（机械电子工程专业论文）基于数字阀的水泥压力试验机控制系统的研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 全自动微机控制的水泥压力试验机，是目前国内外试验机行业开发研究的热 点本论文在对试验机行业作了充分调研的基础上，通过阅读，分析及综合大量 文献。进行了计算机控制技术应用于水泥压力试验机的研究。综合分析了环境因 素对试验机性能的影响，在此基础上对其控制策略进行了研究、仿真，实际应用 证明其有良好的控制效果。 另外，详细介绍了控制软件的研制过程，在这个过程中采用面向对象的思想 分析软件的结构，采用了v i s u a lc 6 0 作为主要开发工具，结合用户的实际需要， 开发了操作方便，运行稳定，控制效果良好及易维护的软件产品。在开发过程中， 严格按软件工程的思想进行开发，保证了代码的质量。最后介绍了实际开发过程 中遇到的一些难点及采用的解决方法。粤 第一章，综合论述了发展全自动微机控制的水泥压力试验机的意义，同时 简单地回顾了水泥压力试验机国内外的发展情况。在此基础上提出了水泥压力试 验机控制系统的总体设计方案，并介绍了本文的主要研究方向和内容。 第二章，详细地对水泥压力试验机控制系统进行理论分析，得出了其控制 系统的数学模型。并依此分析了环境变化因素对系统综合性能的影响。 第三章，首先对自整定p i d 控制策略作了概述，提出了符合实际应用的发 展方向。在此基础上提出了模糊自整定p i d 的控制策略，分析了其应用的三种 形式，并对其中的一种形式做了仿真分析。 第四章，首先对水泥压力试验机控制软件作了概述，然后对开发过程中遇 到的问题作了全面的讨论。 ( 第五章，总结归纳了本论文。 关键词：水泥压力试验机；p i d 控制；模糊控制；流量控制；直接数字控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nc e m e n tc o m p r e s s i o nt e s t i n gm a c h i n ei so n eo f t o d a y sm a i nh o t s p o t si nd o m e s t i ca n df o r e i g nt e s t i n gm a c h i n e f i e l d s ，i nt h i sp a p e r ，b a s e do n m a s t e r i n g al o to fd y n a m i ci n f o r m a t i o no fi n t e m a la n de x t e m a lc e m e n tc o m p r e s s i o nt e s t i n g m a c h i n e ，a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n ga l o to fd o c u m e n t s ，t h ec o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g ya p p l i e dt oc e m e n tc o m p r e s s i o nt e s t i n gm a h c i n ei sr e s e a r c h e d ad i g i t a l c o n t r o l l e rw i t ht h ed d c ( d i r e e t d i g i t a lc o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g yi sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so f c o n 仃o is o f t w a r e i n m i sp r o c e s s ，t h es o f t w a r ef r a m ei sa n a l y z e dw i t ht h eo o a ( o b j e c to r i e n t e da n a l y s i s ) t h o u g h ta n di tt a k e sv i s u a lc 6 0a st h em a i nd e v e l o p m e n tt 0 0 1 n 把s o r w a r ep r o d u c t h a sm a n ym e r i t ss u c h 鹊c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，g o o ds t a b i l i t y t e x c e l l e n tm a i n t a i n a b - i i i t ya n dv e r yg o o dp e r f o r m a n c e t h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gr o l e si ss t r i c t l yi m p l e m e n t - e di nt h ep r