基于 LabVIEW 的電液伺服閥測試臺開發

開發了一種基于?LabVIEW?圖形編程語言的自動測試系統，能夠完成電液伺服閥的空載流量特性、壓力增益特性、內泄漏特性等靜態特性的自動測試。針對測試過程中干擾信號頻段與正常信號頻段接近，普通數字濾波器濾波效果不佳的問題，采用迭代濾波分解算法處理原始信號，并將該算法應用到實際測試系統中，通過與普通數字濾波器對比，驗證了迭代濾波器對信號的處理效果更佳。

電液伺服控制在控制領域中占據重要地位，其性能優劣直接影響控制系統質量。伺服閥結構精密且價格昂貴，在使用前和使用過程中，對其進行空載流量測試、壓力增益測試、內泄漏測試等性能測試，有助于了解其性能狀況，為維修提供指導。

為此，本文提出并設計了一種適用于各種伺服閥測試的系統，該系統借助上位機實現對整個測試過程的控制，并能對采集到的信號進行曲線繪制、信號分析、數據存檔、輸出報表等操作。在信號分析過程中，發現測試系統會受到各類噪聲信號干擾，故而對不同濾波器的降噪效果展開對比研究，最終選用效果更優的迭代濾波器。

測試系統的組成

能源系統

系統主要參數為最大流量?100L/min，最高工作壓力?31.5MPa。泵入口安裝帶報警裝置的蝶閥，提升實驗安全性；出口配置壓油過濾器，保障被測伺服閥產品及各元件可靠工作；油箱配備溫度和液位報警系統。供油回路壓力通過電磁溢流閥遠程控制調整。

測試試驗臺

試驗臺為待測元件、儀表和傳感器提供安裝平臺。采用可靠性較高的無泄漏電磁開關閥實現不同油路的切換控制，降低故障發生率；運用集成油路簡化油路結構，減少外部油路連接。

測控系統

數據采集處理及電氣控制系統由動力電控柜、試驗操作控制臺、上位機臺、軟件及人機界面、數字顯示屏組成。數據采集控制分別采用美國?NI?公司數據采集系統及西門子?S7?-?200?型?PLC。

PLC?控制系統

電控柜引入試驗臺總電源，為液壓動力系統的電動機供電并控制其起停運行或變頻調速。PLC?向上位工控機提供電動機運行狀態信號，為油源系統、試驗臺操作控制臺、工控機柜和其他用電點供電，并處理油路系統中各閥的報警信號、油箱液位信號、溫度報警信號、油路切換信號及控制信號，確保設備可靠穩定運行。采集控制柜置于封閉式臺架中。

CAT?系統

CAT?系統基于?NI?公司的?LABVIEW?開發，其圖形化編程和豐富通訊方式使其具有出色的可讀性與交互性，能快速組建虛擬儀器系統，滿足測試系統需求，縮短軟件開發周期。該測試程序可自動采集壓力、流量等參數，根據不同測試項目進行數據處理、存儲備份，自動生成試驗曲線及報告，并以?XLS?格式保存數據，便于與其他軟件兼容，方便后續數據分析處理。測試前需根據不同測試項目設置系統參數，如空載流量特性測試時，要對模擬輸入、模擬輸出、采樣時鐘的采樣率和采樣點數、輸出信號類型等進行設置。在信號輸出模塊的開始和結束階段分別加入歸零信號，校正信號，確保閥芯初始和結束位置均為中位，采樣點數、波形采樣率、波形個數、信號周期滿足公式N=T?n?FS?+N0??2?。

電液伺服閥靜態測試原理

空載流量特性測試

當伺服閥處于空載工作狀態（A、B?口之間無負載）時，模擬輸入電壓信號與采集到的流量信號之間的對應關系曲線即為空載流量特性曲線。測試時，通過工控機控制電磁截止閥?10、18?得電開啟，電磁三通換向閥?11?得電開啟，電磁截止閥?19?失電關閉；設定電磁溢流閥?6?的溢流壓力后啟動油泵；利用測試軟件模擬輸出模塊輸出幅值為?±V?的完整三角波信號；采集模擬輸出信號和流量傳感器?8?的流量信號，生成空載流量特性曲線。

