吴央芳，张 俊，夏春林，陆倩倩，王玉翰

（1.浙大城市学院机械电子工程系，杭州 310015；2.浙江大学机械工程学院，杭州 310007）

0 引言

气动技术是一门理论及实践性都很强的机械工程专业方向课程，压力阀作为气动系统中的一个重要元件在系统中起到了调整和控制压力的作用，因此压力阀是气动技术课程的一个重要知识点［1-5］。目前大部分高校的液压或者气动技术所配备的实验大多采用元件拆装、回路系统实验来教学压力阀的使用及相关特性，但是由于压力阀结构相对复杂，工作过程不能直接观察，因此学生对压力阀的结构、原理和性能掌握还有所不足［6-10］。

针对以上气动实验教学中所体现出来的问题，许多高校从仪器配备、实验项目和实验方法设计等方面进行了改革与探索。任永良等［11］运用FESTO公司的气动教学平台和液压气动仿真软件Fluid SIM 构建了开放性的仿真实验系统，利用该仿真实验系统可自由进行气动实验设计。赵孟文等［12］设计了利用互联网及远程控制的液压回路实验系统，可实现远程和互联网模式下的可视化实验及教学。陈敏捷等［13］利用NX、3Ds Max、Unity等专业软件搭建了一个逼真的具有较好交互功能的实验课程虚拟仿真系统，可完成多种类的液压虚拟实验。王娟等［14］利用LabVIEW并结合硬件检测构建多功能的综合性液压实验平台，该实验平台可实现位置控制、回路检测、元件性能测试等教学实验项目。王勇刚等［15］从教学内容，教学方法，考核评价方式等方面介绍了适应现代教育体系建设的液压与气动控制课程教学改革，为高校进行实验课程教学改革提供不同的思路。从上述的实验系统及教学方法改革情况可知，大部分实验系统都是针对液压实验设计且实验过程可视化效果较差，针对气动比例压力阀的相关实验项目研究几乎未有涉及。

基于虚拟仪器技术，由多传感器负责压力、流量等数据的检测，经过高性能数据采集卡上传到与其相连的PC机，通过对此数据的处理和分析，最后由控制器控制被试阀做出相应的响应动作。开发的气动实验平台集测试和控制于一体，具备多功能、模块化等特点，能够对气动元件实现实时可靠的高精度测控。

1 实验教学平台组成及工作原理

1.1 实验教学平台组成

在利用LabVIEW搭建的虚拟实验系统的基础上，构建虚实结合的气动教学实验平台，可实现气动元件的性能测试、气动回路的位置控制、速度检测等实验。平台主要由PC机、被试阀（气动比例压力阀）、流量传感器、控制器、压力传感器、数据采集卡、减压阀、三联件等组成。实验平台的构成框图如图1 所示。

图1 实验平台的构成框图

1.2 平台各元件功能及工作原理

实验平台的气源通过减压阀及三联件调节至合适的压力，压力传感器则用于监测该气源压力。激光传感器用于检测单作用气缸活塞杆的位置并将其转换成电压信号传递给高速数据采集卡和控制器。PC 机主机与高速数据采集卡相连，负责发出控制信号及储存采集卡中采集到的气源压力和气缸活塞杆位置数据。当控制器中输入参考控制信号时，系统通过位置传感器检测出气缸活塞杆的位置再将其转换成电压信号回馈给控制器，实现活塞杆位置的闭环控制。

2 实验教学平台硬件选型与搭建

2.1 PC机主机

采用普通PC 机作为控制主机，与数据采集卡进行相互通信，并配有可视化软件LabVIEW开发的数据采集与处理系统界面。

2.2 压力传感器

系统中采用西安航动仪器仪表有限公司的CYY4型小型压力传感器。传感器的测量范围在0～1 MPa，对应输出电流信号为4～20 mA，准确度等级为0.25%。

2.3 流量传感器

流量传感器采用的是德国FESTO 公司的SFAB-200U型流量传感器。传感器工作压力为0～1 MPa，流量测试范围在0～200 L／min，相对应的输出电流信号为4～20 mA。

