SG-YD03 电液伺服比例综合实验台

时间：2025-02-26 09:55:59

SG-YD03 电液伺服比例综合实验台能完成液压传动课程的设计性、创造性、综合性实验，了解电液伺服位置控制系统的组成、工作原理和校正方法，了解电液比例阀/伺服阀的控制特性，掌握控制系统动态分析原理和时域参数的测试方法，深入理解数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响，是液压学科中的学者、专家、工程技术人员的得力助手。

二、实验内容
1、计算机控制电液比例位置系统的设计性实验
1.1比例阀的性能测试
1.1.1比例溢流阀的压力特性
a.比例溢流阀压力特性测试装置
b.比例溢流阀的输入输出特性的物理意义和测试方法
c.比例溢流阀调压特性及测试方法

1.1.2比例溢流阀的动态特性实验
a.比例溢流阀的动态特性测试装置
b.比例溢流阀压力阶跃响应特性曲线的测试方法
c.比例溢流阀动态特性各参数物理意义和计算方法

1.1.3电磁比例方向阀的流量特性实验
a.电磁比例方向阀流量特性测试装置
b.电磁比例方向阀控制器的输入输出特性的物理意义和测试方法
c.电磁比例方向阀的流量特性及测试方法

1.1.4电磁比例方向阀的动态性能实验
a.电磁比例方向阀的动态特性装置
b.电磁比例方向阀的流量阶跃响应特性曲线的测试方法
c.电磁比例方向阀的动态特性和参数物理意义和测试方法

1.1.5比例调速阀的流量特性
a.比例调速阀流量特性测试装置
b.比例调速阀的输入输出特性的物理意义和测试方法
c.比例调速阀流量特性及测试方法

1.1.6比例调速阀的动态特性实验
a.比例调速阀的动态特性测试装置
b.比例调速阀压力阶跃响应特性曲线的测试方法
c.比例调速阀动态特性各参数物理意义和计算方法

1.2比例系统的设计性测试实验
1.2.1电磁比例力控制系统性能实验（阀控缸）
a.电磁比例力控制系统的组成、工作原理和校正方法
b.计算机在电磁比例力控制系统的作用
c.系统动态分析原理和时域参数的测试方法
d.数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响

1.2.2电磁比例位置控制系统的性能实验（阀控缸）
a.电磁比例位置控制系统的组成、工作原理和校正方法
b.计算机在电磁比例位置控制系统的作用
c.系统动态分析原理和时域参数的测试方法
d.数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响

1.2.3电磁比例转速控制系统的性能实验（阀控马达）
a.电磁比例转速控制系统的组成、工作原理和校正方法
b.计算机在电磁比例转速控制系统的作用
c.系统动态分析原理和时域参数的测试方法
d.数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响

3、伺服阀的性能测试（阀控缸）
3.1伺服换向阀的静态特性实验
a.伺服换向阀流量特性测试装置
b.伺服换向阀控制器的输入输出特性的物理意义和测试方法
c.伺服换向阀的流量特性及测试方法
e.伺服换向阀的压力增益特性的测试方法
f.伺服换向阀的频率特性的测试方法

3.2伺服换向阀的动态性能实验
a.伺服换向阀的动态特性装置
b.伺服换向阀的流量阶跃响应特性曲线的测试方法
c.伺服换向阀的频率响应特性曲线（Bode图）的测试方法
d.伺服换向阀的动态特性和参数物理意义和测试方法

3.3伺服换向阀的力控制系统性能实验（闭环控制）
a.伺服换向阀的力控制系统的组成、工作原理和校正方法
b.计算机在伺服换向阀的力控制系统的作用
c.系统动态分析原理和时域参数的测试方法
d.数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响
e.闭环力控制系统

3.4伺服换向阀的位置控制系统的性能实验（闭环控制）
a.伺服换向阀的位置控制系统的组成、工作原理和校正方法
b.计算机在伺服换向阀的位置控制系统的作用
c.系统动态分析原理和时域参数的测试方法
d.数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响
e．系统频率特性分析

3.5、电液伺服阀的频率特性测试
4、▲设备配套治具模块
（1）机构满足上下调节功能。
（2）机械臂采用上下臂设计并带有 USB 口。
（3）具有左右调节、仰角调节及旋转功能调节功能。
a.下臂旋转角度调整范围：大于210°
b.上臂旋转：0-360°
c.左右调整范围：-90°到+90°
d.仰角调节范围：-50°到+35°
e.360°旋转功能
f.自由升降系统，可以自由停止。
g.数据采集及仿真示教系统1套，带有数据采集软件及设备专用仿真软件。
5、▲液压起重机构
液压起重机构，机构采用多连杆机构及新型直角联轴器结构提供动力传递，，采用液压动力源驱动，提供机构设计CAD图及动画演示视频
6、▲比例伺服数据读写模块：
改模块采用整体式ABS注塑结构，模块具有左右功能分区，左边功能区包含5大类按钮模块，右边含有四大类分区按钮模块，配套无线数据传输模块最大传输速率达400Mbps，配备USB接口，提供实物照片和图纸及模块安装视频。

