CN112305954A - 检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台，包括泵源、阀控缸液压单元、控制单元以及冷却单元；其中：泵源，包括恒压变量泵，所述恒压变量泵用于提供恒压源；阀控缸液压单元，包括伺服阀和非对称液压缸；其中，伺服阀是压力模拟闭环控制的核心元件，用于接收控制单元的指示而调节阀芯开口大小；非对称液压缸包括无杆腔和有杆腔，其中无杆腔连接伺服阀，有杆腔与所述待检测的浮标浮力调节***连接。本发明还提供了一种采用所述高压环境模拟试验台进行的模拟方法，能够模拟自持式剖面浮标在排油和回油时的油囊受到的海水压力，在不同压力下，浮标排油和回油的速率，具有原理简单、安全可靠、节约成本等特点。
Description
技术领域
本发明涉及浮力调节***压力环境模拟领域，具体涉及一种检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台及模拟方法。
背景技术
在大数据时代，海洋数据占据了国防安全十分重要的位置。海洋大数据是大数据技术在海洋领域的一门应用科学，Argo浮标技术则是科学实践的新产物标志。自持式剖面浮标是一种可以在海洋中自由漂移，采用拉格朗日环流法自动测量海面到一定水深的海水温度、电导率(盐度)和压力，并跟踪其漂流轨迹来获取海流的速度和方向的测量仪器。
目前，自持式剖面浮标通常采用油囊式浮力调节***，这种可变体积式浮力调节可在重量不变的情况下改变自身体积来实现浮力调节。通过浮标***向外油囊排出高压油来实现浮力调节。4000米自持式剖面浮标在深海4000米压力可达40Mpa，为了验证***能长期稳定地运行，需要对浮力调节通过0-40MPa压力下排油及回油检测，检验液压***排油运行可靠性。
高压环境模拟试验台作为关键的实验装备在模拟深海海水高压起到了至关重要的作用，它可以用来模拟浮标在深海中上升和下降过程中，油囊排油和回油所受到的海水压力，可以跟踪指定的压力深度曲线，检验浮标浮力调节***的性能。同时测试回油程序控制可靠性，测量不同压力下排油与回油速率。另一方面，还可以节省大量的财力物力。
当前，能够针对浮标浮力调节***进行高压模拟的试验台很少，而且现有的模拟***无法精准地控制模拟压力与深度的关系，而用高压舱的方式模拟成本昂贵且较为复杂，无法反复进行试验。因此设计浮标高压海水模拟***并确定相应的试验方案具有重大意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高压环境模拟试验台及模拟方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高压环境模拟试验台，包括泵源、阀控缸液压单元、控制单元以及冷却单元；其中：
泵源，包括恒压变量泵，所述恒压变量泵用于提供恒压源；
阀控缸液压单元，包括伺服阀和非对称液压缸；其中，伺服阀是压力模拟闭环控制的核心元件，用于接收控制单元的指示而调节阀芯开口大小，从而基于指令的压力曲线和实际的压力的差值实现压力模拟的闭环控制；非对称液压缸包括无杆腔和有杆腔，其中无杆腔连接伺服阀，有杆腔与所述待检测的浮标浮力调节***连接；
冷却单元，包括散热器，用于对泵源输送的油液进行冷却。
作为本发明的另一方面，提供了一种采用如上所述的高压环境模拟试验台进行的模拟方法，包括如下步骤：
将非对称液压缸的活塞置于靠近浮标一端，浮标浮力调节***内液压油提前收至内油囊；将浮标接入所述非对称液压缸有杆腔一侧，将安全溢流阀压力调至某一值；将恒压变量泵的驱动电机启动，调节电磁卸荷溢流阀使液压***的压力达到工作压力；
在控制单元中输入指定压力的指令，将指令信号转换为电信号传送给阀控缸液压单元的伺服阀，伺服阀接收到电信号后调节无杆腔一侧的工作压力，同时调节合适的PID参数，使得液压缸模拟的压力能够满足输入的指定压力曲线；
当浮标浮力调节***模拟排油结束后，卸荷后先关闭恒压变量泵驱动电机，再关闭浮标浮力调节***，在控制单元中输入指定回油压力曲线，进行回油模拟直至回油结束，卸荷后关闭恒压变量泵驱动电机；
重复上述步骤，在模拟过程中，当温度传感器达到某一温度设定值时，通过控制温度控制装置来启动齿轮泵电机进行冷却循环。
基于上述技术方案可知，本发明的高压环境模拟试验台相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
本发明能够模拟自持式剖面浮标在排油和回油时的油囊受到的海水压力，在不同压力下，浮标排油和回油的速率，且可以检测浮力调节***是否存在漏油，检测其可靠性。同时采用伺服控制，可以提高控制精度。而且具有原理简单、安全可靠、节约成本等特点。
附图说明
