液压支架安全阀试验台测控系统设计

安全阀是使液压支架立柱保持恒阻工作特性的关键元件。由于安全阀长期在高压状态下工作，因此要求安全阀动作灵活，密封可靠，工作稳定，使用寿命长[1]。液压支架安全阀试验台是依据中华人民共和国国家标准《煤矿用液压支架 第3部分：液压控制系统及阀(GB 25974.3-2010)》、中华人民共和国煤炭行业标准《液压支架用阀(MT 419-1995)》(以下简称标准)设计的。用于对安全阀的启溢闭特性、密封性能、强度性能、耐久性能等进行综合测试。标准中对试验流程和试验参数进行了严格的规定，本文根据对试验台液压系统的研究设计了测控系统，能实现系统数据的采集，系统的自动运行，流量的准确控制，试验结果的显示、保存、打印等功能。

1 测控系统构成及功能

该测控系统主要包括：工控机、多通道数据采集卡、多通道开关量输出卡、拉线式位移传感器、高频压力传感器和打印机等。系统构成如图1所示。

图1 系统构成简图

1.1 位移传感器

位移传感器的作用是测量增压缸的位移，根据液体体积的变化量换算出安全阀的试验流量，系统要求达到的最小流量为0.04L/min，增压缸的位移变化较小，故采用精度为0.01mm的拉线式位移传感器，经试验证明满足系统要求。

1.2 压力传感器

测控系统要求在极短的时间内，压力传感器需要不失真的测量一些变化频率快的动态压力波形和幅值，记录试验过程中的压力变化，这就要求压力传感器有较高的固有频率和较宽的响应频带，本系统选用高频动态压力传感器，其参数如下：固有频率高可达1MHz，测量范围为0～100MPa，上升时间为0～1μs。

1.3 数据采集输出卡

系统对模拟量的要求分采集和输出两类，采集功能是对压力传感器和比例流量阀开口度进行快速不失真的测量，并保证测量精度，这就要求采集设备有较高的采样频率和分辨率。输出功能是对比例流量阀开口度的控制，输出值的精度决定着开口度的精确度。本系统选用研华的PCI-1716高分辨率多功能数据采集卡，其参数为：16位分辨率，16路模拟量输入，2路模拟量输出，带1k FIFO，250kS/s 采样率。

1.4 开关量输出卡

开关量输出卡主要用来控制液压系统中电磁阀的动作，在选型时应注意板卡的触点容量，通道个数和隔离能力等。系统选用研华的PCI-1730U 隔离数字量输入/输出卡，输出范围为5～40VDC，隔离保护电压可达到2500VDC。

2 系统流量闭环控制设计

标准中规定进行安全阀小流量启溢闭试验的流量为0.04L/min。对于安全阀来说，在阀的调定压力范围之内，调定压力越高，它所允许通过的系统流量越大，降低调定压力值，它所允许通过的系统流量也会减少[2]。在安全阀特性试验系统中，单纯靠比例流量阀控制系统流量，经试验发现流量值不稳定，对于整个系统构成闭环控制，可较好的解决此问题。

比例流量阀对流量的控制，实际就是系统对比例流量阀开口度的精确控制。为实现整个系统流量的闭环控制，该系统选用高精度位移传感器测量系统流量，位移传感器测得的系统流量作为反馈输入计算机，采用模糊自整定PID[3-4]控制策略调整比例流量阀开度，较好的实现了对试验系统的流量控制。系统控制原理如图2所示。

图2 系统流量闭环控制原理图

3 软件设计方案

该测控系统软件采用Visual Basic语言编制，应用ActiveDAQ控件进行高精度实时数据采集。软件功能主要包含采集、控制和数据处理等主要部分。其中采集部分包括对传感器数据的采集、比例流量阀开口度数据的采集等。控制部分包括对系统充液增压等功能阀的手动和自动控制、通过PID算法对比例流量阀开口度的控制等。数据处理部分包括曲线的滤波、试验结果的计算，曲线的保存和打印等功能。

3.1 数字滤波

由于液压系统振动及压力传感器数据采集误差等原因，造成压力波形不平滑，因此需对原始压力数据进行处理。根据压力值的特征，对原始数据进行滤波后，并进行曲线拟合，得到连续、光滑的时间—压力曲线。

经过分析和仿真实验发现，采用递推平均滤波法对压力曲线进行处理，能达到较为理想的效果，递推平均滤波的原理如下：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果[5]。本系统中N=5。

3.2 软件菜单结构图及流程图

软件菜单结构图及流程图如图3所示。

图3 软件菜单结构图及流程图

4 系统测试结果

选取型号为FAD160/40的安全阀为例进行小流量启溢闭特性试验，得到的压力时间曲线如图4所示。从试验曲线中可以直观的看出从开始增压到实验结束的全过程的压力变化值，左侧数据栏是系统根据曲线计算出的试验结果。

图4 启溢闭特性试验压力时间曲线

5 结 语

文章通过安全阀试验台的液压系统，设计了相应的采

集及控制系统，并设计流量闭环控制系统，利用模糊自适应PID算法较好的实现了流量控制，并可以保存和打印试验曲线，并通过数据和曲线的方式直观的显示实验结果，通过一段时间的测试，系统运行可靠稳定，达到了设计要求。