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摘要：针对多路水压测试系统压力闭环控制问题，从水压测试系统的原理出发，建立了多路水压测试系统的原理模型。基于AMESim平台对系统压力的建立、比例调压阀压力控制等性能作了仿真研究。基于AMESim模型分析了水压测试系统响应特性、系统压力控制精度与不同元器件参数的关系，比如不同参数的空气过滤器、不同孔径的管路及其他不同参数的元器件。分析比较了不同的PID参数设置下，气压比例阀压力控制环节与液压缸夹持压力的主油路水压控制环节的压力响应曲线，得出了匹配的PID参数设计是水压测试系统控制系统的关键。
关键词：水压测试；压力控制；AMESim仿真；比例调压阀；气动增压
中图分类号：TN820.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）26-0202-05
Abstract：Aiming at the problem of pressure closed-loop control in multi-channel hydraulic testing system， the principle model of multi-channel hydraulic testing system is established Based on the principle of hydraulic testing system. Based on the AMESim platform， the performance of the system pressure and the pressure control of the proportional pressure regulating valve were simulated. Based on the AMESim model， the response characteristics of the water pressure testing system， the relationship between the system pressure control precision and the parameters of different components are analyzed， such as the air filters with different parameters， the pipes with different aperture and the other components of different parameters. The pressure response curve of the pressure control link of the pressure proportional valve and the pressure of the hydraulic cylinder under the pressure of the hydraulic cylinder under the different PID parameters is analyzed and compared. It is concluded that the key of the matching PID parameter design is the control system of the water pressure testing system.
Key words： hydraulic pressure test； pressure control； AMESim simulation； proportional pressure regulating valve； pneumatic supercharging
1 概述
水压测试试验是贯穿国民经济的重要工业应用[1-3]。自来水压力容器、热水器、工业用压力罐等器材包括各种压力系統的接头都必须进行压力试验[4-6]。压力测试环节是各类压力元件进入市场的必要条件。一旦压力试验不达标的元件流入人们的生产与生活中，大多会带来较为严重后果。高压气体、液体泄漏会造成人身安全及财产损失。有毒、有害气体液体泄漏将会对人类及周边生物与环境带来巨大的灾难。在家用产品中各类水管、接头等水压容器需要进行高压、低压测试，在工业产品中液压管件、阀门等液压容器，均需要耐压试验、液压脉冲试验及疲劳试验[7-11]。