图1为本发明的检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台的原理结构示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1-恒压变量泵，2-单向阀，3-精密过滤器，4-蓄能器，5-伺服阀，6-压力表，7-压力传感器，8-液压缸，9、14-溢流阀，10-卸荷电磁溢流阀，11-温度传感器，12-齿轮泵，13-过滤器，15-散热器，16-浮标浮力调节***。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种高压电液压力伺服***试验台，可以模拟真实海水压力的液压伺服控制***，在试验台的***上变换不同的压力指令，通过反馈的压力信息，实现对液压伺服的控制性能和参数指标变化的研究和分析，使其能满足真实工况的实验要求。
本发明的目的在于设计一种检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台，能够对浮标浮力调节***在不同压力下对排油和回油的情况进行模拟，同时可以使模拟压力跟踪到指定的压力深度曲线。
具体的，本发明公开了一种检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台，所述高压环境模拟试验台包括泵源、阀控缸液压单元、控制单元以及冷却单元；其中：
泵源，包括恒压变量泵，所述恒压变量泵用于提供恒压源；
阀控缸液压单元，包括伺服阀和非对称液压缸；其中，伺服阀是压力模拟闭环控制的核心元件，用于接收控制单元的指示而调节阀芯开口大小，从而基于指令的压力曲线和实际的压力的差值实现压力模拟的闭环控制；非对称液压缸包括无杆腔和有杆腔，其中无杆腔连接伺服阀，有杆腔与所述待检测的浮标浮力调节***连接；
冷却单元，包括散热器，用于对泵源输送的油液进行冷却。
进一步地，所述泵源、阀控缸液压单元和冷却单元之间依次通过高压管路连接为回路；
进一步地，所述浮标浮力调节***与所述非对称液压缸之间连接安全溢流阀，所述安全溢流阀单独接入一油箱。
进一步地，所述非对称液压缸的活塞两端的有效面积比为1/3，输入的指定压力指令即为实际压力的三分之一。
进一步地，所述冷却单元还包括齿轮泵和温度控制装置，所述温度控制装置包括设置于储存泵源输送的油液的油箱中的温度传感器，所述温度控制装置基于温度传感器反馈信号控制齿轮泵的运转来控制冷却油液的输送进行冷却工作。
进一步地，所述恒压变量泵提供的液压油流量随***需要而自动调节，通过驱动电机进行驱动；
作为优选，所述泵源还包括与恒压变量泵连接的卸荷溢流阀，用于在接通时实现***的卸荷泄压功能，同时用于调节液压***的最高输出压力；
作为优选，所述泵源还包括位于恒压变量泵出口的单向阀，用于防止油液倒灌回恒压变量泵；
作为优选，所述泵源还包括与恒压变量泵连接的高压精密过滤器，用于对进入液压***的高压油进行精滤，防止堵塞伺服阀，并且当***发生故障时能够关停；
作为优选，所述泵源还包括与恒压变量泵连接的蓄能器，用于吸收液压***产生的压力脉动。
进一步地，所述阀控缸液压单元还包括压力传感器，用于将非对称液压缸一段的压力反馈给控制单元，并通过PID调节伺服阀使其输出的压力跟随输入压力曲线；
进一步地，所述阀控缸液压单元还包括压力表，用于直观地显示液压***的输出压力；
进一步地，所述冷却单元中的齿轮泵对油液进行独立循环，并利用散热器对油液进行冷却。
进一步地，所述压力模拟闭环控制包括监控单元、实时控制计算机及信号调理单元，其中，所述监控单元处于控制单元最上层，其上运行监控软件，用于监控模拟试验台的工作状态，接收操作人员的控制指令，控制试验台完成指令操作；
所述实时控制计算机处于控制单元的下层，优选通过单片机来实现，其上运行实时控制软件，通过实时控制计算机将控制指令发送给伺服阀，控制伺服阀阀芯位移，同时压力传感器将采集到的液压缸一侧的实际压力反馈给实时控制计算机，实时控制计算机根据指令的压力曲线和实际压力的差值，驱动伺服阀阀芯运动，调节阀芯开口大小，从而实现压力模拟闭环控制；
信号调理单元由调理箱和相应连接电路组成，用于对发送给伺服阀的控制指令和传感器采集到的信号进行预处理以及信号归一化；
所述监控单元通过以太网与所述实时控制计算机进行信息传递。
本发明还公开了一种采用如上所述的高压环境模拟试验台进行的模拟方法，包括以下步骤：
将非对称液压缸的活塞置于靠近浮标一端，浮标浮力调节***内液压油提前收至内油囊；将浮标接入所述非对称液压缸有杆腔一侧，将安全溢流阀压力调至某一值；将恒压变量泵的驱动电机启动，调节电磁卸荷溢流阀使液压***的压力达到工作压力；
在控制单元中输入指定压力的指令，将指令信号转换为电信号传送给阀控缸液压单元的伺服阀，伺服阀接收到电信号后调节无杆腔一侧的工作压力，同时调节合适的PID参数，使得液压缸模拟的压力能够满足输入的指定压力曲线；
