微机测控减压阀性能试验台设计及实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 4.32MB 87 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 前言............................................................................................................. 1
§1.1.1 减压阀特性概述.............................................................................. 1
§1.2 选题背景..................................................................................................... 2
§1.3 国内外研究现状和发展水平..................................................................... 3
§1.4 本课题的研究意义、内容和方法............................................................ 4
§1.4.1 研究意义.......................................................................................... 4
§1.4.2 研究内容和方法.............................................................................. 4
第二章 微机测控减压阀性能试验台管网设计 ............................ 6
§2.1 减压阀减压原理、特性、及测试方法..................................................... 6
§2.1.1 减压阀减压原理.............................................................................. 6
§2.1.2 减压阀关键特性.............................................................................. 9
§2.1.3 减压阀特性测试方法...................................................................... 9
§2.2 微机测控减压阀性能试验台管网设计................................................... 16
§2.2.1 微机测控减压阀性能试验台管网要求........................................ 16
§2.2.2 微机测控减压阀性能试验台管网............................................... 17
§2.2.3 微机测控减压阀性能试验台工况调节........................................ 18
§2．3 本章小结................................................................................................. 20
第三章 微机测控减压阀性能试验台硬件设计 ........................... 21
§3.1 电气控制系统设计................................................................................... 21
§3.1.1 电气控制系统需求........................................................................ 21
§3.1.2 电气控制系统设计原则................................................................ 21
§3.1.3 电气控制系统设计........................................................................ 21
§3.2 调节控制系统设计................................................................................... 25
§3.2.1 调节阀阀位控制及反馈................................................................ 25
§3.2.2 电磁阀控制.................................................................................... 26
§3．3 数据采集系统设计................................................................................. 31
§3.2.1 数据采集原理............................................................................... 32
§3.2.2 数据采集系统的结构形式........................................................... 32
§3.2.3 数据采集系统硬件设计原则........................................................ 33
§3.2.4 数据采集系统主要性能指标........................................................ 34
§3.2.5 数据采集系统设计方案................................................................ 34
§3.2.6 数据采集系统硬件设计................................................................ 36
§3.2.7 采样定理与采样时间的确定........................................................ 37
§3.2.8 系统抗干扰措施............................................................................ 38
§3．4 本章小节................................................................................................. 39
第四章 微机测控减压阀性能试验台软件设计 ........................... 40
§4.1 软件系统设计任务................................................................................... 40
§4.2 数据采集系统软件设计........................................................................... 40
§4.2.1 数据采集模块设计....................................................................... 41
§4.2.2 数据处理模块设计....................................................................... 44