最早的水液压测试技术，源于军事用途，美国海军对海水液压测试技术进行了研究，研制出了压力14MPa、流量45L/min的水液压系统[12]。随着工业技术的发展，水液压测试技术在西方工业国家及亚洲的日本取得了较快的发展[13]。压力21MPa及流量6L/min的海水柱塞泵、压力63MPa及流量4L/min的海水柱塞泵、10MPa的水压马达等水压设备先后被国外研究机构与公司研制出来[14-16]。水压泵、水压溢流阀、流量阀、方向阀、水压缸及比例流量阀等水压元件被应用到食品机械、消防机械、海洋作业机械及管道压力检测机械等工业设备上。多路水压测试试验台主要针对工业制品容器的压力测试。在家用产品中各类水管、接头等水压容器需要进行高压、低压测试，在工业产品中液压管件、阀门等液压容器，均需要耐压试验、液压脉冲试验及疲劳试验。水压测试系统需要提供各类产品测试的压力范围。在保压试验下，水压测试系统需要提供某一压力下持续保压的能力，其测试原理如图1所示。水压测试系统综合了工业自动化、液压控制、计算机技术，为了适应工业生产，对单一的测试台作了多路测试的扩展，本文扩展了测试台的接口，形成了多路测试的功能，能更加适应多产品同时测试的需求。
2 多路水压测试原理
多路水压测试系统的关键性能是闭环压力控制，进行压力脉冲试验时，要求试验台能跟随测试压力指令完成系统快速升压、降压的过程。实现压力的闭环控制，对比例调节阀的要求较高，要求比例调节阀具有较高响应特性、较好重复性，较小的迟滞效应。同时系统的闭环控制模型需要与产品各类测试特性需求匹配。本文采用经典的PID控制模型，如图2所示，对系统的压力进行闭环控制，其优化的控制参数能满足各类压容器的测试需求。 多路水压测试系统采用模块化的设计思路，包含了水压动力模块、水压管路模块、水压控制模块、工件测试模块及液压缸夹持模块等，其原理图如图3所示。水压动力模块包含气动增压泵、电机、水箱、气源等为测试系统提供合适的动力输出。水压管路模块包含了系统各模块之间的连接管路、密封接头等，为系统的水压提供运输通道，保证整个测试系统的密封性能。水压控制模块包含了数据采集模块、指令输入模块、电气控制模块以及相关控制软件是整个试验台的重要组成部分，为试验员提供可操作界面，调整整个测试系统的参数。工件测试模块为试验件提供安装位置，能够根据测试产品的不同规格，调整测试安装的管接头及连接密封形式，为产品压力测试提供了安装空间，多路测试工位能够同时为多个产品提供测试条件。液压夹持模块包含了液压夹持缸、液压泵、液压控制阀及液压管路，对工件进行夹持，保证工件在高压测试下的稳定性及安全性。
3 多路水压测试系统压力的建立
多路水压测试系统水压动力模块由气动增压泵实现压力的提升，其压力的建立是由空气压缩机实现，空气压缩机建立压力的过程如图4所示。随着压缩机的工作时间增加，压力值成线性增加，为了达到系统工作压力通常将安全阀与空气压缩机结合使用。其压力曲线如图5所示，安全阀设置为15MPa泄压值时的气源处压力。在使用不同规格的空气过滤器时，其气体流量可通过以下公式计算：
Tup——进口温度。
等效小孔面积不同的过滤器其压力瞬时响应曲线如图6所示。其瞬时响应时间与过滤器的等效小孔面积有关，对于瞬时响应要求较高的压力系统要综合考虑过滤效果与过滤器等效面积的关系。
4 基于AMESim的水压压力闭环控制参数的设计
多路水压测试系统压力闭环控制一关键环节是气压动力的建立及气体压力的控制。气压动力的建立与空气压缩机及安全阀的参数匹配密切相关，在AMESim平台上，建立气动增压模型如图7所示。为了实现气压比例可调，本文采用电气比例调压阀通过电流信号控制气压输出压力，从而实现气压系统的压力可调，其控制模型如图8所示。在两级电磁阀与控制单元的组合下其压力能够实现与输入信号的比例关系。电气比例调压阀的性能与控制单元的参数设置有着密切的关系，通过不同PID控制参数设置，其曲线响应如图9与图10所示。
气压比例调压阀的PID控制器将输入指令与压力反馈信号运算后，通过比例、积分环节达到压力控制，其控制器中没有采用微分环节。气压的压力控制环节中， Kp与Ki的设定对调压阀的压力控制效果起较为关键的作用。系统压力调节控制器比例环节的作用是，对系统设定压力曲线与系统实际压力值的差值进行放大，使控制系统能够及时响应偏差值，从而缩小偏差，达到最佳控制结果。比例系数越大则响应速度越快，当系统设置过高的比例系数时会使系统产生超调甚至震荡。压力调节控制器中的积分环节可以减小系统的超调，积分时间常数越小，积分作用越强，对系统压力值的偏差控制能力越强，但积分时间常数过小会使水压测试系统容易产生压力震荡。积分时间常数越大，积分作用越弱，对系统压力值的偏差控制能力越弱，但是系统不易产生震荡。因此对特定的水压测试系统需设置匹配的PID控制参数。
