电液伺服执行机构以其独特的优点，成为现代自动化大型设备的关键组成部分。为了提高电液伺服执行机构的可靠性和易维护性，迫切需要一台能对系统的流量、压力、温度、位移等基本参数进行综合测试和数据处理的测试仪[1～2]。新一代的测试仪采用计算机辅助测试（CAT），具有测试精度高、速度快、操作简便、测试重复性好和可靠性高的优点，已经取得广泛应用[3]。通常测试仪需要完成对系统的静态测试，如空载特性、压力增益特性和负载特性[4]。此外，为满足具体被测系统的特点和测试要求，测试仪还往往需要在更高层次对系统进行测试，如时域阶跃响应测试、频域特性测试、加载速降测试、伺服零漂和伺服增益测试功能[5]。

    本文的伺服执行机构测试仪主要针对电液伺服执行机构的测试而开发研制的。在测试实验中，测试仪要按照一定的实验方法和控制策略对伺服执行机构中的伺服阀、电磁阀进行控制，并对阀门的位移、油温、压力、行程开关状态等模拟量和开关量进行数据采集、记录与处理。测试系统由供油站、测试仪、LVDT传感器和被测伺服执行机构组成，伺服执行机构测试系统原理如图1所示。

图1 系统原理框图

    测试实验完全在软件的控制下完成，具有很高的灵活性，可根据实际工程应用的情况和客户需求的变化而修改实验流程。在当前软件版本下，可完成的测试实验有：

    ① 阀门的快关实验，可获得阀门快关特性曲线和快关时间；
    ② 伺服阀的手动控制和PID整定，可获得伺服阀的零点、死区范围、PID控制参数；
    ③ 阀门的滞环实验，可获得阀门的滞环曲线和滞环误差。

    1 硬件框架及其配置

    测试仪在硬件框架设计上采用主从结构，如图2所示。采用艾讯SBC84500嵌入式工控板作为控制核心，在其强大的运算能力和丰富的硬件资源的基础上进行编程，可以完成复杂的算法运算、程序控制、通信等功能。触摸屏提供良好的人机界面，可实时显示操作界面和测试结果，并接收用户的触摸操作输入。此外，测试仪提供一个10Mbps以太网接口，使得用户可以在上位PC机上（通常是笔记本电脑）更为方便地对测试仪操作和处理、存储实验数据，此时测试仪作为下位机进行工作。

图2 硬件组成原理框图

    本测试仪采用完全自主研发的I/O模块，按类型可分为模拟输出AO模块、模拟输入AI模块，数字输出DO模块和数字输入DI模块。该I/O模块具有以下特点：

    ① 由于采用主从结构，I/O模块之间无直接联系，可方便地增减和更换，故测试仪可以根据用户实际需要配置I/O模块的点数和类型，具有很好的灵活性、可扩展性和可维护性。

    ② 模块内部采用光耦隔离，达到2500V隔离强度。模块与嵌入式工控板之间采用RS2485总线和Modbus协议通信。各模块之间相互独立，即使单独损坏和热插拔都不影响系统其他部分的运行。

    ③ 模块均已通过50℃、24h高温测试，并已在TiSNet2XDC800分布式控制系统中实际应用。在化工、造纸、污水处理、供热等行业中的过程控制应用证明了其稳定性和可靠性，能够满足工业现场的苛刻要求。

在东莞沙角C电厂的应用中，根据客户需求，测试仪提供了如下I/O配置，如表1所示。

表1 I/O配置

    2 软件设计

    软件分为上位机和下位机部分。下位机软件在嵌入式工控板上运行，操作系统为WindowsCE4.2，完成测试仪的绝大部分工作，包括与I/O模块的通信、与上位机的通信、数据采集、数据处理、PID控制算法的运算、界面显示和人机交互等。软件设计中充分采用了面向对象的设计方法。由于面向对象方法采用“建模”的观点，使用统一的概念和术语，使得分析、设计和实现一致，并具有封装性、继承性和多态性，极大地提高了软件的可重用性、可维护性和可扩展性[6]。其软件结构框架如图3所示。

图3 下位机软件框图

    在下位机软件的控制下，测试仪可以独立完成所有测试工作。下位机软件也可通过以太网接口与上位机联机，由上位机来完成实验操作。上位机软件在PC机上运行，将人机界面转移到PC来，从而可实现远程操作，并提供更为美观方便的人机界面，更为强大的数据处理和信息提取功能。上位机软件在WindowsXP/2000下运行。

    3 实验

    由于测试仪所能提供的功能较为丰富，限于篇幅，故本文在此仅给出两个测试实验实例。

    3.1 阀门的快关实验

    快关是伺服执行机构的特殊短暂运行工况。快速关闭时间是阀门特性的一项重要参数，反映了阀门在紧急情况下液压伺服机构快速关闭的能力。

    在快关实验中，测试仪首先发出控制信号使电磁阀动作，泄放油压。执行机构油缸内的活塞在弹簧和重力的作用快速下降，完成快速关闭动作的同时，测试仪以200次/s的速率对活塞的位移进行数据采集。快关曲线测试实验平台原理如图4所示，某阀门的测试结果如图5所示。软件对位移曲线进行数据处理后，获得快关时间Tc=0.355 s，油缸的缓冲行程约为4mm。

    3.2 阀门的滞环实验

    由于摩擦、内泄漏和电磁器件的磁滞等因素影响，伺服执行机构中的伺服阀具有一定的位移非线性[7]。

图 4 阀门快关实验平台原理图

图5 某阀门的快关曲线

    伺服阀的非线性是影响阀门控制特性的关键性因素。当调门控制特性较差时，轻则导致控制精度下降，重则引起系统剧烈振荡。阀门的滞环曲线和滞环误差能够直观地表现阀门回滞非线性，是阀门控制特性的重要指标。

    在滞环曲线实验中，测试仪以1次/s的速率采集活塞位移信号，同时给伺服阀一个激励信号，在闭环控制下匀速开启阀门到，再匀速关闭到*小。该过程中记录的活塞位移曲线就是滞环曲线。滞环曲线测试平台如图6所示，某阀门的测试结果如图7所示。

图6 阀门滞环实验平台原理图

图7 某阀门的滞环曲线

    图7中：舍弃初始5mm以内的数据曲线后，该阀门的上升曲线与下降曲线几乎重合。软件对位移曲线进行数据处理后，获得滞环误差为0.4mm。

    4 结束语

    测试仪已经在现场应用一年多，完成了数台伺服执行机构的测试实验。现场应用证明，该测试仪的功能完全符合设计要求，工作稳定可靠、操作简便、人机界面友好美观。该仪器已顺利通过项目验收，此后长期使用，客户反映良好。

    该测试仪由于采用模块化设计，在硬件总体架构上具有良好的可重配置性和扩展性，并且通信协议完全开放，控制软件可根据用户实际需求进行修改和完全重设计，使得该测试仪成为一台具有高度通用性、灵活性、可扩展性的现场仪器，因此，该测试仪经过适当的修改和重配置（主要是修改软件），还可用于测量测试、数据采集、过程控制等现场应用或便携式仪器，如环保监控等。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司