浮子活門綜合實驗臺液位控制系統研究

黃莎， 王野牧

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

浮子活門綜合實驗臺是對6種不同結構及不同性能指標進行檢測的綜合實驗臺，在該實驗臺進行檢測的過程中，需要對液面高度進行較精確的控制。為了使所設計的液位控制系統能夠達到項目所提出的精確控制的要求，在設備的研制過程中必須通過計算機仿真分析其可行性。下面就對浮子活門綜合實驗臺液位控制系統的設計及分析過程進行介紹。

1 工作原理

浮子活門綜合實驗臺液位控制系統工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

在實驗過程中，將不同的浮子活門固定在密閉實驗箱中，所有實驗過程均在該實驗箱內完成。在實驗過程中，要求將油液注入實驗箱中，此時液面在法蘭安裝面上面（27±0.2 mm）處，即（227±1）mm 處。使活門處于關閉狀態，實驗箱加壓（17～40 kPa），持續 5 min。

為了保持密閉實驗箱中的液面高度保持在距法蘭安裝面上面（27±0.2 mm）處，在注油口處設置比例節流閥并在密閉實驗箱中設置浮球式液位傳感器，與伺服放大器一同構成閉環液位控制系統。

2 液位控制系統建模

液位控制系統由放大器、電液比例節流閥、密閉實驗箱和浮球式液位計構成。其控制過程傳遞框圖見圖2。

圖2 液面閉環控制系統傳遞框圖

系統輸入信號為0～10 V，經過各環節后，其對應輸出的液面高度為0～350 mm。通過對各個環節進行分析，列出各環節傳遞函數如下。

1）伺服放大器：在控制過程中，放大器接收電壓信號為0～10 V，輸出信號為4～20 mA，其傳遞函數為

2）比例節流閥：實驗臺所選的節流閥可近似視為二階振蕩環節，其傳遞函數為

3）密閉實驗箱的傳遞函數：密閉實驗箱是一個圓柱體容器，內徑為560 mm，其液面高度隨著時間t的變化，與輸入液體流量成線性增長的關系，其傳遞函數為

4）浮球式液位傳感器的傳遞函數：將其看成比例環節，所接收的電壓信號為0～10 V，浮子的高度變化范圍為0～350 mm，則其傳遞函數為

由此可得出系統的傳遞函數框圖如圖3所示。

圖3 液面閉環控制系統傳遞框圖

3 液位控制系統計算機仿真

3.1 系統穩定性分析

根據所建立的液面閉環控制系統傳遞框圖，可由此畫出系統的Bode圖如圖4所示。

圖4 系統的Bode圖

由系統 Bode 圖可看出，ωc＜ωg，系統穩定。

3.2 基于A M E s i m的系統非線性仿真

為了使仿真結果更加準確、更加接近真實的液位控制狀態，在設計過程中通過AMEsim對系統進行非線性仿真，其建模仿真模型如圖5所示。

在模型建立過程中，由泵1供油；通過調節閥2調節比例節流閥的入口壓力；通過調節閥6模擬油箱放油及泄漏油量；將液壓缸的缸桿直徑及質量設置為0，用缸桿的前進距離表示液面高度的變化，由此近似地模擬真實的密閉實驗箱的情況；液面高度的變化由位移傳感器8將信號傳給比例節流閥9；有桿腔壓力通過調節閥4設置為28.5 kPa。由此構成與真實測試過程相同的液位控制系統。

圖5AMEsim中的仿真模型

為了使仿真結果與浮子活門檢測的真實過程更為接近，將系統各元件的參數均設置為其真實參數，具體參數見表1。

表1 模型參數

在對系統進行非線性分析時，分別在1 V和10 V時對系統的響應特性進行分析，輸入信號設定為0～10 V，對應液面高度為0～350 mm。通過對這兩種情況下系統的響應來分析該液面控制系統的控制性能。另外，系統工作的目標高度為227 mm，對應輸入信號值為6.49 V，通過對該信號下的系統進行分析可近似地對該設備實際工作狀態有所了解。具體分析曲線如圖6所示。

圖6 1 V時的液面控制系統的響應曲線

由液面高度變化曲線可知，當輸入電壓信號為1V時，液面高度穩定上升，并最終將液面控制在35 mm處保持不變，液面到達預設高度的時間約為17 s；當輸入電壓信號為10 V時，液面達到350 mm處，液面到達預設高度的時間約為22 s。因此可以看出，該系統的設計基本可以達到對液面高度進行控制的目的，且控制精度較高，與設計的理想值較為相符。

4 結論

經過對浮子活門綜合實驗臺液位系統的分析，可得出如下結論：1）采用比例節流閥及液位傳感器可以實現在實驗過程中對液位較精確的控制。2）該液位控制系統穩定，系統的控制精度較高，誤差較小，響應時間較短，可在較短時間內到達目標液位，能夠達到對液位進行控制的目的。

3）注油調節閥開度對液面上升的速度有影響。

［1］ 宋錦春，蘇東海，張志偉.液壓與氣壓傳動［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］ 路甬祥.液壓氣動技術手冊［M］.北京：機械工業出版社,2002.

［3］ 宋俊，王淑蓮.液壓元件與優化［M］.北京：機械工業出版社,1999.

［4］ 王廣懷.液壓技術與應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2001.