多路水压测试系统另一压力控制环节在系统的液压缸夹持模块中。液压缸夹持模块包含了液压动力源、液压比例调节阀、安全阀、换向阀、液压缸、变频电机及转速控制器。液压缸夹持模块的压力控制采用主油路水压控制系统结构。由夹持缸一侧的压力传感器与电机转速控制器形成压力闭环控制。设定压力值与夹持缸一侧的压力值比较，通过转速控制器改变电机的转速从而改变液压泵的流量输出实现压力调节。基于AMESim的液压缸夹持模块如图11所示。对主油路水压控制器进行压力跟随仿真，图12是42MPa压力下，不同PID参数一次线性跟随曲线仿真结果通过压力仿真曲线该系统参数下PID参数值为（5，8，1）时，系统压力跟随性最优。图13是42MPa压力下，5Hz正弦压力曲线仿真结果，比较输出压力误差，42MPa压力下，PID参数值为（5，8，1）时，系统压力跟随性最优。图14是42MPa压力下，5Hz方波压力曲线仿真结果，比较输出压力误差，42MPa压力下，PID参数值为（5，0，0）时，系统压力跟随性最优。依据仿真结果可以将水压测试系统中，液压夹持压力的PID控制设计在软件控制环节。依据水压试验不同的压力曲线，系统作出最优PID的设置。
5 结论
水压测试系统参数设计需结合测试需求及系统压力响应特性匹配合适的水压及气压元件，比如与系统匹配参数的空气过滤器、匹配的管路孔径及其他元件参数的匹配。多路水压测试系统压力控制包含两个重要的压力闭环控制环节，一个是气压比例阀压力控制环节，另一个是采用主油路水壓控制系统结构的液压缸夹持压力控制环节。这两个压力闭环控制均采用了PID控制器控制环节。在不同的压力测试曲线中，PID参数的设置对系统的压力响应及跟随特性起决定作用。
在多路水压测试系统的PID控制参数的设计中需对水压测试系统的响应要求及压力测试精度的需求进行分析，选择满足测试要求的PID控制器参数。对水压测试控制系统的基本要求可以归纳为稳定、准确、快速。稳定性是系统正常工作的前提，快速性可以提高控制系统的动态性能，准确性是控制精度的重要体现。结合水压试验工艺，以及油压控制的特点，本对油压控制策略提出以下要求：
（1） 系统压力的建立选用气体增压模块时，需针对系统压力瞬时响应特性选择参数匹配的元件；
（2） 使用气压比例调节阀及其PID控制参数需与水压测试系统的参数匹配；
（3） 通过对压力闭环控制，设置出最佳PID控制参数，使系统具有较好的压力跟随性，瞬时响应性及脉冲压力曲线控制。
参考文献：
[1] 王旭东.水压综合测试试验台控制系统开发[D].合肥工业大学，2015. [2] 张宜波；袁锐波.基于MATLAB/Simulink的纯水液压同步系统的研究[A]；第十五届流体动力与机电控制工程学术会议论文集[C]；2011年.
[3] 郭彩红.玻璃钢夹砂管道水压试验方案探析[J].山西水利， 2017（6）：40-43.
[4] 戴行涛.气瓶外测法水压试验用校准瓶标定系统的研制与应用[J].辽宁化工， 2017，46（428）， 06 22-25.
[5] 王元. 隔爆型产品外壳水压试验及其试验装置[J].电气防爆，2017，No.208 02 31-33.
[6] 胡文正，张益林，郭伟. 压水堆水压试验超压保护系统的设计与应用 [J]. 自动化仪表， 2017，38（430）， 06 100-103.
[7] 姜玮琳，王聪.厄瓜多尔CCS球阀整体水压试验工具设计[J].上海大中型电机， 2017，No.135 02 45-48.
[8] 朱伟.不锈钢管耐壓试验台的设计与解析[J].经贸实践， 2017（9）：278-281.
[9] 王哲.关于降低风缸风水压试验台检修频率的分析与探讨[J].中小企业管理与科技，2017（5）158-159.
[10] 郑艳奇.屏蔽冷却水管道模块水压试验影响因素分析 [J]. 山东工业技术， 2017，No.239 09 265-267.
[11] 郑艳奇.水压试验快速接头的设计及研究 [J]. 山西建筑， 2017，43（9）：115-117.
[12] 丁一林.快捷门水压试验装置的方案讨论 [J]. 通用机械， 2017，No.177 03 59-60.
[13] 张殿鑫.基于气液增压的气瓶水压试验装置控制系统设计[D].哈尔滨理工大学，2017.
[14] 王勇.面向液压机组的液压系统驱动控制方法研究[D].合肥工业大学，2017.