o g r a m m i n g ，a n dt h e g o o dc o d eq u a l i t y i s g u a r a n t e e d a tl a s t ，t h e d i f f i c u r i e si sd i c u s s e da n dt h e i rr e s o l v e n t si sg i v e n c h a p t e rl ，as u r v e yo f t h ei m p o r t a n c eo fc e m e n tc o m p r e s s i o nt e s t i n gm a c h i n e i sg i v e n ，w i t ht h er e v i e wo f h i s t o r ya n d c u r r e n ts t a t u so fi n t e m a la n de x t e m a l t e s t i n g m a c h i n e t h e n ，d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) i si n t r u d u c e da n dt h e t o t a ld e s i g ns c h e m e i so f f e r e d a tl a s t ，t h ed e t a i l e dc o n t e n t so f t h i sr e s e a r c hp r o j e c ta r ep r e s e n t e d c h a p t e r 2 ，t h e p h y s i c a la n a l y s i s a n d s y s t e m i d e n t i f i c a t i o no ft h ec e m e n t c o m p r e s s i o nt e s t i n gm a c h i n e a r ed o n e a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo f e n v i r o m e n tf a c t o r so n s y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e di nd e t a i l c h a p t e r3 ，f i r s t l y ，t h es u r v e yo f t h e p i dc o n t r o ls t r a t e g i e sd e v e l o p m e n ti sg i v e n t h e n ，t h ea u t o m a t i ct u r m i n g o f f u z z y p i d i sa n a l y z e di nd e t a i l a tl a s t ，t h r e em e t h o d s i nt h i sc o n t r o ls t r a t e g ya r er e s e a r c h e da n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o na b o u tt h et y p i c a l o n ei sg i v e n ，c o m p a r e dw i t ht h ep u r ep i dr e s u l t c h a p t e r4 ，f i r s t l y ，t h es t a l ：u s o fc o n t r o ls o f e w a r ed e v e l o p m e n ti si n 廿o d u c e d t h e n ，t h ed e t a i l e dd i s c u s so nt h ep r o b l e m si nt h ed e v e l o p m e n ti sg i v e n c h a p t e r 5s u m m a r i z e st h e p a p e r k e y w o r d s ：c e m e n tc o m p r e s s i o nt e s t i n gm a c h i n e 。p i d ，f u z z yc o n t r o l ，f l o w c o n t r o l ，d d c 浙江大学硕：b 学位论文 致谢 本论文是在导师朱世强教授的精心指导下完成的。导师以其渊博的知识和注 重实际的科研作风指导我顺利完成了本文的研究工作。朱世强教授严谨的治学态 度，实事求是的为人处世作风给予了我深刻的影响并使我终身受益。同时，在两 年多的时间里，导师对我的生活与学习始终给予了极大的关怀和帮助。在此论文 完成之际，谨向在学业和生活中给予我关怀和指导的朱世强教授表示深深的敬意 和衷心的感谢。 衷心感谢金波副教授和浙江工业大学的裴翔老师在课题研究过程中给予的 耐心的指导和无私的帮助感谢裘伯祥工程师和陈安余工程师提供了一个非常好 的试验条件及其无私的帮助和诚挚的合作。 