒輪泵進出口壓力差P有關(guān)，還和泵的動態(tài)泄漏系數(shù)C′p及油液彈性模量βe有關(guān)。其中泵的動態(tài)泄漏系數(shù)C′p受油液粘度影響較大，而粘度又和壓力、溫度有關(guān)。同時油液彈性模量βe也受壓力、溫度、含氣量等影響，因此為確保測量精度需對相關(guān)參數(shù)進行相應(yīng)修正。

圖1 實測定量泵轉(zhuǎn)速流量特征曲線

2 在實驗基礎(chǔ)上的模型修正

2.1 粘溫粘壓修正

油液溫度和壓力的變化會影響油液粘度［5］，使泵的泄露系數(shù)發(fā)生改變，所以必須對泵的泄漏系數(shù)進行實時修正。

關(guān)于粘溫的公式有Reynolds粘溫公式、Andrade-Erying粘溫公式、Vogel粘溫公式［6］，這些公式都有其適用范圍，本實驗Vogel公式則較為準確方便。因此，實驗采用vogel粘溫方程：

η0：標準大氣壓下一定溫度下的油液動力粘度；

t0：油液溫度；

A、B、C：與油液相關(guān)的參數(shù)。

試驗中采用30℃時油液動力粘度作為參考值，查表得油液動力粘度為。則任意溫度t時油液動力粘度表示為：

μ：粘溫系數(shù)

關(guān)于粘壓的公式本文采用Barus動力黏度與壓力的關(guān)系式［8］：

η：油液動力粘度；

λ：粘壓系數(shù)；

同時考慮溫度、壓力時的粘溫粘壓關(guān)系式：

2.2 油液壓縮損失修正

油液彈性模量的變化會造成油液壓縮損失變化，油液彈性模量與油液壓力、溫度、含氣量、油液的種類等有關(guān)［9］。工程計算時油液彈性模量一般取（1.0～1.6）×103MPa［10］，而實驗中設(shè)定系統(tǒng)最大壓力約為12MPa，因此壓縮損失僅為理論流量的1%～1.2%，而因油液溫度、含氣量等造成的油液壓縮損失則更小，本文則忽略不計［11］。

2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工況修正

實際中齒輪泵輸出的流量還和工況有關(guān)，由于實際工況比較復(fù)雜且很難定量的估計對輸出流量的影響?？紤]工況對流量的影響為非線性，本文設(shè)計了一個模糊控制因子k動態(tài)調(diào)整泄露系數(shù)，此因子由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)馴化的方法確定［12］。試驗中積累了大量的不同時間戳的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、流量信號等數(shù)據(jù)，其中包含沖擊、打滑及正余弦加載工況等。選擇其中1000組作為學習樣本，采用運算較快的BP網(wǎng)絡(luò)進行離線訓練，最終得出最優(yōu)的動態(tài)泄露修正系數(shù)k用于流量軟測量的在線修正。

綜合以上因素，最終建立一個總的動態(tài)泄露系數(shù)公式：

將式（6）代入式（1）整理得：

式（7）建立了以泵出入口壓力差P、電機轉(zhuǎn)速ω、油液溫度t等相關(guān)參數(shù)為輸入，泵的輸出流量Qγ為輸出的動態(tài)流量軟測量模型。

3 動態(tài)流量軟測量模型仿真分析

根據(jù)式（7）建立的流量軟測量的數(shù)學模型，在MATLAB7.11.0環(huán)境下，利用SIMULINK仿真工具構(gòu)建了定量泵輸出流量仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖2 動態(tài)流量軟測量仿真模型