[15] 王余彬.气瓶水压试验装置的设计及其参数和标准的研究[D]；江苏科技大学，2016年.
[16] 邱韶峰，宋涛，王金波. 两种耐压试验台方案对比 [J].农机质量与监督，2016，No.144 12 20-21.
[通联编辑：梁书]
关键词：水压测试；压力控制；AMESim仿真；比例调压阀；气动增压
中图分类号：TN820.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）26-0202-05
Abstract：Aiming at the problem of pressure closed-loop control in multi-channel hydraulic testing system， the principle model of multi-channel hydraulic testing system is established Based on the principle of hydraulic testing system. Based on the AMESim platform， the performance of the system pressure and the pressure control of the proportional pressure regulating valve were simulated. Based on the AMESim model， the response characteristics of the water pressure testing system， the relationship between the system pressure control precision and the parameters of different components are analyzed， such as the air filters with different parameters， the pipes with different aperture and the other components of different parameters. The pressure response curve of the pressure control link of the pressure proportional valve and the pressure of the hydraulic cylinder under the pressure of the hydraulic cylinder under the different PID parameters is analyzed and compared. It is concluded that the key of the matching PID parameter design is the control system of the water pressure testing system.
Key words： hydraulic pressure test； pressure control； AMESim simulation； proportional pressure regulating valve； pneumatic supercharging
1 概述
水压测试试验是贯穿国民经济的重要工业应用[1-3]。自来水压力容器、热水器、工业用压力罐等器材包括各种压力系統的接头都必须进行压力试验[4-6]。压力测试环节是各类压力元件进入市场的必要条件。一旦压力试验不达标的元件流入人们的生产与生活中，大多会带来较为严重后果。高压气体、液体泄漏会造成人身安全及财产损失。有毒、有害气体液体泄漏将会对人类及周边生物与环境带来巨大的灾难。在家用产品中各类水管、接头等水压容器需要进行高压、低压测试，在工业产品中液压管件、阀门等液压容器，均需要耐压试验、液压脉冲试验及疲劳试验[7-11]。