诚挚地感谢实验室的吴海彬博士和汤进举同学对我帮助，使我的研究工作顺 利地进行。另外，衷心感谢田角锋同学对我的帮助，使我有更好的条件进行论文 的研究工作。我还要感谢赵伟，林兴，张涛，刘瑜，冯申申，龚华锋等同学对我 的帮助。 感谢我的父母和兄弟对我的大力支持，是他们在我最困难的时候给予我最大 的支持和鼓励。他们的支持永远是我生命中最重要的东西。 最后深深地感谢将在百忙中对我的论文进行评审的各位专家。 洪涛 2 0 0 2 年2 月于求是园 v ， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 水泥压力试验机概述及选题的意义 水泥压力试验机是水泥厂试验室的重要的仪器设备，配置压力试验机的状况 在很大程度上体现着试验室的技术水平。目前，虽然国内有一部分的水泥厂使用 的是手动式水泥压力试验机，但是，依据最新国家对水泥试验机的最新要求，我 国国内大部分的水泥厂现在已开始使用微机控制的水泥压力试验机。 国内外大量试验早已经证明，加载速度对试体的表观强度具有颇大影响。当 压力试验机对试体施加压力时，试体内同时产生应力和应变两个变化，而加载速 度对这两个变化差别的影响极大。加载速度慢，应力增加也慢，而应变增加很快， 甚至应变达到极限时，破坏的发生在很大程度上与施加的应力无关，这样测得的 试体表观强度偏低。相反，加载速度快，应力增加也快，应变增加缓慢，这样测 得的试体表观强度偏高。为了准确测得水泥试体强度，各个国家标准明确规定试 体加载速度，如i s 0 6 7 9 8 9 规定每秒应力加荷速度为1 5 土0 1 2 5 m p a ，德国 d i n i1 6 4 7 8 规定每秒应力加荷速度为1 5 土0 5 m p a ，我国g b l 7 7 - 8 5 规定每秒 应力加载速度为2 o 土0 2 m p a ( 力值加荷速度为5 土0 5 k n s ) “3 1 。 因此，保证加载速度在给定的恒定值对于准确地、科学地测量试体的表观强 度非常重要。通过采用性能优越的控制元件和高效的控制算法，在没有大幅提高 试验机成本的情况下，将加载速度在设定值附近的浮动的范围尽量减小，这是当 前迫切需要解决的问题之一。 另外，具有优越性能的水泥压力试验机的一个必不可少的条件是具有一个良 好的人机操作界面、优越的数据处理能力、控制过程实时显示以及运行稳定的工 控软件。这一点对水泥压力试验机最终形成产品尤为重要。因此，这也是当前需 要探讨的问题之一。 1 2 水泥压力试验机研究背景 目前，实现压力试验机全自动控制的方式主要有三种：一是调频控制，即根 据压力传感器信号，通过调频器控制电动机转速从而控制油泵输出的油压或加压 丝杠的上下：二是电液比例阀控制，即通过压力传感器给出的信号控制比例阀的 丌度，从而控制进入油缸的油量：三是电液伺服阀系统控制。 由于调频器控制系统中机械传动的惯性对增量的稳定调节困难，加压丝杠系 统中受最大负荷的约束，所以，调频器控制的全自动压力试验机较少使用。而电 液伺服阀系统虽然在国外采用较多，但由于电液伺服阀是各类液压元件中最精 密、最贵重、也最娇气的元件，对系统的实施与运行环境，特别是对油液的清洁 度要求( 1 5 鲕) 很高。所以，目前在国内尤其在非金属材料试验机行业( 如水泥、 混凝土等方面) 瞥先普通应用的可能。 用处理机 图1 1 圆外典型压力试验机的工作原理 油缸 抽夏 油葙 图1 2 国内典型压力试验机的工作原理 图1 i 和图1 2 是国外和国内二种典型压力试验机的工作原理图。虽然选用 的元器件有所不同，但不难看出其基本原理是相同的。都是将压力信号通过压力 传感器( 或变送器) 送至专用处理机( 或微机) 进行转换放大处理后控制旁路上的 电液比例阀的开闭程度，从而达到控制进入油缸的油量，最终使加载速度保持在 一定范围内。由于计算机技术的发展，完全可以用足够精度的采样速度来分析和 反馈压力变化信号。因此，系统加载速度的控制及其控制精度主要取决于电液比 浙江大学硕士学位论文 例阀的工作性能。 图1 3 和图1 4 是国外和国内二种典型的电液比例溢流阀的工作特性曲线。 主 蚕 图1 3 图1 4 回 电值号值 宅信导值 比例溢流阀 比例 由工作特性曲线可知，比例阀都有一定的启动压力尸o ，岛一般为最大工作 压力p m 。的5 8 ，而且在压力上升时，有一非线性区域为( 1 0 1 5 ) p i 。 虽然有资料表明( 德国v i c k e r 公司) ，在最大压力较高的阀( 如2 5 m p a 、 3 1 5 m p a 等) 中，一些最新的精密比例阀的压力可控范围，其启动压力可下达到2 厶。但其工作特性在1 0 以下时仍为非线性的。 理论上讲，如果在加载过程中，保持了压力梯度的线性( 即恒加载速度) ，压 力传感器给出的信号也将是线性的，但比例阀接收线性电信号后，输出的压力却 是非线性的，由此可知在鬼液比例阀控制的全自动压力试验机的加载初始阶段， 恒加载速度的实现是因难的 有时在实验室中，通过反复测量比例阀的非线性区 的特性，采用软件补偿的方法，可以获得近似的线性，但由于加工工艺等原因， 比例阀特性难以完全相同，更由于整个液压系统因为管路、接头等元件不同和油 缸、阀门等的泄漏造成系统特性的一致性差，因而这种补偿没有普遍的、现实的 意义。 