2.4 控制器

基于美国德州仪器（Texas Instruments）MSP430F1611 单片机开发的控制器，MSP430F1611 单片机带有64 个引脚，含有16 位超低功耗微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）、46 KB 闪存（Flash Memory）、10 KB 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、12 位模／数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、双数／模转换器等，具有良好的数据处理能力。

2.5 高速数据采集卡

数据采集卡为NI（National Instruments）USB-6361，提供了模拟I／O（Input／Output）口、数字I／O 口和4 个32 位计数器／定时器，用于PWM、编码器、频率、事件计数等，带有16 路（其中8 路为BNC通道）模拟输入通道（16 位，2 MB／s）和2 路模拟输出通道（16位，2.86 MB／s）。实验中设置的采样频率为10 kHz。

实验平台硬件搭建图如图2 所示。

图2 实验平台硬件搭建图

3 实验教学平台软件设计

实验教学平台各项功能主要取决于平台的软件设计，此平台基于LabVIEW完成软件设计。LabVIEW应用程序部分由Front Panel 前面板和Diagram Programme框图程序所构成。Front Panel 前面板为交互界面，可由此设计相应不同的实验项目；Diagram Programme框图程序则可完成图形化程序设计，Front Panel各项功能都由背后相应的框图程序所实现。

此气动比例压力阀教学实验平台软件可实现数据采集、储存、回放、清空、报表打印及退出等功能。其软件设计流程图如图3 所示。

图3 软件工作流程图

3.1 人机界面设计

LabVIEW软件的数据采集和处理能力强、编程相对简单且人机界面较为友好，整个编程、数据采集及处理可节省大量的程序开发时间。本实验教学平台的人机界面设计同样由LabVIEW 来完成。

本实验教学平台的人机界面设计了如下多个显示板块，从而提高人机交互友好性。实验参数设计板块：包括实验项目设定、数据采集卡模拟量输入、数字量输入配置等；图形显示板块：显示气动比例压力阀的滞回特性、阶跃响应、正弦响应、输入-输出特性等曲线；实验数值显示板块：显示流量、压力、电压、位移、速度等值。实验可导出的报表包含：实验过程特性曲线，实验开始时间、结束时间、实验总耗时等数值，方便后续查询整理。具体平台人机界面如图4 所示。

图4 系统人机界面图

3.2 控制程序设计

实验平台使用德州仪器MSP430F1611 单片机作为控制器，其控制流程图如图5 所示。

图5 控制程序工作流程

控制器在接收到控制信号及压力传感器反馈回来的压力信号后，通过增量PID 控制算法不断减小两者之间的误差，实现闭环控制。

4 性能测试平台实验教学应用

利用搭建的气动比例压力阀性能测试实验教学平台，基于液压与气动课程开设“压力阀性能测试”创新实验。实验课程以3 人为1 小组实施，小组学生依据实验课程指导书进行实际操作，实验内容、实验结果及分析如下。

4.1 气动比例压力阀工作原理

硅流体芯片的结构如图6 所示，采用3 层结构设计。其中Ps口为输入端口，Pc口为控制输出端口，Po口为反馈端口，在不通电的情况下，Ps口为常闭端口，Po口为常开端口。芯片中间层的致动器结构如图7所示，主要由一个V字形的电热微致动器（含4 对筋）和杠杆机构组成。

图6 硅流体芯片结构图

图7 中间层致动器结构图

芯片中间层的移动部分可看成是阀芯，当芯片通入控制电压时，由于焦耳热效应电流经过V 型电热微致动器会使筋的温度升高，导致热膨胀，产生沿A 方向的位移，B点则作为杠杆机构的支点将位移放大。