§4.2.3 数据显示与存储模块................................................................... 46
§4.2.4 报告打印模块设计....................................................................... 47
§4．4 控制系统软件设计................................................................................. 47
§4.4.1 电动调节阀控制........................................................................... 48
§4.4.2 PLC 通讯技术及特点.................................................................... 48
§4.4.3 基于 PPI 协议的寿命试验使用次数模拟发生模块设计........... 51
§4.5 本章小节................................................................................................... 53
第五章 减压阀性能测试试验与分析 ................................... 54
§5.1 流阻流量试验........................................................................................... 55
§5.2 流量特性试验与分析.............................................................................. 57
§5.3 压力特性试验与分析............................................................................... 58
§5.4 流量系数测量试验................................................................................... 59
§5.5 寿命试验与分析....................................................................................... 60
§5.6 本章小节................................................................................................... 61
第六章 减压阀性能测试试验工况调节算法及仿真 ....................... 62
§6.1 工况调节原理.......................................................................................... 62
§6.2 自动调节算法........................................................................................... 64
§6.2.1 PID 算法原理................................................................................ 64
§6.2.2 数字 PID 算法................................................................................ 65
§6.2.3 增量式 PID 算法的改进................................................................ 66
§6.3 PID 算法仿真........................................................................................... 67
§6.3.1PID 压力控制仿真.......................................................................... 67
§6.3.2 PID 压力-流量两变量控制仿真.................................................. 68
§6.4 基于 RBF 神经网络的的多变量 PID 解耦控制算法.............................. 70
§6.4.1 RBF 神经网络介绍........................................................................ 70
§6.4.2 RBF 神经网络 PID 控制器............................................................ 72
§6.4.3 RBF 神经网络解耦 PID 控制器.................................................... 77
§6．5 本章小节................................................................................................. 79
第七章 结论及展望 ................................................. 80
参考文献 .......................................................... 81
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 82
致 谢 ............................................................ 83
附件：程序代码 .................................................... 84
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
产品性能的试验是非常重要的工作，其直观明了的、准确的反映出产品的性
能指标，以其独有的特点和优势。随着工业系统对产品特性要求不断提高，人们
对产品的实验设备也提出了很高的要求。
§1.1 前言
减压阀是一种广泛应用于工业生产的一种阀门产品，在高压气体的供给系统
中有非常重要的作用，随着气动技术的发展，它的应用领域不断扩大，随着产品
型号发展的需要，高压、大流量、高性能气动元件的研制和开发更为迫切，因此
有必要建立大功率气动元件－减压阀的静动态特性参数的试验装置，以期对减压
阀的设计制造提供可靠的依据。
§1.1.1 减压阀特性概述
减压阀是通过启闭件的节流，将进口压力降至某一需要的出口压力，并能在
进口压力及流量变动时，利用介质本身的能量保持出口压力基本不变的阀门。是
一种重要的压力闭环调节装置。减压阀原理图如图 1－1所示：
图1－1减压阀原理图
当阀门工作并处于稳态时，如果由于负载变化导致出口压力升高，则作用在
敏感元件上的力增大，敏感元件带着推杆向下移动，则阀芯的开度减小，出口压
力随着减小，这样出口压力可以保持在一个相对稳定的值，实现稳压作用，出口
压力减小时过程相反。对正向作用式减压阀而言，当阀门入口压力升高时，阀芯
微机测控减压阀性能试验台设计及实现
2
开度增大，出口压力随之升高，而作用在敏感元件上的力随之增大，阀芯开度又
减小，这样出口压力仍可以保持在一个相对稳定的值，实现稳压作用，入口压力
降低时此过程相反；对反向作用式减压阀，当阀门入口压力升高时，其调节过程