国内的水泥压力试验机的控制方法一般都采用p i d 控制算法，这种算法不需 要建立控制对象的精确模型，原理简单，实现方便。但是在精度要求很高的场合， 必须有经验非常丰富的工程师来调整p i d 控制参数，以达到控制精度的要求。当 系统环境发生变化，如油液温度升高、干扰增强时，阀的泄漏量增加等因素的影 一飘一醴 浙江大学烦士学位论文 响会使原来已经优化的p i d 参数变得不符合高精度的要求。并且，手工调定p i d 参数有一个无法弥补的缺点是在一个完整的控制过程中只能够用一组给定的 p i d 参数值，无法根据不同的控制特性采用最佳的参数值。为此，本文采用了一 种智能p i d 控制算法，并在作了大量的仿真和实验的基础上，形成控制规则。研 究结果表明，本控制算法在调试、可靠性、试验精度等方蔼均有明显的优势，完 全能够满足国内水泥行业对于试验机的要求“1 1 。 1 3 直接数字控制技术的介绍 随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，流体控制元件的数字化成了 一种必然的趋势。采用传统的比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件构成的系统一 般通过d a 接口实现数字控制，这是国内外液压数字控制流行的办法1 。这是一 种间接数字控制的方法，这种方法存在如下的缺点： 由于控制器中存在着模拟电路，易于产生温漂和零漂，这不仅使得系统易 受温度变化的影响：同时，也使得控制器对阀本身的非线性因素如死区、滞环等 难以实现彻底补偿。 增加了d a 接口电路。 用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁泄现 象，导致阀的外控特性表现出2 8 的滞环。采用阀芯位置检测和反馈等闭环 控制的方法可以基本消除比例阀的滞环但却使阀的成本大大增加。 卜由于结构特点所决定，比例电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构成 在高频信号作用下，由铁损而引起的温于卜较为严重。 与间接方法相比，有两种直接数字控制方法备受人们关注。其一是对高速开 关阀的p w m ( 脉宽调制) 控制。通过控制开关元件的通断的时间比，以获得在某一 段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。在流体动力系统中， 这种控制方式的控制信号是开关量。因而本质上是直接数字控制。该思想源于电 机的p w m 控制，流体动力的p 州控制最早开始于5 0 年代末电液伺服阀的开关特 性的研究。从那时起特别是自8 0 年代以后，人们对电液控制系统p 删控制性能 提高及工程实际应用做了大量的工作。该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及 结构简单的优点。但是存在以下的缺点： 卜由于高速开关阀的p _ | v m 控制最终表现为一种机械信号的调制，噪声大，易 于诱发管路中的压力脉冲和冲击，从而影响元件自身和系统的寿命及工作可靠 胜。 浙江大学硕士学位论文 卜元件的输入与输出之间没有严格的比例关系，一般不能用于开环控制。 控制特性受机械调制频率不易提高的限制 其二是利用数字执行元件步进电机加适当的旋转一直线运动转换机构驱动阀 芯实现直接数字控制。由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作，因而常称 为步进式数字阀或离散式比例阀。通过合理的设计，这类阀具有重复精度高及无 滞环的优点。但是，步进式数字阀是通过阀芯的步进运动将输入的信号量化为相 应的步数( 脉冲数) ，因而存在着量化误差，通过增加阀的工作步数可以减少量化 误差，但却使阀的响应速度大大降低。为此可以通过对步进电机进行细分的方法， 来解决这个矛盾。 1 4 本课曩的总体方案的介绍 如图1 5 是本课题所设计的水泥压力试验机的系统方框图。由于采用在文 献 8 中所提出的2 d 数字阀，避免了控制信号下传中的d a 转换环节。系统采用 了上下位机的控制结构，由压力传感器采集油缸的压力信号后，上传并经过放大 和a d 转换后，送到上位机，上位机将其与理想的控制压力进行比较后，利用差 值来运行控制算法，由控制算法得出的控制信号下传给下位机，下位机取得信号 后，利用其细分步进电机的功能，实现给定的角度输出到步进电机，从而实现对 步进电机的精确定位。 直接数字控制技术的采用是本设计方案的独特之处，由前面的介绍可以知 道，这对于系统的整体性能会带来非常大的帮助。 甲悃 ! 蓦占甲肆 擎 数 字 闫 图i 5y a w - 3 0 0 电液直接数字控翩系统整体框图 浙江大学硕士学位论文 1 5 论文的主要研究内容 我国的数字式伺服控制器的研究目前仅处于起步阶段，虽然国内有很多的学 者对于伺服控制器的研究做了一些工作，但是与国外的产品相比仍有很大的差 距，离形成最后的产品相距更远。本课题采用了直接数字控制技术，采用了国产 的最新的2 d 数字阀，并最终形成了可靠性、操作性较好、控制精度非常高的产 品。