圖3 轉(zhuǎn)速流量特征曲線（4.5MPa 30℃）

圖4 壓力流量關(guān)系曲線（4.5MPa～9MPa 1000r/m in 30℃）

圖5 溫度流量關(guān)系曲線（30℃～50℃1000r/m in 4.5MPa）

圖6 壓力溫度流量關(guān)系曲線（1000r/m in 4.5～9MPa 30℃～50℃）

圖3為壓力為4.5MPa、溫度為30℃時不同轉(zhuǎn)速下流量關(guān)系曲線，當壓力、溫度一定時齒輪泵流量與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系。圖4為轉(zhuǎn)速1000 r/min溫度為30℃壓力在0.1s時從4.5MPa階躍到9MPa時的流量關(guān)系曲線，由于壓力增大導致泄漏量增大，流量從0.619m3/h下降到0.593m3/h，泄漏量為0.026m3/h。圖5為轉(zhuǎn)速1000 r/min壓力4.5MPa溫度在0.1s時從30℃階躍到50℃時流量關(guān)系曲線，由于油液溫度升高粘度減小導致泄漏量增大，流量從0.619m3/h下降到0.568m3/h，泄漏量為0.051m3/h。圖6為轉(zhuǎn)速1000 r/min，壓力、溫度在0.1s時從4.5MPa、30℃同時階躍到9MPa、50℃時流量關(guān)系曲線，油液壓力、溫度同時增大導致泄漏量激增，流量從0.619m3/h下降到0.508m3/h，泄漏量為0.111 m3/h，占輸出流量的17.9%。由此如果不進行模型修正會產(chǎn)生較大測量誤差。

4 流量軟測量模型的實驗分析

4.1 液壓系統(tǒng)測控原理

本實驗研究的液壓動力系統(tǒng)測控原理如圖7所示。實驗中電機為永磁同步電機，定量泵為齒輪泵。該液壓動力源結(jié)合了永磁同步電機節(jié)能且調(diào)速性能好與齒輪油泵可靠性好但不能調(diào)速的技術(shù)特點，在調(diào)速精度和響應(yīng)速度方面具有較大優(yōu)勢［13］。

圖7 實驗裝置原理圖

液壓動力系統(tǒng)通過電機變頻調(diào)速的方式來改變泵的輸入轉(zhuǎn)速，采用電磁比例溢流閥來模擬負載壓力。測控系統(tǒng)能實現(xiàn)對電機電壓和電流、油液壓力、流量、溫度的監(jiān)測以及對電機目標轉(zhuǎn)速、比例溢流閥模擬加載的控制。

4.2 試驗中信號的獲取

（1）壓力信號

實際系統(tǒng)中采用油箱上置，考慮液阻時經(jīng)估算齒輪泵入口處壓力約6.6×10-3MPa，由于系統(tǒng)工作時最小背壓壓力一般在2MPa左右，所以入口處壓力可以忽略不計，以齒輪泵出口壓力Pv代替齒輪泵進出口壓力差P，齒輪泵出口壓力由壓力傳感器測得，并由采集板卡采集，送至工控機和LabVIEW程序計算處理。

（2）溫度信號

實驗中溫度由溫度傳感器實時監(jiān)測并由采集板卡采集，送至工控機和LabVIEW程序計算處理。

（3）流量信號

為了與軟測量流量進行比較，試驗臺上安裝有LWZ型智能渦輪流量傳感器。實驗中流量傳感器實測流量數(shù)據(jù)由采集板卡采集，并送至工控機和Lab-VIEW程序計算處理。

（4）轉(zhuǎn)速信號

方式一：實驗系統(tǒng)中所用電機為伺服控制器驅(qū)動的永磁同步電機。伺服控制器在外部轉(zhuǎn)速控制模式下，電機的目標轉(zhuǎn)速與伺服控制器模擬轉(zhuǎn)速控制電壓成線性關(guān)系［14］。即不考慮實際轉(zhuǎn)速滯后的情況下，可以用電機的目標轉(zhuǎn)速代替實際轉(zhuǎn)速。而控制電壓指令則由工控機發(fā)出。由于實際系統(tǒng)中伺服控制器、電機、齒輪泵都存在慣性，因此實際轉(zhuǎn)速響應(yīng)存在一定的延遲，如果采用電機目標轉(zhuǎn)速估算流量會有一定的超前。該方法優(yōu)點是計算的流量穩(wěn)態(tài)值波動小。

方式二：實驗中所用永磁伺服電機自帶有2500線的增量式光電編碼器，可以采用光電編碼器測速。光電編碼器響應(yīng)速度快、準確度高、性能穩(wěn)定，實測電機轉(zhuǎn)速最能反映電機實時轉(zhuǎn)速，因此用它估算流量也最能反映流量的實時變化。

