基于MATLAB的电液比例阀测试系统研究报告

作者与出版信息

本文的主要作者为胡学军、滕达和谈宏华，隶属于武汉工程大学电气信息学院（Electronic and Information School of Wuhan Institute of Technology），机构地址为湖北省武汉市430074。文章发表于学术期刊《机床与液压》（Machinetool & Hydraulics），出版时间为2010年6月，第38卷第11期，DOI编号为10.3969/j.issn.1001-3881.2010.11.014。

研究背景

电液比例阀是一种在液压控制系统中广泛应用的关键元件，其性能对整个液压系统的稳定性与控制精度起到至关重要的作用。然而，传统液压系统及其元件的性能测试主要依赖手动操作，使用如压力表、流量计、电子秒表、光电测速仪等设备进行数据读取与记录。这种方法存在多方面不足，如测试精度低、数据处理费时、连续性能参数测试难度大。因此，国内外液压件生产厂商和相关研究领域开始研发自动化测试系统，利用PLC和计算机程序控制以提高测试精度，但复杂的操作设计使其普及率受到限制。

本文作者基于MATLAB开发了一种新型电液比例阀性能测试系统，通过MATLAB的数据采集工具箱（DAQ）实现高精度数据采集与实时处理，在此基础上设计液压测试系统，能够实现比例调速阀、比例换向阀及比例溢流阀等多种比例阀的静态与动态性能测试，具有操作简便、性能稳定的特点。

工作流程

系统架构设计

液压测试系统设计目标主要包括：对多种比例阀的静、动态特性测试，通过显示终端绘制性能曲线，并实现液压加载控制。同时，系统强调优化操作便利性与整体外观。主要物理组成部分包括机罩、底盘、控制阀、操作及显示面板、管路系统、试验密封室、电气控制系统等。

系统采用计算机集中控制模式，操作人员通过计算机即可完成测试任务。在硬件上，该系统核心器件包括Advantech公司的PCI-1710多功能数据采集卡（含16路模拟信号输入通道、2路模拟信号输出通道、32路数字输入输出通道，采样频率可达100kHz）以及工控机，用于信号采集、分析及输出。

数据采集与实时处理

在数据采集过程中，使用MATLAB数据采集工具箱（DAQ）实现对采集设备的驱动和数据流的处理。系统支持多种数据采集设备，包括Advantech的PCI采集卡、并行口设备（LPT1-LPT3）等。其中，PCI-1710被选为核心采集卡，凭借其高灵活性与高采样频率确保了测试精度。此外，系统设计专门处理多路模拟信号的分时采集和A/D转换，能有效实现复杂液压元件多位置的实时数据获取。

数据采集中主要检测的量为压力与流量，因此使用压力传感器和流量传感器作为主要检测元件。值得一提的是，该系统具有自动校验功能：当计算机所指定的电压值超过设备的接受范围时，MATLAB程序会自动报警并进行调节以确保系统安全。

软件设计与界面开发

MATLAB作为测试系统的软件实现工具，既能支持实时信号采集，又能提供信号处理和数据可视化功能。系统采用了MATLAB内置的GUI工具（Graphical User Interface）完成测试界面的开发，通过鼠标拖动控件实现直观的界面设计。例如，用户可通过界面调整采样频率（选项包括1s、0.1s、0.01s、0.002s等）、触发模式（软件触发、人为触发、立即触发）、监控电磁阀的通断状态，并实时观察各模拟信号的输出电压。

核心驱动程序通过初始化PCI采集卡、匹配采样参数（通道、采样频率、触发方式等）到最终的数据获取与存储实现了完整闭环。例如，PCI-1710卡经过如下初始化步骤完成：

1. 注册采集设备 (daqregister('advantech'))；
2. 建立模拟输入对象 (analoginput('advantech',0))；
3. 设置采样属性，包括通道数量（如13路）、采样频率（如6000Hz）等；
4. 启动采集任务 (start(ai));
5. 数据获取 (getdata(ai))。

数据在内存中进行实时读取，也支持通过文件持久存储。系统同时具备实时显示功能，用户能够通过GUI观察最新采样数据轨迹，确认数据有效性。

主要实验结果

通过实际运行验证，该系统在性能以及稳定性上表现优越，具体成果包括以下几点：

1. 测试范围广，精度高：成功实现了对比例调速阀、比例换向阀及比例溢流阀的静态与动态性能的精准测试。实验数据显示，系统采集精度高达微秒级，能自动绘制性能曲线，明显优于传统手动测试方法。

2. 数据存储与调用灵活：由于MATLAB提供强大的数据管理能力，实验数据从保存、读取到后续分析处理均可以快速完成。实现了用户对比例阀性能特性曲线的实时监控。

3. 自动化与安全性：程序具备自动报警功能，对于越限情况自动调整至安全范围。此外，全部测试控制通过计算机程序完成，大幅降低了人工操作带来的误差，保证了系统运行的可重复性。

总结与意义

本文所开发的基于MATLAB语言的电液比例阀自动测试系统为液压元件测试领域提供了多项重要创新：

1. 科学价值：归纳了电液比例阀测试的一种高效方法，从硬件选择到软件编程形成了一套完整解决方案，显著提升了测试的准确性与效率。

2. 应用价值：系统在工业自动化环境下具备良好的适用性，可广泛应用于液压元件生产厂家和科研机构，特别是需要高精度测试的电液元件开发与检测。

3. 操作便利性：GUI操作界面友好，用户无需具备高深的编程知识即可操作。

4. 特色与亮点：系统独特的自动报警机制、高灵活性的PCI采集卡选用以及MATLAB工具的高效结合，均为该研究的突出点。

未来展望

该研究展现出MATLAB在工业测控应用中的强大潜能。未来，进一步优化系统的兼容性、扩展传感器种类、以及引入更智能的算法（如机器学习）将有望进一步提升测试系统的性能。此外，测试平台的模块化设计亦可为其他复杂工业元件性能检测提供有益借鉴。