整个论文主要阐述了以下几个方面的问题： i r a - 根据实际情况，建立和分析试验机控制系统的理论模型； l b 分析环境因素对试验机综合性能的影响： 研究一种可实现的、具有优越的控制性能的智能p i d 控制器； 研制水泥压力试验机的控制软件，要求具有操作简单、控制方便、界面友 好、稳定性高和易维护等特点： 1 6 本章小结 本章首先阐明了将水泥压力控制系统作为研究对象的意义，然后在此基础上 回顾了国内外水泥压力试验机的应用和研究情况，归纳了水泥压力试验机采用的 基本控制原理。由此形成得出了论文选题的重要意义。接着将本论文中采用的关 键技术一直接数字控制技术( d d c ) 做了基本介绍。 在上述的基础上，提出了本论文的基本思路。最后，提出了本论文的主要研 究内容。 浙江大学硕士学位论文 第二章实验装置描述和系统模型的理论分析 2 1 实验装置的描述 本控制系统的结构原理如图1 5 所示，系统的液压原理图如图2 1 所示： 图2 1系统的液压原理图 数字嘲2 安全躅3 柱塞油缸4 教宇霸控制信号5 柱毫泵 液压回路的具体工作过程是：试验机的液压油源向主机供油，液压泵从油箱 吸入液压油，吸油口处有粗滤油器对油进行粗滤，再经精滤油器过滤和蓄能器后 进入数字阎，数字阀根据控制系统的输入信号控制进入液压缸的液压油的方向和 流量。系统中的压力由溢流阀控制，在系统压力过高时，溢流阀能起安全溢流作 用。 液压系统外的工作过程是这样的： 从压力传感器获得的信号，经过放大和a d 转换，进入计算机后与压力上升 的斜坡信号进行实时比较，得到的偏差信号经控制算法运算后，通过计算机的并 口直接发送给数字阀控制器，通过微小流量阀实现压力闭环控制。 其中传感器采用a k 1 型应变式脉动压力传感器，量程为2 5 m p a , 灵敏度大 于o 5 0 8m v v 。非线性度为o 2 f s ，精度为o 2 f s ，固有频率为1 5 电0 k h z 。6 试验量器是由天山试验机厂提供的。微机采用了联想的品牌机，数据采集卡采用 的a d 芯片是a d 5 7 4 。它是1 2 位逐次逼近型a d 转换器。转换速度为2 5 印， 转换精度为o 0 5 ，由于芯片内有三态输出缓冲电路，因而可直接与某种8 位或 与1 6 位的微处理器相连，而无须附加逻辑接v i 电路，且能与c m o s 及t t l 兼 容。 浙江大学顽士学位论文 油缸的有关数据是：活塞面积是3 0 7 7 2c m 2 ，活塞的位移最大值为1 5 c m ，其等 效的总质量为2 0 5 k g 。 由于数字阀可直接与计算机接口，不需要d a 转换器。与伺服阀、比例阀 相比，具有结构简单、工艺性好、价格低廉、抗污染能力强、重复性好、工作稳 定可靠、功耗小等优点，所以系统选用了一种性能很好的数字闽。 在整个系统中，数字阀的性能起了一个很关键的作用。图2 2 是2 d 数字换 向阀的结构原理图。该阀利用伺服螺旋机构实现阀芯的旋转直线位移的转换。 步进电机通过齿轮机构驱动阀芯在一定的角度范围内正、反向转动。在阀芯的左 端台肩上轴对称地开设两对与进油相通的高压孑l 和回油相通的低压孔，在阀芯孔 左端的内表面上轴对称地开设一对螺旋槽，其左端与阀左腔相通。当阀芯在阀孔 中处于正常的工作位置时，高压孔与低压孔分别处于螺旋的两侧，并且与螺旋槽 之间形成微小的弓形缝隙，它们串联而成阻力半桥。阀的右腔与进油相通，其面 积为阀芯左端面的一半。当阀芯相对静止时，阀左腔的压力近似为进油压力的 1 2 ，这时高低压孔与螺旋槽之间所形成的微小弓形面积的弓高相等。当步进电 机驱动阀芯转动使得高压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积增大、低压孑l 与螺旋槽 之间形成的弓形面积减小，则左敏感腔的压力升高，阀芯所受的轴向力失去平衡， 阀芯向右移动直到高低压孔又回到静止时与螺旋槽之间所处的相对位置。若步进 电机驱动阀芯反方向转动，则左敏感腔的压力下降、阀芯左移【9 1 引。 它由定差溢流阀和主阀两个部分构成，定差溢流阀主要保证阀的进口和负载 口的压力差为恒定，使得通过主阀流量控制口的流量不随压力的变化而变化；主 阀则通过轴向移动实现压力和流量控制。主阀的轴向位移是通过伺服螺旋机构实 现的。通过步进电机控制阀芯的转动角度可精确实现阀芯的轴向位移控制l s 】。 阀的主要技术参数如下表所示 额定流量 3l r a i n 相电流1 2 a 最大工作压力 2 4m p a 脉冲当量1 0 节流口压差1 5m p a步进电机最大工作频率2 4 0 0 h z 步进电机工作模式p w mp w m 工作频率1 0 0 0 h z 工作电压 2 4v 步进电机静转矩 o 2n m 工作步数 8 表2 - 1 浙江大学硕士学位论文 霉2 2 2 d 缸事捷向竭的嫱捣番理田 数字阀的频率特性如图2 3 所示，由图可以直接看到其频率响应很高。这对 提高系统的性能有很重要的作用。 期宰m 图2 3 数字伺服阀的频响特性 2 2 系统各环节的分析 系统的实验装置方框图如图2 4 所示，与其对应的控制系统方框图如图2 5 所示。其信号传递过程是：微机发出要控制的脉冲数( 因为对步进电机细分的作 用，可以对这个脉冲数取小数) ，控制器依据要控制的脉冲数，通过细分电路给 步进电机以脉冲信号，步进电机输出的角度通过一个机械式转换器将角度信号转 换为直线运动信号，液压阀根据其位移量x 控制流入液压缸的液流流量，使其按 要求的方向和速度运动。