增量式光電編碼器原理：編碼器與電機同軸安裝，電機每轉(zhuǎn)一周編碼器都會發(fā)出一定數(shù)目的脈沖信號，記錄電機轉(zhuǎn)角位置。本次實驗采用M法測速即在規(guī)定的時間間隔內(nèi)記錄產(chǎn)生的脈沖數(shù)，計算電機轉(zhuǎn)速。如在規(guī)定的時間間隔t內(nèi)測得脈沖數(shù)為m，電機每轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)出2500個脈沖信號，則電機轉(zhuǎn)速為：

試驗中的光電編碼器輸出端有一組±5v脈沖信號用于測速。試驗中PCI-1711型號采集卡帶有一個82C54定時器/計數(shù)器芯片，它有三個16位10MHz時鐘源的計數(shù)器。Counter0作為事件計數(shù)器，可用于對輸入通道的脈沖進行計數(shù)。另外兩個counter1、counter2級聯(lián)在一起，用作脈沖觸發(fā)的32位定時器。同時利用LabVIEW程序?qū)崟r計算轉(zhuǎn)速，因為時間間隔很小可以把它近似看成電機的瞬時轉(zhuǎn)速。

4.3 流量軟測量模型動靜態(tài)分析

（1）流量軟測量模型靜態(tài)分析

實驗分析當系統(tǒng)壓力為5MPa，溫度為30℃和系統(tǒng)壓力為7MPa，溫度為38℃時不同轉(zhuǎn)速下的軟測量流量和流量傳感器實測流量關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 靜態(tài)流量測量（5MPa，30℃）

圖9 靜態(tài)流量測量（7MPa，38℃）

實驗結(jié)果表明在不同的轉(zhuǎn)速、壓力和溫度條件下軟測量模型都有很好的穩(wěn)態(tài)測量精度，測量的相對誤差均控制在2%以內(nèi)。此外，軟測量模型測量范圍與傳統(tǒng)流量計相比，可以不受儀器量程限制，能有效地拓寬流量測量范圍。

（2）流量軟測量模型動態(tài)分析

系統(tǒng)壓力一定，電機目標轉(zhuǎn)速階躍變化時分別觀察實測流量和軟測量流量。如圖10為系統(tǒng)壓力為5MPa，油液溫度32℃時電機目標轉(zhuǎn)速由1000 r/min～1500 r/min時的結(jié)果。

圖10 流量測量動態(tài)響應(yīng)曲線

從圖中上升沿可以看出軟測量流量開始反應(yīng)時間和達到穩(wěn)定所用時間均明顯快于流量計實測流量（其中開始反映時間比流量計實測流量快約1.5s，達到穩(wěn)定所用時間比流量計實測流量快2s）。電機轉(zhuǎn)速變化最能反應(yīng)系統(tǒng)流量變化，而實測流量則滯后電機轉(zhuǎn)速變化約2s，說明流量計測量時自身存在2s的滯后。因此，使用軟測量模型計算流量可以克服流量測量時滯后時間較長的問題。

為了驗證軟測量流量的閉環(huán)控制特性，實驗時采用流量閉環(huán)控制。實驗一采用流量計實測流量作為反饋與目標流量進行比較。實驗二采用軟測量模型計算流量作為反饋與目標流量進行比較。兩次實驗負載壓力均為5MPa。實驗結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 實測流量閉環(huán)響應(yīng)曲線

圖12 軟測量流量閉環(huán)響應(yīng)曲線

從圖11、圖12可以看出目標流量階躍上升時，實驗二軟測量流量作為反饋時無論是電機轉(zhuǎn)速、流量計實測流量、軟測量流量達到穩(wěn)定的時間均比實驗一流量計實測流量反饋控制時快。以電機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定時間為例，實驗二的電機轉(zhuǎn)速滯后目標流量僅7.5s，而實驗一的電機轉(zhuǎn)速滯后目標流量11s。因此，使用軟測量流量作為反饋閉環(huán)控制能明顯提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

5 總結(jié)