最早的水液压测试技术，源于军事用途，美国海军对海水液压测试技术进行了研究，研制出了压力14MPa、流量45L/min的水液压系统[12]。随着工业技术的发展，水液压测试技术在西方工业国家及亚洲的日本取得了较快的发展[13]。压力21MPa及流量6L/min的海水柱塞泵、压力63MPa及流量4L/min的海水柱塞泵、10MPa的水压马达等水压设备先后被国外研究机构与公司研制出来[14-16]。水压泵、水压溢流阀、流量阀、方向阀、水压缸及比例流量阀等水压元件被应用到食品机械、消防机械、海洋作业机械及管道压力检测机械等工业设备上。多路水压测试试验台主要针对工业制品容器的压力测试。在家用产品中各类水管、接头等水压容器需要进行高压、低压测试，在工业产品中液压管件、阀门等液压容器，均需要耐压试验、液压脉冲试验及疲劳试验。水压测试系统需要提供各类产品测试的压力范围。在保压试验下，水压测试系统需要提供某一压力下持续保压的能力，其测试原理如图1所示。水压测试系统综合了工业自动化、液压控制、计算机技术，为了适应工业生产，对单一的测试台作了多路测试的扩展，本文扩展了测试台的接口，形成了多路测试的功能，能更加适应多产品同时测试的需求。
2 多路水压测试原理
多路水压测试系统的关键性能是闭环压力控制，进行压力脉冲试验时，要求试验台能跟随测试压力指令完成系统快速升压、降压的过程。实现压力的闭环控制，对比例调节阀的要求较高，要求比例调节阀具有较高响应特性、较好重复性，较小的迟滞效应。同时系统的闭环控制模型需要与产品各类测试特性需求匹配。本文采用经典的PID控制模型，如图2所示，对系统的压力进行闭环控制，其优化的控制参数能满足各类压容器的测试需求。 多路水压测试系统采用模块化的设计思路，包含了水压动力模块、水压管路模块、水压控制模块、工件测试模块及液压缸夹持模块等，其原理图如图3所示。水压动力模块包含气动增压泵、电机、水箱、气源等为测试系统提供合适的动力输出。水压管路模块包含了系统各模块之间的连接管路、密封接头等，为系统的水压提供运输通道，保证整个测试系统的密封性能。水压控制模块包含了数据采集模块、指令输入模块、电气控制模块以及相关控制软件是整个试验台的重要组成部分，为试验员提供可操作界面，调整整个测试系统的参数。工件测试模块为试验件提供安装位置，能够根据测试产品的不同规格，调整测试安装的管接头及连接密封形式，为产品压力测试提供了安装空间，多路测试工位能够同时为多个产品提供测试条件。液压夹持模块包含了液压夹持缸、液压泵、液压控制阀及液压管路，对工件进行夹持，保证工件在高压测试下的稳定性及安全性。
3 多路水压测试系统压力的建立
多路水压测试系统水压动力模块由气动增压泵实现压力的提升，其压力的建立是由空气压缩机实现，空气压缩机建立压力的过程如图4所示。随着压缩机的工作时间增加，压力值成线性增加，为了达到系统工作压力通常将安全阀与空气压缩机结合使用。其压力曲线如图5所示，安全阀设置为15MPa泄压值时的气源处压力。在使用不同规格的空气过滤器时，其气体流量可通过以下公式计算：
Tup——进口温度。
等效小孔面积不同的过滤器其压力瞬时响应曲线如图6所示。其瞬时响应时间与过滤器的等效小孔面积有关，对于瞬时响应要求较高的压力系统要综合考虑过滤效果与过滤器等效面积的关系。
4 基于AMESim的水压压力闭环控制参数的设计
多路水压测试系统压力闭环控制一关键环节是气压动力的建立及气体压力的控制。气压动力的建立与空气压缩机及安全阀的参数匹配密切相关，在AMESim平台上，建立气动增压模型如图7所示。为了实现气压比例可调，本文采用电气比例调压阀通过电流信号控制气压输出压力，从而实现气压系统的压力可调，其控制模型如图8所示。在两级电磁阀与控制单元的组合下其压力能够实现与输入信号的比例关系。电气比例调压阀的性能与控制单元的参数设置有着密切的关系，通过不同PID控制参数设置，其曲线响应如图9与图10所示。
气压比例调压阀的PID控制器将输入指令与压力反馈信号运算后，通过比例、积分环节达到压力控制，其控制器中没有采用微分环节。气压的压力控制环节中， Kp与Ki的设定对调压阀的压力控制效果起较为关键的作用。系统压力调节控制器比例环节的作用是，对系统设定压力曲线与系统实际压力值的差值进行放大，使控制系统能够及时响应偏差值，从而缩小偏差，达到最佳控制结果。比例系数越大则响应速度越快，当系统设置过高的比例系数时会使系统产生超调甚至震荡。压力调节控制器中的积分环节可以减小系统的超调，积分时间常数越小，积分作用越强，对系统压力值的偏差控制能力越强，但积分时间常数过小会使水压测试系统容易产生压力震荡。积分时间常数越大，积分作用越弱，对系统压力值的偏差控制能力越弱，但是系统不易产生震荡。因此对特定的水压测试系统需设置匹配的PID控制参数。