压力传感器将油缸中的油压力传给微机，实现压力反馈。 2 2 1 步进电机放大环节 在2 d 数字阀中采用的是b y g 5 7 0 0 9 混合式步进电机， 7 ：rs i n z ，( 口。一口，) 】i s 9 其力矩方程为： ( 2 1 ) 浙江大学硕士学位论文 r 一2 d 数字阀一一1 圈2 4 实验装置方框图 式中：兀一静转矩： z ，一转子齿数： 口。一旋转磁场的角度，在驱动电流为理想方波的假设前提下，相位与其控 制信号口，。相同： 阀芯的动力学方程 卜争。鲁哪_ ( 2 _ 2 ) 式中：m s 一转子负载的综合质量，且= 1 9 7 ，+ j r ： n 一阀芯质量： ，一转子的转动惯量： r 转子的半径： x 。一阀芯位移； 口。一粘性阻尼系数： f b 一液动力； f f 摩擦力： 应用线性系统理论通过方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) a - - t 以得到转子的旋转角位移和旋转磁场 角位移之间的传递函数 煞：1 l ( 2 国 钆( 5 ) 乓+ 2 ，+ l ”“ ， 转子的固有频率 浙江大学硕士学位论文 阻尼比为 。，：，盟 v， 扣赤 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 由于对步进电机进行了细分，其细分的精度比较高，以及转子的固有频率大 大高于系统的频率等原因，因而在此将其看成是一个比例环节。步进电机的参数 如下表所示。 表2 - 2 最大 型号电压电流电电感静力机身接线圈转动重量步距 阻矩长 惯量角 m o d e i v o l t a g e c u r r e n tr e si n d u c th t l e n g t h w i r er o t o t w e i g h ts t e p ( v )( a )( q )( m h )( n c m )( m m )d i a g r a m l n e t | a ( k g )a n g l e ( g c m 2 )( d e g ) 5 7 b y g 0 0 91 22 41 01 55 8 85 6a1 4 50 6 51 8 由于步进电机采用的l 一2 相励磁法，实际的步进角变为了0 9 度。所以步 进电机环节的比例系数为k a = 0 9 2 3 6 0 = 0 0 1 5 7 1 其单位为弧度。 2 2 2 机械转换放大环节 这个环节的作用实际上是一个运动方式的转换过程。其转换关系可以用下式 表示： 耳= r 钾声( 2 - 6 ) 式中如一为阀芯位移 r 一为阀芯半径 口一为阀芯转角 芦一为螺旋槽升角 由文献【8 】查到的参数为：r ；8m m ，8 = 4 5 。，则有： o = 8 8( i t u n )( 2 7 ) 化成标准单位则：k b = 0 0 0 8 ( m r a d ) 2 2 3 液压阀环节 由图2 3 可以看出，阀的频响比较高，根据文献【9 1 ，将其简化为一个一阶环 节得到： 浙江大学硕士学位论文 g 一加器= 击 ( 2 8 ) 其中心为阀的增益。 由于其阎的最大的位移为0 3 4 m m ，额定的流量为3 l m i n ，所以阀的增益为 c q = 3 ( 0 3 4 1 0 。x 6 0 ) = 0 1 4 7 0 5 8 8r m 2 s ) 由图2 3 可以看出其固有频率约为1 0 0 h z ，则 ，= 1 0 0 x 2 x q = 6 2 8 ( r a d s ) 由此可以得到 g 。= 击= 等等= 麓( m 2 s ) ( 2 - 9 ) 6 2 8 6 2 8 ” 1 + j 却。， 1 + s + j 、一 2 2 4 液压油缸和负载环节 系统采用的是柱塞缸，其简化的框图为如下： z k i ：负载弹簧刚度a ：活面积 x ：活塞 亍程 o ：流入流量 m ：运动部件总重量p ：输出压力 图2 6 油缸运动分析 由此可以列出其运动分析方程： ) 刊一p + 老印 p ( s ) = ( m s 2 x + c i 肼+ k ，x ) a ( 2 l0 ) ( 2 - 1 1 ) 式中：c ”为油缸总的泄漏系数：c ，为系统粘性摩擦系数：k 为油总的压缩容 积；成为油液有效弹性系数。将位移作扰动输入，得油缸一负载框图。 图2 7 液压缸控制框图 2 2 5 压力反馈环节 压力佟感器的固有频率为1 5 2 0k k l z ，所以可以看成是比例环节，由于其量 锥 浙江大学硕士学位论文 程为2 4 m p a ，且输出的最大电压为5 v 。所以压力反馈系数为 k 。= ( 5 2 4 x 1 0 6 ) = 2 0 8 3 x 1 0 7 ( v p a ) 2 2 6 系统的延时环节 因为系统的采样频率为5 0 0 h z ，其延时常数t = l f = l 5 0 0 = 0 0 0 2 ( s ) 故延时环节为： 小竿( 2 - 1 2 ) 5 2 2 7 转换系数环节 要将压力信号转换为脉冲数的转换系数的计算可以得到：当输出电压为5 v 时，其对应的最大的脉冲数( 即数字阀完全封闭( 阀位移为零) 到完全敞开( 阀位移 为最大) 时所要输入的脉冲数) 由文献 8 】第2 2 3 页可以查到为8 ： 心= ；= i 6 ( i v ) 2 3 系统总体结构分析 由上面对于各环节的分析可以得到下面的系统总体控制方框图为 图2 8系统总的控制方框图 系统的b o d e 图如图2 9 所示，图中标出来的u 和u ：分别为负载与弹簧构 成的机械固有频率和液压弹簧与负载弹簧和质量构成的固有频率；系统的穿越频 率在3 5 r a d s 左右。