和正向作用式减压阀的调节过程完全相反，但均能实现稳压的目的。
从上述原理可以看出，减压阀低压腔的压力取决于阀芯的开度，而阀芯的开
度变化取决于阀门入口压力、流量及负载变化，减压阀实现稳压的过程实际上就
是作用在阀芯上的力动态调整并重新平衡的过程。
对于常规型号的减压阀来说，压力特性、流量特性试验以及密封试验是检验
产品是否合格的重要依据，而试验台的质量直接关系到试验的精度和稳定性，因
此设计一个可靠的试验台对提高产品的质量以及产品的设计有着重要的意义。另
外，连续运行试验（寿命试验）可以考核减压阀的膜片、弹簧的寿命，可以向用
户提供产品的寿命，提高了减压阀在使用过程中的可靠性、安全性。
§1.2 选题背景
对于制造业而言，利润最大化是各个公司所追求的目标。随着制造业的发展
和经济发展的全球化进程不断的深入，产品的设计、制造、检测及质量管理的过
程正在根据优化资源、提高效率和获取最大利润的原则，分散到不同的国家、不
同的公司和不同的部门，国际化的协同工作已经成为势不可挡的趋势。公司逐渐
将精力投入核心产品的核心部件，而非核心部分的加工制造由采购部门委托供应
商完成，这样可以极大的节约人力、物力加强核心部分的竞争力。
对于供应商而言，被客户考察的不仅仅是供应产品的质量，很重要的一部分
是作为供应商如何检验产品的质量，如何处理客户投诉，如何将客户投诉反映到
生产，再如何检验生产是否已经解决问题。由此产品质量与性能的检验及检验的
手段是一个公司竞争力的高权重因素。拥有高效率，自动化的产品性能测试实验
台是一个公司产品竞争力的重要组成部分。也是产品质量及性能的保证。
减压阀作为高压介输送过程中重要的一个部件，为了实现对流体的控制，
具备以下性能：即密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能及使用
寿命。对大多数减压阀阀门来说，密封问题是首要问题。由于密封性能差或密封
寿命短而产生的外漏或者内漏，会造成环境污染和经济损失；有毒的流体、腐蚀
性流体和易燃易爆流体的泄漏有可能产生重大的经济损失，甚至产生人身伤亡。
对于高中压阀门和减压阀等，阀门的安全可靠性也是十分重要的。强度不够或动
作不可靠（例如高压阀的阀体或者重要零件的断裂、安全阀不能准确起跳、止回
阀不起逆止作用等）将会造成本体或系统的破坏而导致人身伤亡。对于阀门的流
通性能，通常指流量压力特性，是阀门选配的重要依据。阀门选配恰当，在满足
第一章 绪 论
3
系统要求的同时，会节省费用。反之，选配不当，造成系统不稳定，达不到要求，
甚至毁坏系统管网。
如果出现上述性能问题，从现场拆除阀门返场维修的成本非常高。保证 100％
出场合格率才是降低成本最直接的方法。可见减压阀的生产检验非常重要，对于
减压阀的生产试验来说，因为生产试验是减压阀出厂前的最终检测手段，通过工
厂试验和检验试验等试验工作达到调整性能、磨合运转、检查制造，最终给出减
压阀出厂性能报告的目的，因此研制高质量的试验台来进行试验工作对于保证试
验结果的科学性和准确性具有重要的意义。2006 年12 月25 日国家发布了减压
阀性能试验方法的标准 GB/T 12245-2006《减压阀性能试验方法》规范减压阀性
能实验的方法，该标准于 2007 年05 月1日执行。
随着减压阀性能的不断提高，试验时所涉及参数越来越多，试验过程也越来
越复杂，多年来人们不断探索新的试验技术，以适应日益发展的减压阀试验技术
的要求。与此同时，计算机技术、自动化技术、测控技术、嵌入式技术的飞速发
展使得工业生产的自动化水平越来越高。逐渐的这种技术开始应用于各个试验平
台中来。因此将先进的计算机测控技术引入到减压阀试验中来，解决试验复杂、
效率低的问题是一个很好的趋势。
§1.3 国内外研究现状和发展水平
近年来，随着阀门生产商对于产品性能测试的不断重视，以及测控技术和计
算机技术的发展。试验台的发展而不断得到改进。主要表现为：
试验台的参数测试自动化程度越来越高：早期由的机械式仪表逐渐向变送器
发展，而数据的采集也经历了机械式仪表读数到数显式，随着计算机测控产品的
不断发展，阀门试验台的数据采集工作也逐渐交由计算机完成。
试验工况的调节由手动控制朝向电动动控制、计算机控制、自动控制方向发
展：传统的试验工况调节要靠人工调节阀门，电动阀门品种逐渐增多，价格也越
来越低，调节阀门已经开始由传统的手动阀门向电动阀门过渡。调节的手段由原
有的人工调节阀门发展为电气驱动阀门、计算机调节。
目前国内减压阀性能与质量检测通常是进行静压、流量-阻力特性测试等，而
尚无减压阀产品寿命试验的正式检测规范或相应的国家标准，国际上也仅有日本
等少数技术先进国家制定了工业技术标准，其中包含同类产品寿命试验项目要
求。如今，减压阀在各个领域得到了广泛的应用，伴随而来的是产品寿命问题，
用户非常关心减压阀的寿命，但是企业在减压阀出厂前都没有做寿命实验，原因
是缺乏相关的国家规范，因此非常有必要制定减压阀寿命实验的国家规范。
国内阀门出厂前的检测手段很多为机械仪表式或电子仪表式实验台，这类仪
微机测控减压阀性能试验台设计及实现
4
表式实验台由于需要分别读数，纸笔记录，数据的同步性有偏差。自动化程度低，
一定程度上制约了产品性能测试的效率。因此，阀门的检测装置、手段有待于进
一步发展。
本课题是上海理工大学动力学院、计算机学院与上海通用机械所的合作课题。
课题是针对上海通用机械所设计、生产的节流减压阀。作为流体控制的关键元件，
减压阀在出厂前要对其进行严格的性能测试，因此要求生产厂家配备相应的实验
台。
我们为上海通用机械研究所设计研制的减压阀性能试验装置，可以进行减压
阀流阻特性试验、流量特性试验、压力特性试验、连续运行试验、密封试验等。
试验标准按照 GB/T 12245-2006《减压阀性能试验方法》。
§1.4 本课题的研究意义、内容和方法
§1.4.1 研究意义
1.我们所设计和研制的全自动节流减压阀性能与寿命试验系统，是国内目前
能够包含同类产品寿命试验项目的第一套全自动测试装置，其研制开发成功将使
产品性能检测、质量控制水平上一个新台阶，大大提高产品现场运行可靠性与安
全性，同时为新产品设计、开发提供一个先进而实用的试验平台。
2.通过对实验台系统的最优化设计，最终要作为上海通用机械所减压阀特性
测试的实验台。在系统流程设计过程中，我们考虑了多种方案，听取了阀门行业
同行的建议，使方案可行，性价比高。
3.本实验台是全自动控制，不仅可以节省大量的人力、物力，还提高了测试
精度。进行特性测试的负载流量特性实验时,传统的方法是采用节流阀加载,由
于人工加载的随机性,压力出现波动,而且耗时比较长,加载方式不符合测试自
动化的需要。因此,用电动调节阀代替原有的节流阀,通过计算机对电动调节阀
进行控制,实现系统的加载。
4.目前，减压阀在出厂前只是做压力、流量特性实验、密封实验，而没有做
寿命实验，原因是目前还没有做寿命实验的相关规范，本实验台的搭建，其中的
一个目的是联合合肥通用所、沈阳阀门厂等国内阀门同行制定减压阀寿命实验的
规范，并提供试验数据。在设计实验系统时已经将做寿命实验考虑进去。
§1.4.2 研究内容和方法
试验台采用电动调节阀来控制压力、流量，电磁阀来模拟用户的使用次数，
合理配置了管路试验系统、高压水供给系统、自动控制系统、数据采集系统及监
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.......................................................1§1.1前言.............................................................................................................1§1.1.1减压阀特性概述..............................................................................1§1.2选题背景............

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：87 页 大小：4.32MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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