当浮标浮力调节***模拟排油结束后，卸荷后先关闭恒压变量泵驱动电机，再关闭浮标浮力调节***，在控制单元中输入指定回油压力曲线，进行回油模拟直至回油结束，卸荷后关闭恒压变量泵驱动电机；
重复上述步骤，在模拟过程中，当温度传感器达到某一温度设定值时，通过控制温度控制装置来启动齿轮泵电机进行冷却循环。
下面通过实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步的阐释说明。
如图1所示的本发明的结构简图中，本发明主要包括一种检测浮标排油和回油的模拟试验台，包括泵源、阀控缸液压***以及冷却***；泵源、阀控缸液压***以及冷却***管路依次通过高压管路连接为回路；泵源包括恒压变量泵1、卸荷溢流阀10、单向阀2、精密过滤器3以及蓄能器4，恒压变量泵1提供恒压源，通过电机来驱动；阀控缸液压***包括伺服阀5、非对称液压缸8、压力传感器7、压力表6，所述非对称液压缸8无杆腔连接伺服阀5，有杆腔与浮标浮力调节***16连接；冷却***包括与泵源一侧连接的齿轮泵12、溢流阀14、过滤器13和散热器15，泵源和冷却***之间连接温度传感器11，所述冷却***设有温度控制装置，温度控制装置依据温度传感器反馈信号控制齿轮泵进行冷却工作；浮标浮力调节***与液压缸之间连接安全溢流阀9。所述安全溢流阀9单独接入油箱。
本试验台包括泵源、阀控缸液压***以及冷却***。其中，恒压变量泵1提供的液压油流量随***需要而自动调节；驱动电机负责驱动恒压变量泵1；电磁卸荷溢流阀10接通时能够实现***的卸荷泄压功能，同时可以调节液压***的最高输出压力；单向阀2位于恒压变量泵的出口，可以防止油液倒灌回恒压变量泵1；高压精密过滤器3对进入液压***的高压油进行精滤，防止伺服阀5堵塞，并且当***发生故障时，能够关停；蓄能器4可以吸收液压***产生的压力脉动；压力表6可以直观的显示液压***输出压力；压力传感器7可将液压缸一段的压力反馈给压力控制装置，并通过PID调节伺服阀5使其输出压力跟随输入压力曲线；温度传感器11可以采集油箱的温度，并反馈给温度控制装置来使齿轮泵电机运行工作；冷却回路中电机带动齿轮泵12对油液进行独立循环，并利用冷却器15对油液进行冷却。
本试验台的压力闭环控制原理包括监控单元、实时控制计算机及信号调理单元等部分。监控单元处于控制***最上层，即上位机labview来实现，其上运行监控软件，属于任务管理层，用于监控模拟试验台的工作状态、接收操作人员的控制指令，控制试验台完成指令操作。实时控制计算机处于控制***的下层，即下位机，本发明用单片机实现，其上运行实时控制软件，通过实时控制计算机将控制指令发送给伺服阀，控制伺服阀阀芯位移，同时压力传感器将采集到的液压缸一侧的实际压力反馈给实时控制计算机，实时控制计算机根据指令的压力曲线和实际的压力的差值，驱动伺服阀阀芯运动，调节阀芯开口大小，从而实现压力模拟闭环控制。监控单元通过以太网与实时控制计算机进行信息传递。信号调理单元由调理箱和相应连接电路组成，组要对发送给伺服阀的控制指令和传感器采集到的信号预处理以及信号归一化。
高压环境模拟排油和回油时试验方法：
为了验证***能够长期稳定的运行，本试验通过0-40Mpa压力下进行排油和回油。
(1)首先将液压缸活塞事先置于靠近浮标一端，浮力调节***内液压油提前收至内油囊；将浮标接入液压缸有杆腔一侧，将安全溢流阀压力调制某一值(超过40Mpa)；上位机软件中，将试验台驱动电机启动，调节电磁溢流阀10使液压***压力达到工作压力。
(2)在上位机labview中输入指定压力指令，并将指令信号传送到单片机中，通过单片机将指令信号转换为电信号传送给液压伺服控制***的伺服阀，伺服阀接收到电信号后调节无杆腔一侧的工作压力，同时在计算机中调节合适的PID参数，使得液压缸模拟的压力能够满足输入的指定压力曲线。
(3)当浮力调节***排油结束后，卸荷后先关闭恒压变量泵驱动电机，再关闭浮力调节***排油，在上位机中输入指定回油压力曲线，进行回油模拟直至回油结束，卸荷关闭电机。
(4)重复步骤1-3，在模拟过程中，当温度传感器达到某一温度设定值时，控制温度装置启动齿轮泵电机进行冷却循环。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种检测浮标浮力调节***的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述高压环境模拟试验台包括泵源、阀控缸液压单元、控制单元以及冷却单元；其中：
泵源，包括恒压变量泵，所述恒压变量泵用于提供恒压源；