由b o d e 图可以看出系统在负载为给定值的情况下，是稳定 的。 浙江大学颂_ ：学位论文 d 日幽i 翱r l l t l l 钿1 4 4 4 1 1 1 一婶1 1 1 口3r m ) m - 1 1 f 1 7 3 4 蛔呻1 删r e c l l ；i ； ： ；ii ： ：? 十i，i，i，i ii i i；-_iii；：i：。i。ii4i i i 4iiii i h i i t ；：制。 ： 一 i _ - p - j i ，l n 1 _ t 十忡十卡* 洲卜寸 t i 卜：p 忡 lii i i l iilll l l | ：ll i ；i ：l ：； ! ll ；i i i i ；! ；i i l l ；l ；i ；i ； ! ； 芑 茕 f - 单_ 斜d 抽嘲 图2 9 系统b o d , 图 图2 1 0 系统斜坡响应图 时阿 | ) o黾暑-j皇薯1墨 浙江人学顾。l ：学位论文 浙江大学颇士学位论文 2 4 环境变化因素对系统性能的影响 在系统的模型中，因为环境的变化对于系统模型的四个参数：。，c 。，c k ，四个参数有重要的影响，归纳分析如下。 ( 1 ) 液体弹性模量的变化对系统性能的影响 如图所示：低压时混入油中的空气对。值影响特别严重，提高工作压力对 于提高几值有利。此外为了不致使卢。值过分降低，采用各种措施减少空气的混 入也是非常必要的。如果能够完全避免混入空气，体积弹性模数便是常数，计算 时可取改= 1 3 8 0 ( m p a ) 。但这是理想的情况，一般是难以做到的。一般的工程计 算时都取= 6 9 0 ( m p a ) ，这样的取值与实际比较吻合。在讨论尻对于系统的影响时， 可以分别取以下三个值： 1 3 8 x 1 0 9 ，6 , 9 1 0 8 ，i 1 x 1 0 。( p a ) ，下面分别分析不同的尻对于系统性能的影响。 她讷 ，p ， o - 2 y 一一 ，。 。 07 l o 么 。 圈21 3 体积弹性覆热蔓涅入箍液串的空气含量0 a 幕压下的容积百分比表 示) 技工作压力前英莱鬯境 9 分析，由图2 1 4 ，图2 1 5 ，图2 1 6 和图2 1 7 综合分析可以知道，油液弹性 模量的变化对于系统的性能影响很大。弹性模量取值越大，系统的穿越频率越高， 动态性能越好，静态误差也越小。弹性模量取值越小，系统的穿越频率越低，动 态性能越差，静态误差也越大。所以，在实际系统中油液中混入少量空气是很难 避免，并且随着系统油液压力的上升，口，不断的变化，这对于系统性能而言是 一个重要的考虑因素。 浙江大学硕士学位论文 r _ _ 料臼_ 图z l 哇系缓跏出圈a 时厦 图2 1 5 期墟啊磁盘线瞳尻 7 8暑，x 6 f 已t 量t 浙江大学硕士学位论文 图2 1 6 时阿旧 阶跃嚼应曲线图 图2 1 7 8 浙江大学硕士学位论文 泄漏系数的变化对系统性能的影响 由于压力控制系统的油缸在接触到水泥试块后的位移非常小( 由于试块的刚 度非常大) ，讨论运动时的泄漏没有什么重要的意义，故只讨论两端有压力差， 无相对运动时的泄漏。 图2 1 8 为油缸缸壁与活塞的计算关系简图： 图2 1 8 偏心圆环缝隙泄漏置计算分析图 其中： r 一活塞半径； r 一油缸内壁半径： e 一偏心量； y 一实际间隙； a ，口分别表示图中的夹角， 由图中的几何关系由 当b 很，j 、时，c o s b = 1 令e h = 则 且h = r - r ： y 。r - ( rc o s 口+ e c o s a ) y 2r 一，一e c o s 口 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) y = h - 拓c o s 口= h ( 1 一s c o s a )( 2 1 5 ) 由图中的几何关系可以得到间隙宽度 如= 凡出 ( 2 - 1 6 ) 液压缸与活塞之间的缝隙会带来液压油的泄漏，环形缝隙的缝隙量相对半径 浙江火学硕士学位论文 和长度而言是一个微量。所以，此缝隙中的流动，可以看作是稳定的平行流 动，也可以按平行平板缝隙流动情况来探讨。 有文献 1 4 1 5 以得到平行平板缝隙流动的计算公式为： q = 盅( 2 - 1 7 ) 其中平板的长度为l ，宽为b ，两板之间的间隙高度为h 与图2 1 8 中的变量相对照可以得到下式： 蛔= 器e 3 a ；( 2 - 1 8 ) 则 q = 等j 0 ”( 1 - 6 c o s 口) 3 d c t ( 2 - 1 9 ) 积分得到： q = 百2 r ：r h 3 8 p ( 1 + 1 5 e 2 ) ( 2 - 2 0 ) 分析有： 当= 0 ，即为同，t l , 时， q ：2 r c r “h 3 ，a p (22t)1 2 以 当= i ，即e = h ，最大偏心时，则 q = 2 5 百2 r c r h 3 p ( 2 - 2 2 ) 由此可以知道，最大偏心时，液流流经缝隙的泄漏量为同心圆时的2 5 倍。 