多路水压测试系统另一压力控制环节在系统的液压缸夹持模块中。液压缸夹持模块包含了液压动力源、液压比例调节阀、安全阀、换向阀、液压缸、变频电机及转速控制器。液压缸夹持模块的压力控制采用主油路水压控制系统结构。由夹持缸一侧的压力传感器与电机转速控制器形成压力闭环控制。设定压力值与夹持缸一侧的压力值比较，通过转速控制器改变电机的转速从而改变液压泵的流量输出实现压力调节。基于AMESim的液压缸夹持模块如图11所示。对主油路水压控制器进行压力跟随仿真，图12是42MPa压力下，不同PID参数一次线性跟随曲线仿真结果通过压力仿真曲线该系统参数下PID参数值为（5，8，1）时，系统压力跟随性最优。图13是42MPa压力下，5Hz正弦压力曲线仿真结果，比较输出压力误差，42MPa压力下，PID参数值为（5，8，1）时，系统压力跟随性最优。图14是42MPa压力下，5Hz方波压力曲线仿真结果，比较输出压力误差，42MPa压力下，PID参数值为（5，0，0）时，系统压力跟随性最优。依据仿真结果可以将水压测试系统中，液压夹持压力的PID控制设计在软件控制环节。依据水压试验不同的压力曲线，系统作出最优PID的设置。
5 结论
水压测试系统参数设计需结合测试需求及系统压力响应特性匹配合适的水压及气压元件，比如与系统匹配参数的空气过滤器、匹配的管路孔径及其他元件参数的匹配。多路水压测试系统压力控制包含两个重要的压力闭环控制环节，一个是气压比例阀压力控制环节，另一个是采用主油路水壓控制系统结构的液压缸夹持压力控制环节。这两个压力闭环控制均采用了PID控制器控制环节。在不同的压力测试曲线中，PID参数的设置对系统的压力响应及跟随特性起决定作用。
在多路水压测试系统的PID控制参数的设计中需对水压测试系统的响应要求及压力测试精度的需求进行分析，选择满足测试要求的PID控制器参数。对水压测试控制系统的基本要求可以归纳为稳定、准确、快速。稳定性是系统正常工作的前提，快速性可以提高控制系统的动态性能，准确性是控制精度的重要体现。结合水压试验工艺，以及油压控制的特点，本对油压控制策略提出以下要求：
（1） 系统压力的建立选用气体增压模块时，需针对系统压力瞬时响应特性选择参数匹配的元件；
（2） 使用气压比例调节阀及其PID控制参数需与水压测试系统的参数匹配；
（3） 通过对压力闭环控制，设置出最佳PID控制参数，使系统具有较好的压力跟随性，瞬时响应性及脉冲压力曲线控制。
参考文献：
[1] 王旭东.水压综合测试试验台控制系统开发[D].合肥工业大学，2015. [2] 张宜波；袁锐波.基于MATLAB/Simulink的纯水液压同步系统的研究[A]；第十五届流体动力与机电控制工程学术会议论文集[C]；2011年.
[3] 郭彩红.玻璃钢夹砂管道水压试验方案探析[J].山西水利， 2017（6）：40-43.
[4] 戴行涛.气瓶外测法水压试验用校准瓶标定系统的研制与应用[J].辽宁化工， 2017，46（428）， 06 22-25.
[5] 王元. 隔爆型产品外壳水压试验及其试验装置[J].电气防爆，2017，No.208 02 31-33.
[6] 胡文正，张益林，郭伟. 压水堆水压试验超压保护系统的设计与应用 [J]. 自动化仪表， 2017，38（430）， 06 100-103.
[7] 姜玮琳，王聪.厄瓜多尔CCS球阀整体水压试验工具设计[J].上海大中型电机， 2017，No.135 02 45-48.
[8] 朱伟.不锈钢管耐壓试验台的设计与解析[J].经贸实践， 2017（9）：278-281.
[9] 王哲.关于降低风缸风水压试验台检修频率的分析与探讨[J].中小企业管理与科技，2017（5）158-159.
[10] 郑艳奇.屏蔽冷却水管道模块水压试验影响因素分析 [J]. 山东工业技术， 2017，No.239 09 265-267.
[11] 郑艳奇.水压试验快速接头的设计及研究 [J]. 山西建筑， 2017，43（9）：115-117.
[12] 丁一林.快捷门水压试验装置的方案讨论 [J]. 通用机械， 2017，No.177 03 59-60.
[13] 张殿鑫.基于气液增压的气瓶水压试验装置控制系统设计[D].哈尔滨理工大学，2017.
[14] 王勇.面向液压机组的液压系统驱动控制方法研究[D].合肥工业大学，2017.
[15] 王余彬.气瓶水压试验装置的设计及其参数和标准的研究[D]；江苏科技大学，2016年.
[16] 邱韶峰，宋涛，王金波. 两种耐压试验台方案对比 [J].农机质量与监督，2016，No.144 12 20-21.
[通联编辑：梁书]