本文根據(jù)定量泵輸出動態(tài)流量與電機轉(zhuǎn)速、油液壓力、溫度等關(guān)系，建立了以電機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、油液溫度為輸入，流量為輸出的軟測量模型。該方法克服了傳統(tǒng)容積式流量計測量時受自身慣性的影響，動態(tài)響應(yīng)快，很好的解決了傳統(tǒng)流量測量時流量滯后壓力時間較長的問題，且不需要專用流量測量設(shè)備，受測量范圍和安裝條件限制小。實驗結(jié)果表明該流量軟測量模型可以用于動態(tài)流量的測量，且有較高的測量和控制精度。

［1］王益群，劉濤，姜萬錄，等.軟測量技術(shù)在動態(tài)流量測量中的應(yīng)用［J］.中國機械工程學報，2004，2（2）：234-236.

［2］劉濤，王益群.基于軟測量技術(shù)的虛擬動態(tài)流量計的模型研究［J］.液壓與氣動，2012（9）：4-5.

［3］Yongfeng Jia，Lichen Gu，Qingqing Tian.Soft-Sensing Method for Flow of the Variable Speed Drive Constant Pump［C］.2013 International Conference on Machinery，Materials Science and Energy Engineering，2013.

［4］谷立臣，賈永峰.發(fā)明專利說明書.永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量、壓力間接測量系統(tǒng)［P］.中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局，申請專利號：201210124031.9.2012.

［5］陳海泉，谷學華，孫玉請.液壓介質(zhì)的仿真［J］.大連海事大學學報，2002，28（2）：91-93.

［6］蔣繼海.液體變粘度縫隙流動理論與解析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［7］姜繼海，張東泉.40℃參考溫度時的液壓油的粘溫關(guān)系圖表［J］.潤滑與密封，1997（5）：59-60.

［8］薛曉虎.液壓系統(tǒng)縫隙內(nèi)流體泄露特性的分析［J］.機械工程學報，2004，40（6）：75-80.

［9］馮斌，龔國芳，楊華勇.液壓油彈性模量提高方法與試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（3）：219-222.

［10］李壯云.液壓元件與系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［11］賈永峰.永磁同步電機驅(qū)動液壓動力系統(tǒng)設(shè)計與試驗分析［D］.西安：西安建筑科技大學，2013.

［12］姜萬錄，雷亞飛，張齊生，等.基于RBFNN建模的動態(tài)流量軟測量方法研究［J］.儀器儀表學報，2008，29（9）：1888-1890.

［13］賈永峰，谷立臣.永磁同步電機驅(qū)動的液壓動力系統(tǒng)設(shè)計與實驗分析［J］.中國機械工程，2012，23（3）：286-290.

［14］HSV-16系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動單元使用說明書［Z］.武漢：華中數(shù)控股份有限公司，2006.

（編輯 李秀敏）

Soft M easurement M odel of Dynam ical Flow Base on LABVIEW Technology

CHEN Tian-fu1，GU Li-chen1，JIA Yong-feng2，TIAN Qing-qing1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an University of Architecture&Technology，Xi′an 710055，China；2.SchoolofMechanical&Electrical Engineering，ShaanxiCollege of Communication Technology，Xi′an 710018，China）

The research object is servo motor drive quantitative pump output flow，to analysis the effect of the real-time speed，pressure，temperature，oil viscosity etc changes on the influence of dynamic traffic，dynamic flow softmeasurementmodel is established based on LabVIEW technology and analysis for static，dynamic and flow closed loop controlexperimental.Research shows that themodelhasa highermeasuring precision and excellent dynamic response and closed-loop control features，for the dynamic flow measurement provides a new way.

servo motor；dynam ic flow；virtual instrument；photoelectric encoder

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）07-0095-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.026

2014-11-06；

2014-12-12

國家自然科學基金資助項目：基于電功率圖形分析的機電液系統(tǒng)藕合特性及故障演化機理研究（51275375）

陳天夫（1988-），男，河南南陽人，西安建筑科技大學碩士研究生，研究方向為機電液一體化技術(shù)及自動化，（E-mail）tianfudream@ 126.com。