对应于计算简图中参数，控制系统的具体参数是： l = 6 0 m m r = 7 0 m m h = 0 0 3 0 r n m r = 6 9 9 6 5 m m 根据有关文献可以查出：u 为0 0 1 4 4 到o 1 3 0 1n s m 2 之间取值： 当u 取0 0 1 4 4n s m ：时 当液压缸和活塞同心时： 其泄漏量为 3 2 5 8 6 1 0 ( h i ：s ) 泄漏系数为 浙江大学硕士学位论文 当液压缸和活塞最大偏心时 其泄漏量为： 8 1 4 6 4 x 1 0 ( 一s ) 泄漏系数为： c i p = 3 3 9 4 3 1 0 1 8 ( m 5 n s ) 当u 取0 1 3 0 1n s m 2 时 同心时其泄漏量为： 最大偏心时其泄漏量为 - 1 霉棚 j 硼 啪 棚 1 2 9 4 4 xl o “( m a s ) c 。= 1 2 2 6 7 1 0 “( m s n s ) 7 3 6 x1 0 “( m i s ) c 。= 3 0 6 6 7 1 0 ”( m i n s ) - 啊o ；l；i 。 、 r k r i 一q 门啊枷嵋o d 啊e “i - 一q p * * a n _ * i t , , i m l o 棚l ：= i i i ii ； ：、叶：i l ： ： 史 ：x ：= i i 一孺j i v 黼 ! t ! ! l ! ! j! jt ! ! ! 矗! n ； nl h _ i - 可o 峥 图2 1 9 系统b o d e 图( c t p ) o 脚 棚 卸 枷却 盆已ti室 浙江大学硕上学位论文 时何 图2 2 0 斜坡响应由线图( c t p ) 时何岫 图2 2 1 阶跃响应曲线图( c t p ) 浙江大学硕士学位论文 分析：由于油缸的加工精度比较高，在其可能的泄漏量范围内讨论时由图可 以得出，泄漏量在计算的范围内变化时，其对于系统的性能没有很明显的影响。 ( 3 ) 运动粘度的变化对系统性能的影响 运动粘度是很难直接计算的，通常工程上都是考虑一般的经验值。对于的 分析也是只能从定性的角度进行。下面是对于其进行大概的分析，其取值参照了 工程计算手册数据。 浙江大学硕士学位论文 ，h 啊u 删白嘲 图2 2 3 系统b o d e 图( c d 誊量量晕z 詈t差 浙江大学硕士学位论文 时简m 图2 2 5 斜坡响应蓝线蹈 时同 图2 2 f i 保压响应曲线 分析i 由对图2 2 3 、图2 2 4 、图2 2 5 、图2 2 6 、图2 2 7 分析可以得知，运 动阻尼系数c 【的变化对于系统的高频段有一定的影响，但是从斜坡、阶跃、保 浙江大学硕士学位论文 压曲线的分析来看，其影响对于系统的总体性能表现得不太明显。基本上可以忽 略其变化对于系统的影响。 试体同度变化对系统性能的影响 啊口畸 图2 2 7 系坑b o d e 图( x 1 ) 时河 图2 2 8 斜坡_ 由应曲线 浙江大学颂士学位论文 时阿 图2 2 9 阶跃响应曲线 时简油 图2 3 0 保压啦应哇旨线图 浙江大学硕士学位论文 分析：由图2 2 7 、图2 2 8 、图2 2 9 、图2 3 0 由于试样的刚度对于油缸的传 递函数有比较大的影响，并且在不同的试样其实际的刚度也不相同。在试样破碎 的一瞬间，其刚度变为了零。所以对于试样刚度对系统性能的影响的分析也就有 非常重要的意义。有上面的图可以知道，试样刚度变化对于系统的性能有重大的 影响，刚度越大，系统的穿越频率越高，动态性能越好，刚度越小，系统的穿越 频率越低，动态性能越差。由阶跃信号响应曲线可以知道，刚度的变化对于系统 的稳态误差没有很明显的影响。 2 5 本章小结 本章首先对全自动微机控制的水泥压力试验机控制系统进行了描述，然后在 此基础上，对其各个环节进行了分析，综合得出了控制系统的数学模型。并对其 进行了仿真分析。最后，论文还对环境因素发生变化对系统的影响的情况做了详 细的分析。 浙江大学硕士学位论文 第三章水泥压力试验机控制系统控制策略的研究 3 1p i d 自整定控制策略的概述 p i d 控制是迄今为止最通用的控制方法。我们今天所熟知的p i d 控制器产生 并发展于1 9 1 5 1 9 4 0 年期间。尽管自1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出， 但p i d 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被 广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。 h s t r o r a 在1 9 8 8 年美国控制会议( a c c ) 上作的 的大会报告 概述了结合新一代工业控制器中的两种控制思想一自整定和自适应，为智能p i d 控制的发展莫定了基础“”。他认为自整定控制器和自适应控制器能够视为一个有 经验的工程师的整定经验的自动化。并且他在文 1 6 中继续阐述了这种思想。认