液压实时检测系统设计.pdf

骞 、I 匐 化 液压实时检测系统设计 Desi gn o f r eal - t i m e t es t i ng f or hydr aul i c s ys t em 张铖林’ ，徐武彬’ ，梁蔓安’ ，花庆宝 ，李冰’ ZHANG Ch e n g ． 1 i n。 ， XU W u ． b i n。 ，L I ANG Man ． a n。 ， HUA Qi n g b a o ，L l Bi n g。 1 ． 广西科技大学 机械工程学院，柳州 5 4 5 0 0 6 ；2 ． 广西柳工机械股份有限公司，柳州 5 4 5 0 0 6 摘要针对工程机械液压系统内部工作状态实时检测比较困难的现状，设计了一种基于计算机控制的 数据采集系统。该系统可以实现液压系统动态特性测试，对于液压系统的设计和研究有着重 要意义。 关键词三次样条插值 ；迟滞非线性；F I F O 中图分类号 T P 2 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 6 下 一 0 0 5 1 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． o 6 下 ． 1 4 0 引言 液压传动 系统 是工程机械的关键组成之一 ， 其具 有优 良的操控性能和较低廉 的成本 ，近年来 得到愈来愈广泛 的应 用。但 是液压 系统 由于 自身 封 闭的特点 ，对于其 内部 工作状 态的实时检测比 较困难 ，因此液压 系统故障 的早期 预防和诊 断已 成为十分突 出的问题 。随着计算机技 术的发展 ， 计算机控制 已经扩展到 了几乎所有 的工业领域 。 本文研 究并设计 了基于Vc 开发平 台的数据采集 系统 ，实现了液压系统动态特性的实时检测。 1 总体方案 本 系统从硬件 结构上可分为数据 采集模块和 数 据处理模块两部分 ，数据采 集模 块主要 由压力 变送器 、数据采集卡组成 ，并且采集卡具有F I F O 功能 ，可 以实现高速连 续采样 ；数 据处理 模块 由 工控机 的处理 系统组成 ，可以对 接收的数据做高 速误差补偿 。此外 ，该 1控机还带 有网络通讯接 口、磁盘机 、打 印机 等通 用外设 ，可根据需要对 检测结果进行记录 、查询 、上 传远 程服务器等操 作。系统结构框图如图I n示。 系统工作时，压 力变送器检测并输 出4 2 0 mA 标准电流信号 ，该信号经P CI 一 8 3 4 4 采集卡转换为 数字 信号后，由P C I 总线输入到计算机进行处理 。 用户 只需操作工控机上 的专 用软件 ，便可轻松实 现 液 压 检测 。 2 误差补偿 现代 电子技术 的发展使A／ D转 换器 的精 度很 图1 系统结构框 图 高 ，控 制 系统 的误 差完 全可 以控 制 在允许 范 围 内 。传统 上使 用硬 件补 偿 不但 成本 高 ，电路 复 杂，而且有 些补偿极为 困难 。相 比之下 ，软件补 偿精度高、成本低、效果好，便于实际应用 。 2 ． 1非线性补偿 由于 线性 系统 灵敏 度恒 定 ，便 于 做动 态 分 析 ，因此人们 总是倾 向于将仪表 的输入和输 出量 作为线性关 系处理 。但在实 际工程 中，传感器构 成 的检测 系统 总是非线性 的，为提高测量精度， 需要准确 测定传感器 的非线性关 系，从而实现 非 线性补偿 。样条插值可 以使用低阶多项式样条实 现较小 的插值误差 ，从而避免使用高阶多项式插 值所 出现 的龙格现象 。本文使用三次样条插值 实 现非线性补偿 。 三次 样条插值 是用三次样条函数 作为插值 函 数 ，根据 已知样点值计算 出三次样条函数，再根 据 插值 公 式插 出未 知样 点值 。假 设给 定数 据 点 收稿日期2 0 1 4 - 0 1 -1 3 基金项目广西科技厅科技攻关项目 桂科攻1 2 1 1 8 0 1 5 7 B 作者简介张铖林 1 9 8 9一，男，河北保定人，硕士研究生，研究方向为机电一体化设计。 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 - 0 6 下 [ 5 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 訇 化 X j , Y ， 0 ， l ， ⋯， ， h0 1 ． ． ． ，若三次 多项式 函数 S X ∈ C 在小区间 ， ， 川] 上二阶连续 可导 ，且满足 S x j Y ， ，则 称S x 为三次样条插 值 函数 。具体算法为 1 在每个小 区间上 ，设一次 函数 “ 的表 达式为 m 旦 X i l X i X i l X i 1 f 1 , 2 ， ． ． ． ， n 1 式 中 mf ，mi 1 一待定系数。 2 设 l X i ，将 1 式积分两次得 棚 af x 式 中 a f 、 b i 一 积分常数 ，可利用插值条件 Y 和 ■ Y 川联立解出 一 h 6 a i 一 一 【 h i 一 6 j H 对 2 式求导得 卜 Ⅲ 二 一 二 h i 6 ‘ 3 由于S ’ 在节点处连续可导 ，即 i 1 , 2 ， ⋯ ， 一 1 ，可解得 垒 2 垒 h i 一1 h i ‘ 一1 h i 6f 二 一 二 1 1 一 l h i l h i 整理 后得 到 关于 的线 性 方程组 3 ／ z , mf 一 1 2 mf 1 一／ 1 i mf 1 i 1 ,2 ． ， n 一 1 7 式 中． ．．