采用硅流体芯片的气动比例压力阀的工作原理如图8 所示，腔室V1连接气压源，腔室V2为控制输出腔，腔室V3与外部空气相连通。图中的红色曲线表示气体的流动方向，主要通过输入控制电压来驱动中间层杠杆机构的移动部分，从而改变Ps口、Po口过流面积的大小，达到比例控制可变端口Pc口输出压力的目的。

图8 气动比例压力阀工作原理图

4.2 实验教学内容

采用双芯片结构的气动比例压力阀作为实验对象，测试采用硅流体芯片的气动比例压力阀的性能。具体实验内容包括：开环特性、压力阶跃响应、输入-输出特性、正弦响应特性及滞回特性等实验。

4.3 实验结果与分析

实验中输入与已知的仿真分析时相同控制信号，对应得到的开环特性实验结果及阶跃响应实验结果分别如图9、10 所示。实验结果表明，采用双芯片结构的气动比例压力阀近似线性可控制范围在30%～60%左右，具有较快的响应速度，阶跃响应上升时间小于40 ms。此外，该阀存在一定的死区、饱和区以及滞回。产生死区及饱和区的原因可能与芯片采用电热致动的机制有关，在芯片两端通入控制电压时，电流流过电阻会产生欧姆热效应，热量在致动器中累积从而产生致动效应使Po口逐渐开启，热量的积累需要一定的时间，因而形成了死区；当两端的控制电压逐渐减小或者突变到0 时，Po口的开度主要与致动器热量耗散的快慢程度有关（当电压降低而热量耗散较慢时则产生了饱和区）。气动比例压力阀的输入输出滞回特性可能与芯片的单向致动机制有关，当需要增加压力时，致动器输入控制电压，而当需要降低压力时，致动器中会输入更少的控制电压或者没有控制电压。对于该阀增压状态（端口Ps打开、端口Po关闭）的调节是主动的（输入更大的控制电压），而对于减压状态（端口Ps关闭、端口Po打开）是被动的，只能依靠杠杆机构和致动器的组合恢复力来减小压力。

图9 三角波滞回特性实验曲线

图10 阶跃响应实验结果

输入周期为4 s 的三角波控制电压信号，气动比例压力阀的输入输出特性实验结果如图11 所示，结果表明该阀具有良好的线性度。

图11 输入-输出特性实验曲线

输入频率为8 Hz的正弦控制信号，气动比例压力阀的输出压力曲线如图12 所示，输出压力能够较好地跟随控制信号变化，最大误差为15 kPa，该阀具有较好的动态特性。

图12 正弦响应实验曲线

气动比例压力阀的滞回特性实验曲线如图13 所示，随着控制信号频率的增加，不规则的循环回路逐渐扩大。

图13 不同控制信号频率时的滞回特性实验曲线

综上，在开环特性实验中，气动比例压力阀存在一定的死区和滞回，可能与芯片的单边致动原理有关。闭环实验结果表明，该阀具有良好的静、动态特性。气源压力为0.7 MPa 时，其阶跃响应上升时间小于40 ms，具有较快的响应速度；输入输出特性实验中，该阀展现了良好的线性度；正弦信号响应实验中，气动比例压力阀可以较好地跟随频率为8 Hz正弦控制信号，具有良好的动态特性。

5 结语

传统的气动技术课程实验较少基于气动比例压力阀来开展相关性能的测试。设计开发利用虚拟仪器技术的气动技术实验平台，实验教学平台集气动、电子、机械、控制、测试、虚拟仪器等技术于一体，采集测量、控制分析等任务均由LabVIEW 实现。该平台克服了传统气动实验测试对象落后、实验误差较大、故障率高等缺点，可有效培养学生的创新意识、数据处理与分析能力以及实践动手能力。下一步计划利用该实验教学平台，尝试采用模糊控制、神经网络等控制算法进行气动比例压力阀性能的比较测试实验，实现实验教学内容的延伸和拓展，进一步增大学生受益面。