壓力增益特性測試

在閥的額定供油壓力下，關閉?A、B?之間回路，通過壓力傳感器分別檢測?A、B?兩個油口的壓力?PA?和?PB，得到的壓力信號與模擬輸入電壓信號的關系曲線即為壓力增益特性曲線。測試流程為：工控機控制電磁截止閥?10、18?失電關閉，電磁三通換向閥?11?得電開啟，電磁截止閥?19?失電關閉；設定電磁溢流閥壓力并啟動油泵；測試軟件模擬輸出模塊輸出幅值為?±V?的完整三角波信號；通過采集卡采集模擬輸出信號和?A、B?口壓力信號，生成壓力增益特性曲線。

內泄漏特性測試

內泄漏特性是指在額定供油壓力下，關閉?A、B?之間的供油回路，模擬輸入電壓信號與采集到的回油口流量信號之間的對應關系曲線。測試步驟如下：工控機控制電磁截止閥?10、18、19?失電關閉，電磁三通換向閥?11、12?失電處于常位；設定電磁溢流閥壓力并啟動油泵；測試軟件輸出正負值均為測試閥額定信號大小的線性信號；采集輸出信號和流量計?21?的信號，生成內泄漏特性曲線。

測試系統中的濾波研究

迭代濾波分解原理

液壓系統工作環境復雜，機械振動、電氣干擾、液壓介質溫度特性等因素會干擾正常信號，影響測試結果準確性。普通數字濾波器在處理與正常信號頻段接近的干擾時效果不佳，存在峰值衰減問題。因此，本測試系統采用迭代濾波分解算法（IFD）。該算法基于?foker?-?planck?方程構造濾波函數，通過內、外循環迭代運算，將復雜信號自適應分解為若干相互獨立的內稟模態分量和一個趨勢項之和，有效剝離干擾信號，提高信號降噪精度。

內循環過程

內循環過程中，計算待分解信號z(t)與濾波函數g(t)的卷積得到滑動算子Γ(z(t))，濾波區間l(z)根據公式l(z)=2[mNλ?]確定（其中λ取值?1.6?-?2，m為分解信號極值點數，N為信號長度）。從信號z(t)中提取滑動算子得到波動算子k(z(t))?，若k(z(t))滿足?IMF?條件，則為提取到的?IMF?分量。但初次計算結果通常無法得到固定頻率的?IMF?分量，需反復篩選，重復相關計算過程。實際計算中，因時間限制，采用基于泰勒級數等價后的公式Ei?=∥ki,n?1?∥2?∥ki??ki,n?1?∥2??作為第i個波動算子的?IMF?判據，直至滿足條件，完成一次?IMF?分量提取。

外循環過程

外循環用于停止內循環對?IMF?的提取進程，從分解信號z(t)中移除已識別的?IMF?分量I(t)，計算剩余分量r(t)=z(t)?I(t)?。當r(t)呈現明顯趨勢特征時，迭代終止，完成整個迭代濾波分解過程；否則，將r(t)賦值后重復內循環。

實際濾波效果

分別采用巴特沃斯數字濾波器（低通濾波器，通帶為?(0?-?10)?Hz）和迭代濾波分解算法對空載流量特性曲線、壓力增益特性曲線、內泄漏特性曲線原始信號進行處理。

空載流量信號處理

空載流量原始信號存在明顯噪聲干擾，影響曲線滯環判斷與流量增益計算。經巴特沃斯數字濾波器處理后，毛刺雖有所改善，但控制流量為零時電壓信號毛刺仍影響滯環判斷。采用迭代濾波算法，經五次迭代提取?IMF?分量，發現噪聲信號集中在?IMF1?到?IMF3?分量，且?IMF4?存在與正常信號頻段接近的諧波干擾。去除?IMF1?-?IMF4?干擾信號后，空載流量特性曲線毛刺明顯減少，光滑性提升，數據準確度提高。對?IMF4?特征分量和剩余信號分量?IMF5?進行?FFT?變換，結果顯示迭代濾波算法有效剝離了頻率接近的干擾信號，避免普通數字濾波器的頻率混疊問題。