液压系统瞬时流量的软测量研究

　　引 言

　　在液压元件动特性测试、系统的故障诊断、状态监控以及液压系统过程控制中,由于油液以及流量计的运动部件的惯性影响,流量测量装置的动态响应速度一般较慢,这与液压传动系统响应速度快的特点很不适应,通常不能满足在线动态测量瞬时流量的要求。与传统的测量技术不同,软测量则是建立在数学模型的基础上,通过状态估计的方法对无法在线测量的参数进行在线估计,它的基本思路是根据某种最优准则,选择一组既与主导变量(primaryvariable,即待测变量)有密切联系而又容易测量的变量,称为辅助变量(secondary variable,又称二次变量),通过构造某种数学关系,用计算软件实现对主导变量的估计[1,2]。由于计算机技术、虚拟仪器技术的发展,软测量的快速性和精确性得到了很大提高,完全可以作为新型环节,融入到在线检测和过程控制系统之中。因此,通过对压力、温度等参数在测量,应用软测量技术对液压系统内瞬时流量进行在线估计,可以较好地解决瞬时流量测量的问题,是对同类仪表相对不足的有效补充。

　　1　二次变量的选择与测量

　　根据流体力学理论,可知一段管路内瞬时流量是其两端压力差的函数,而且易于实现动态测量。所以压力差是所选的主要的二次变量。此外,流体的粘度随着流体的温度、压力变化而逐渐变化,也会对流量产生影响。考虑到粘度不能在线测量,因此测量过程中需要根据温度和压力对软测量模型进行校正,二次变量中还应包括管路内流体的温度和压力。各变量测量点的分布如图1所示。

　　图中传感器与测量管路间通过连接环相连接,连接环内部通过若干小孔与测量管相通,能够将流体的压力、温度等参数变化传递给各传感器,但其中的液体并不流动,所以它对测量管内的流场分布和流动状态并不产生影响。

　　现场采集的测量数据,通常都混有直流成分和高频成分,前者主要是由仪表的零点漂移,变送器的增益特性等造成的,后者主要是测量过程中的噪声信号。若将这些测量数据直接用于软测量,将导致软测量的精度下降,甚至完全失败。因此对各输入信号需要进行数据的预处理。对于直流成分,可以用平均法,将观测信号的平均值作为直流分量的估计值加以去除,对于信号中的噪声,特别是有色噪声,可以采用适当形式的滤波器加以消除。这一部分工作可以通过硬件的方式,也可以采用软件的方式完成。对于软测量系统来说,采用软件的方式进行输入数据的处理更加方便、灵活。

　　2　软测量理论模型

　　液体的流动状态分为层流和紊流,其中在层流状态下流场较为规整,理论较为完备,可以按照流体力学的机理进行理论建模。为了保证流动状态为层流,可以按照临界雷诺数、油液粘度以及待测流量范围来确定管道的半径r0,确保流动状态为层流。但是当流量较大时,得出的半径值也较大,对于压力差的测量不利,这时可以采用若干个小截面层流管合并组成测量管的方法,来保证流量计内的流动状态为层流[3]。由于流体粘度相对变化缓慢,因此可以在粘度保持相对稳定的某一段时间内将系统当作单输入、单输出线性系统来处理,此时瞬时流量只与压力差信号有关。由文献[4]可知,对于圆管层流,当在两截面间加一个单位阶跃压力差信号时,管内的流量将发生变化,t时刻的响应流量A(t)为