三、性能及特点
1、液压泵站为外置结构，由油箱、柱塞泵、电机安全阀组、压力表、冷却系统过滤系统、管道、控制球阀以及蓄能器组成。
2、机架采用冷轧钢板按工业标准产品精制加工，表面喷塑处理，液压台为“L”型平台式结构，水平台面为钢板、漏网结构，立式面为显示部分（精密压力表，数显二次仪表等）；水平台面上装有伺服/比例系统测试装置（用于做伺服/比例方向阀的位置、力控制实验），此伺服/比例系统测试装置由高强度槽钢精制而成，能够防止台面变形以及实验时保证最佳稳定性。
3、系统采用多级蓄能器吸震，泵出口为一级，系统测试为二级。保证油源脉动小于额定压力2.5%。回油管道大，系统回油压力小于额定压力3%。
4、电液伺服阀的频率特性测试是以电液伺服阀为测试对象，测试阀的幅频特性和相频特性，绘制Bode图 (即：对数幅频特性和相频特性图)。
伺服阀的频率测试部分，采用本公司研发的动态测试缸，作频率分析，集成MTS磁致伸缩尺。动态测试缸是本公司结合现有技术开发的一种专门测试伺服、比例阀频率的一种装置。整套系统包括测试缸体、低摩擦活塞、速度传感器、位移传感器、激励信号发生器以及LabvIEW平台开发的测试软件等，以上部件全由本公司开发完成，测试方式由激励信号发生器给被试阀发出激震信号，伺服阀阀芯颤动频率通过液体传给活塞，从而引起活塞颤动，并把颤动信号传给速度传感器；

传感器外置式动态测试缸
其测试原理：本实验采用多步法测量伺服阀的频率特性。单一频率正弦激励的多步法是在测量的频率范围内，选择若干个频率测试点；在每个测试点，用一定频率和幅值的正弦波施加于伺服阀进行激励，流量型的伺服阀的流量作为响应信号被采集。响应信号和激励信号是同频率的正弦信号，计算不同频率下的两信号的幅值比和相位差，即可获得伺服阀的频率特性，该动态缸的测试范围为5~100Hz。

基于ARM电液伺服阀频率特性测试数据采集板
本实验采用动态测试缸速度传感器间接地测量伺服阀输出的流量信息，采用以单片机为内核的数字频率采集卡产生一定频率和幅值的正弦激励信号输入伺服阀线圈，伺服阀的阀心产生响应的运动，输出流量驱动动态测试缸也产生响应的运动，连接在动态缸活塞上的速度传感器测出信号和伺服阀输出的流量值可等价的转换，速度传感器信号视为伺服阀的响应信号。正常工作状态下，响应信号和激励信号的频率相等，但幅值和相位不相等。随着激励频率的增大，响应信号的幅值愈来愈小，相位滞后愈来愈大。
－3dB截止频率和－90°截止频率是衡量伺服阀动态性能的重要参数。
－3dB截止频率的定义是随激励频率的增大，幅频值下降至－3dB时的频率。－90°截止频率的定义是随激励频率的增大，相位差为－90°时的频率。
测试系统原理如下图所示：

测试系统的激励正弦信号的频率和幅值由PC机通过串口发出指令给数字频率采集卡，数字频率采集卡产生激励信号并同步地采集速度传感器地信号，实验数据通过串口上传给计算机。计算机的频率分析软件计算每一实验频率点的幅值比和相位差，并绘制Bode图，计算－3dB截止频率和－90°截止频率。
测试状态显示
测试状态指示灯显示测试系统内的工作状态，正常工作时指示灯变成亮绿色。状态显示包括：AD卡、串口、动态缸对中及数字频率采集卡（幅频值设置、激励/采样、读数据）。

5、伺服/比例系统位置、力控制实验采用缸、模块、阀集成式结构，以槽钢为基座，工作油缸与负载油缸或挡块（滑轮、砝码）安装其上，并可拆卸互换。实验者可根据不同负载形式模拟实际工况进行实验。结构形式如下图。