一 一。 6 一 ] 该方程组有 ， z 一1 个方程 ， 1 个未知数 ，因 [ 5 2 1 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 0 6 下 此需人为添／ j u 2 个边界条件 ，最常用的是 自然边界 条件两端点处 的二阶导数为0 ，即m。 m 0。 解 出式 8 及其附加方程得到mi 后，再代入S i x 即可得到全部解。 2 _ 2迟滞性补偿 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程 期 间会出现 输入一输 出特性 曲线不重合的迟滞现 象 ，如 图2 所示 。迟 滞性除 了具 有非线性 的特 征 外 ，还具有局部记忆性或非局部记忆性 ，很难对 其实现精确建模。本文在误差允许的范围内，采 用近似建模的方法实现静态迟滞补偿 。 图 2迟 滞 现 象 若将 实际加载 、卸载的轨迹 定义 为动 态行程 曲线，该 闭合曲线则包含于最大正反行程曲线所 围成的 区域 内 ，如 图3 所 示 。由于转 折点是任意 的，所 以动 态行程 曲线也会随着转折点的变化 而 变化 。 图3 动 态行程 曲线 从 图3 中不难看 出各曲线形状相似，总会收敛 到一点 ，只是 收敛 的速 度不 同。设载 荷x，输 出 Y ，采用式 8 来逼近这个关 系 i o l A y Y0 e 8 式中 o 一加载卸载的转折点；△ 一动态行 、 、 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参I 匐 似 程曲线相对于最大反行程曲线的距离 ； 0 一动态 行程 曲线在前一转折 点相对 于最大反行程 曲线的 距 离 ； 一 衰 减 常 数 ， 根 据 实 际 情 况 一 般 取 1 ． 5 - 2 ． 0。 采用三次 样条插值法分 别插 出最大正行程 曲 线f A x 、最大反行程 曲线f R x 后，分五步讨论动态 行程 曲线方程 、第一步0一A ． ／ 9 第二步AB 口 一A y 1 0 第三步B A ／ U A A y 1 1 第四步AC c f 1 2 第五步C一0 f c o ． 1 3 需要注意是 ，如果载荷方 向发生变 化 ，动态 行程 曲线也要跟着变化 ，因此 第三步需要重新计 算 ，然后再根据 和载荷的变化方 向，得到新 的动态行程 曲线方程 。 3 实时采集 采用具有F I F O 先入先 出高速缓存 结构的 数 据采集系统，可以随时得到需要 的数据 。F I F O 可以实现 1 连续采集的数据顺次排列在缓存区 中，不会覆盖之前的数据，从而防止数据丢失；2 数据集中起来存取，避免了频繁的P C I 总线操作，降 低对C P U的 占用 ；3 采集卡以D MA 直接访问内 存方式向计算机发送数据，提高传输速率。 如 果采 样频 率被 定在 2 0 0 0 Hz ，那 么每 秒从 F I F O读 出的数 据量 不能 低于2 0 0 0 ，否则 会造成 F I F O溢 出导致采集 中断 。为避免此问题，需及时 读取F I F O中的数据 ，设计 了如图4 所示的定时数据 采集 系统 。此外，在高速 中断方式下 ，如果采用 从HF I F O 硬件缓 存区 中读取数据 ，由于存在 响应时 间，当用户线程收到半满信号 后才开始读 数 ，很容 易造 成数 据未及时读取采 集中断，因此 选用从S F I F O 软件缓存区中成批读数 。 4 结束语 使 用该 系统在规 定条件 下对某型号装载机 的 图4 定时数据采集流程图 举升 、卸载 、下降三个动作进行工作液压系统 实 时压力检测，压力动态曲线如图5 所示 ，检测结果 满足工厂要求。该系统经过试验验证 ，性能稳定、 运行可靠 ，满足了液压系统测试方面的要求。 图5 工作压力 系统 曲线 参考文献 [ 1 ]1 张小江， 高秀华． 三次样条插值在机器人轨迹规划应用中 的改进研究[ J 】 _ 机械设计与制造． 2 0 0 8 0 9 ． 【 2 】滕 飞， 张之敬， 孙嫒 ． 虚拟微装配系统 中非线性校正仪的设 计[ J ] ． 制造 业 自动化 ． 2 0 1 3 0 3 ． 【 3 】谢煜， 刘翠梅， 杨三序． 电容称重传感器的迟滞性补偿[ J ] ． 仪表技术与传感器． 2 0 0 7 1 2 ． [ 4 】杨俊， 党选举， 严斌． 扩散硅压力传感器的迟滞建模与智能 补偿[ J ] ．微计算机信息． 2 0 0 8 0 1 ． 【 5 】稽海旭， 于鹏， 梁秀娟． 传感器的非线性补偿研究[ J ] ． 机械 制造． 2 0 0 9 1 0 ． 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 0 6 下 [ 5 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m