阀控缸液压单元，包括伺服阀和非对称液压缸；其中，伺服阀是压力模拟闭环控制的核心元件，用于接收控制单元的指示而调节阀芯开口大小，从而基于指令的压力曲线和实际的压力的差值实现压力模拟的闭环控制；非对称液压缸包括无杆腔和有杆腔，其中无杆腔连接伺服阀，有杆腔与所述待检测的浮标浮力调节***连接；
冷却单元，包括散热器，用于对泵源输送的油液进行冷却。
2.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述泵源、阀控缸液压单元和冷却单元之间依次通过高压管路连接为回路；
作为优选，所述浮标浮力调节***与所述非对称液压缸之间连接安全溢流阀，所述安全溢流阀单独接入一油箱。
3.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述非对称液压缸的活塞两端的有效面积比为1/3，输入的指定压力指令即为实际压力的三分之一。
4.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述冷却单元还包括齿轮泵和温度控制装置，所述温度控制装置包括设置于储存泵源输送的油液的油箱中的温度传感器，所述温度控制装置基于温度传感器反馈信号控制齿轮泵的运转来控制冷却油液的输送进行冷却工作。
5.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述恒压变量泵提供的液压油流量随***需要而自动调节，通过驱动电机进行驱动；
作为优选，所述泵源还包括与恒压变量泵连接的卸荷溢流阀，用于在接通时实现***的卸荷泄压功能，同时用于调节液压***的最高输出压力；
作为优选，所述泵源还包括位于恒压变量泵出口的单向阀，用于防止油液倒灌回恒压变量泵；
作为优选，所述泵源还包括与恒压变量泵连接的高压精密过滤器，用于对进入液压***的高压油进行精滤，防止堵塞伺服阀，并且当***发生故障时能够关停；
作为优选，所述泵源还包括与恒压变量泵连接的蓄能器，用于吸收液压***产生的压力脉动。
6.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述阀控缸液压单元还包括压力传感器，用于将非对称液压缸一段的压力反馈给控制单元，并通过PID调节伺服阀使其输出的压力跟随输入压力曲线。
7.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述阀控缸液压单元还包括压力表，用于直观地显示液压***的输出压力。
8.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述冷却单元中的齿轮泵对油液进行独立循环，并利用散热器对油液进行冷却。
9.根据权利要求1所述的高压环境模拟试验台，其特征在于，所述压力模拟闭环控制包括监控单元、实时控制计算机及信号调理单元，其中，所述监控单元处于控制单元最上层，其上运行监控软件，用于监控模拟试验台的工作状态，接收操作人员的控制指令，控制试验台完成指令操作；
所述实时控制计算机处于控制单元的下层，优选通过单片机来实现，其上运行实时控制软件，通过实时控制计算机将控制指令发送给伺服阀，控制伺服阀阀芯位移，同时压力传感器将采集到的液压缸一侧的实际压力反馈给实时控制计算机，实时控制计算机根据指令的压力曲线和实际压力的差值，驱动伺服阀阀芯运动，调节阀芯开口大小，从而实现压力模拟闭环控制；
信号调理单元由调理箱和相应连接电路组成，用于对发送给伺服阀的控制指令和传感器采集到的信号进行预处理以及信号归一化；
所述监控单元通过以太网与所述实时控制计算机进行信息传递。
10.一种采用如权利要求1-7任一项所述的高压环境模拟试验台进行的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
将非对称液压缸的活塞置于靠近浮标一端，浮标浮力调节***内液压油提前收至内油囊；将浮标接入所述非对称液压缸有杆腔一侧，将安全溢流阀压力调至某一值；将恒压变量泵的驱动电机启动，调节电磁卸荷溢流阀使液压***的压力达到工作压力；
在控制单元中输入指定压力的指令，将指令信号转换为电信号传送给阀控缸液压单元的伺服阀，伺服阀接收到电信号后调节无杆腔一侧的工作压力，同时调节合适的PID参数，使得液压缸模拟的压力能够满足输入的指定压力曲线；
当浮标浮力调节***模拟排油结束后，卸荷后先关闭恒压变量泵驱动电机，再关闭浮标浮力调节***，在控制单元中输入指定回油压力曲线，进行回油模拟直至回油结束，卸荷后关闭恒压变量泵驱动电机；
重复上述步骤，在模拟过程中，当温度传感器达到某一温度设定值时，通过控制温度控制装置来启动齿轮泵电机进行冷却循环。
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