（1）位置系统控制实验
实验装置控制测试原理图

实验原理：
实验系统是位置控制系统，被控物理参数（即系统输出）是负载滑轮位移XO。计算机发出一个给定值（阶跃信号），经数字PID控制器调节和数模转换(D/A)后，产生控制信号u；由伺服放大器、伺服阀、加载液压缸等组成的装置使负载滑轮产生位移；位移量由光栅位移传感器动态地检测并通过光栅编码器采集卡读入计算机，构成闭环系统；控制最终目的是负载滑轮实际位移能准确地、快速地达到给定值。
该实验测量系统对施加的阶跃信号的动态响应；计算位置响应的时域性能指标：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量、稳态误差等；检验数字PID控制器参数对时域性能指标的影响规律。动态响应特性的主要参数物理意义如下图所示：

（2）力控制系统性能实验
实验装置控制测试原理图

实验原理：实验系统是力控制系统，被控物理参数（即系统输出）是弹性负载所受的力F。计算机发出一个给定值（阶跃信号），经数字PID控制器调节和数模转换(D/A)后，产生控制信号u；由电液比例控制放大器、比例溢流阀、加载液压缸、等组成的装置对负载施加相应的力；施加力的大小由力传感器动态地检测并通过模数转换（A/D）读入计算机，构成闭环系统；控制最终目的是施加于弹性负载的实际力能准确地、快速地达到给定值。
该实验测量系统对施加的阶跃信号的动态响应（输出力的）；计算位置响应的时域性能指标：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量、稳态误差等；检验数字PID控制器参数对时域性能指标的影响规律。动态响应特性的主要参数物理意义如下图所示：

6、为了让学生更熟悉、准确掌握常用PID控制器类型和算法以及数字PID控制器结构参数对系统动态性能的影响本公司还开发了一套系统仿真软件。直接可在课堂操作，无需连接实验台，其设计思路与说明：系统仿真是用系统的数学模型来模拟一个真实系统动态特性的实验技术方法。这门技术以成功运用于控制系统性能分析和实践中。
系统仿真步骤：
（1）建立实际系统（部件和元件）的数学模型，即用数学表达式来描述输入输出关系；

（2）建立系统的仿真框图模型，即用传递函数框图描述实际关系；

（3）系统仿真，即编写仿真程序、正确选择仿真算法和设置仿真参数，并运行仿真程序；
（4）系统动态特性分析，反复调整系统或控制器参数，获得最佳设计参数。

系统仿真结果的正确性和精度取决于数学模型和仿真参数。由于液压系统本身的物理特性的非线性、不确定性、内外部因素作用下的变化性等，难以获得准确的数学模型，需要大量的实验。选择合理的算法和仿真参数十分重要。这里采用4阶定步距Runge-Kutta法。仿真模型包含有线性环节和非线性环节。
7、电器控制系统为独立的柜式控制单元，分为电器控制部分和电器操作部分，电器操作面板上装有操作按钮、比例放大器及位二次仪表，电器柜布置安全合理，便于维修。

部分电气原理图1

部分电气原理图2

8、液压元件均配有油路过渡模块，通过金属硬管或软管与执行系统连接，保证在额定工作压力下不漏油。
9、系统冷却，采用专业的水冷方式，使系统测试温度达到国家标准以内，有效排除油温过高影响实验精度的问题。
10、电源模块带三相漏电保护、输出电压380V/220V，对地漏电电流超过30mA即切断电源；电气控制采用直流24V电源，并带有过压保护，防止误操作损坏设备。
11、实验用液压元件采用德国力士乐系列产品，具有高可靠性，严格按学校要求配置元器件。
12、实验台配置了完备的各类型传感器，包括压力传感器、光栅位移传感器、温度传感器、流量传感器、测速传感器，以满足各项实验参数测试的需要。其它元件均采用国内知名厂家的产品。
13、实验台设计合理，测试精度高，闭环位置控制精度可以达到0.1mm。
14、实践性强，学生可自己设计实验，学习掌握液压系统原理与功能；分析诊断原理性故障。

四、控制测试系统
1、实验台的计算机控制测试系统由计算机、数据采集卡、接口板、传感器和电磁阀等组成。采用计算机加采集卡及相应传感器、变换电路组成信号发生和采集的硬件系统，结合编制的专用软件组成基于虚拟仪器的伺服/比例阀测试CAT系统。
2、系统软件的界面是用美国NI公司的LabVIEW开发的，软件界面直观性强，操作方便，功能齐全，交互性好，除具有实测功能以外，还具有虚拟教学的功能，教师可以利用界面提供的数据窗口输入不同的数据，得出不同的分析曲线，从而做到多种配置的理论分析。
3、伺服阀的频率响应采用硬件形式的激励信号发生器加上专用的频响动态缸测试，测试结果真实准确，根据阀的性能不同，频率响应最低可以做到50HZ以上。测试曲线（波德图）实时显示。
4、控制测试系统实现实验室参数（压力、流量、转速、位移等）的自动数据检测，自动处理、存储、自动生成实验报告和打印输出等功能。
5、系统能实现回路电磁阀的自动控制，提高了实验台操作的自动化和智能化水平。
6、系统可同时进行6个二位电磁阀的控制。

五、技术参数
系统额定工作压力：16 Mpa
电动机：Y160L-4           额定功率：11KW       额定转速：1440r/min（1台）
变量柱塞泵：25YCY14-1B   额定压力：25Mpa        额定排量：17.8ml/rev
传感器内置式动态测试缸，频率响应在80HZ以上；
设备配套治具模块 1套
液压起重机构（带直角联轴器） 1套
比例伺服数据读写模块 1套
铸铁平板尺寸：1200X750X60 mm
外形尺寸：实验平台：1300×830×950mm      控制柜：500×420×900mm

六、配置表

序号	类别	名称	规格型号	数量	备注
1	液压站	电机	Y160L-4 11KW	1	ABB
2		变量柱塞泵	25YCY14-1B	1
3		轴向柱塞液压马达	10MCM14-1B	1
4		先导式溢流阀	DB10-1-50/100Y	1
5		蓄能器	NXQ2-L4/315-L-H	1
6		蓄能器	NXQ2-L0.63/315-L-H	1
7		压力表	Y-60	5
8		油路板	SGHYL	1
9		油箱	SGH-100L	1
10		油位指示计	YWZ-150	1
11		强磁滤油器	CGQ-20	1
12		吸油滤油器	WU-160*100-J	1
13		回油滤油器	WU-160*100-C	1
14		高压滤油器	FPS-20-A-F10-01-R	1	意大利阿托斯Atos
15		空气滤清器	EF-25	1
16		液压油	L-HL 46抗磨液压油	60L
17		冷却器	OR60	1
18		球阀	YJZQ-J15N	4
19	液压控制元件	伺服缸	UY1511D63/45-150HS	1
20		双喷嘴挡板力反馈两级电液流量伺服阀	DLHZOR-TES-SN-NP-040-L3(V)1/	1	意大利阿托斯Atos
21		频响动态测试系统	SGH-DC/I	1
22		先导式比例溢流阀	SAGMZE-A-10/315/Y/S	1	意大利阿托斯Atos
23		比例放大器	EI-MI-AC-01F	1	意大利阿托斯Atos
24		电磁比例换向阀	DHZO-T-071-L3	1	意大利阿托斯Atos
25		比例放大器	E-BM-TEB-N-NP-05H	1	意大利阿托斯Atos
26		二通比例调整阀	QVKZOR-TES-SN-NP-10/65/I	1	意大利阿托斯Atos
27		比例放大器	E-BM-AS-PS-01H	1	意大利阿托斯Atos
28		伺服放大器	SGHSF-FD/I	1
29	测控器件	压力变送器	7MF1567-3CB00-1AA1 25Mpa	4	德国西门子
30		流量传感器	7ME6580-3FC14-2AA1	2	德国西门子
31		拉压式称重传感器	S40AC3	1	德国HBM
32		流量数显表	SY-FT8-D60	2
33		速度数显表	SY-FT8-D80	1
34		有源放大器	SY-2C	1
35		霍尔传感器	NJK-5001C	1
36		磁致伸缩尺传感器	MTS:GHM0150MD601V4	1	德国MTS
37		电器控制模块	SGH-TM01	1
38		数据通用接口板	SGH-SG02	1
39	软件与文档资料	实验指导书	SGH-SYZ	1
40		动态频率数据采集卡	SGHDP-JZ/I	1
41		系统采集控制软件	SGH-CR01	1
42		流量传感器说明书	SGH-SBC01	1
43		流量数显表说明书	SGH-SBC01	1
44		光栅位移传感器说明书	SGH-GSE02	1
45	辅助元件	三通接头	M22×1.5	6
46		三通接头	M14×1.5	5
47		耐压胶管	SGH-25Mpa*1.5	4
48		伺服/比例系统测试装置	SGH-SBC-10	1
49		负载砝码	SGH-04	4
50	配套工具	活动扳手	SGH-10	1
51		活动扳手	SGH-12	1
52		开口扳手	SGH8-10	1
53		开口扳手	SGH12-14	1
54		开口扳手	SGH17-19	1
55		内卡环钳	SGHLΦ10	1
56		外卡环钳	SGHRΦ20	1
57		长十字起	SGHL20	1
58		一字起	SGHYE1	1
59		内六角扳手	SGHL-10	1
60		工具盒	SGHGH	1
61		防尘罩	SGHF-10	1
62	易损件	O型圈	φ22×2.4	10
63		O型圈	φ32×3	10
64		O型圈	φ40×3	10
65		O型圈	φ12×2.4	10
66		O型圈	φ10×1.9	10
67		信号灯	φ10	2
68		按钮开关	LAY50-11DT	2
69		压力表	Y60	1

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