（测试计量技术及仪器专业论文）内嵌压力源全自动便携式压力校验仪的研究.pdf

南京理工大学硕士论文 内 嵌压力诬全自 动便携式压力校验仪的研究 ab s t r 8 c t t h e pres sure ofm e t ri c aig a u g e isthe m e tri c ale q u i p m e n tsofthe 1 n d i s 详翻 劝 lb i li tyin the i n d u s trialp r o d u ctionh ne ， ingr e atq uan t l t l e s apnliedinv 硕。 usp rc 心 u c t i o ns. for the 劝 k e ofth e 毗u 晓 y 如 d re li ab il ityofthe pr e ss ure c allb ra t i 0 几the 衅ss ure g a u g e m u s t bo c h e c k e d peri o dically . t h e t ra d i ti o n aln . 叮 u a l p 邝 s s u rec allb r at 1 o n m e 1 b o d s are s u bj ec t e d to l ow e ffici e n c y ， b i g h 1 abori n t e ns ityand fo wcali b r at i o n ac c urar y d 此toh . 叮 anfa c t o rs . t h e d e v e 1 o p m e nthi storyand 衅父 n t con d 1t 1 ons ofth e p r e s s urec a l i b ra t 1 o n are s u n ” n a 工 i zed in t hi s d i s se 到 习 t 1 0 氏a i matthe spec 过d e m 田 l d o f the o i l 一 fi eld p r e s 介 g a u g e fi e l d c ai ibrat i o n ， p u t fo p 份 别 月an i d e a ofd e v e l oping po到 皿 b l e p r e s s u 叮 e c a li b ra t i on inst n 刀 刀 e niw h l c hc an c h e c k t h e p r e ss ure hal . a u t o m at i c 阳d w i t h t h e p r e s s 切 res our ceinsi 山， 叨d do t h e 比 se ar c h on a fe wr n a 1 n te c hn1 q u e k e y p r o b 1 e m s ofp re s s 叨 rec al i b r at l o ni n s tr 切 叮 e n t 从 七 i chwoul dbe 比sol v e d .ma i nwo r kandt h e res ult a i edescri bedas fo1 1 o ws. t b e份s t ， 面 the re se a r c ho np r e s s u 比 ea u t o m a t i c al lyg e n e r at 1 n gd e v i c eandc 0 n tr o 1 执 e t h o d ， p ut fo p 浑 出 过ak i n do f s . 叮 ds 记 p r e s surem e t h o do f c e rt a i ns t e p s ， 明dcou l d 。 c curr encep r e s sure 即 c u r at e ， 丘 巧 t ， s t a b l li zeand hav e 加s u per 殉ust o f creation w h l c h is p r e s 钾 c al i b rat1 oni n s t ru m e ntnee d;t h e se cond， a 云 n atp re se ntc o n d i ti o ns t h a t a gr e at dealo f t r a n s d u c eran d p 。 访 比 r g a u g e s are all o f a p p 1 1 ed. the a u t o m a t 1 c ai lyre adsyst e mis re s earc h e d . 山 e a u t o m a t i cal 邝 时sy st eln o f poi n t e r g a u g e b eco me t ru e 勿 山 e m e t h o do f l m ag e p r o cess i ng; t h e t h i r 成dothe res h o n the t e m pe r al ” r e drift ofs 加 叮 山 叮 d p re s sure s e n s or， andc 留 r y ing onthe t e m per 翻 tl 止 e c o m p e n 剐 劝 i onby1 inearo f vi c a ri ate 1 n t e rp o 1 ation for 如p r o v i n g m e a 名 ure 似迸 a c y 心y w o rd:p r e s s ure c alib rati on，p r e s sure c o n t ro l ，imagep mc e s s l fl g ， c o m p e nsation 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发表或 公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的 学位或学历而使 用过的 材料。 与我一同工作的同事 对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明 确的说明。 研 究 生 签 名 : - 华 到 支 加 月 年7 月亨 日 学位论文使用授权声明 南京理工 大学有权保存本学 位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或 上网 公布本学 位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学 位论文的部分或全部内 容。 对于保密 论文，按 保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : = 必 仁 五红 卿年 7 月 了 日 南京理工大学硕士论文 内嵌压力潭全自动便执式压力校验仪的研究 1 引言 1 . 1 课题研究的意义 本课题来源于江苏省科技攻关项目 ， 主要是是针对油田、 化工等企业压力仪表 的 现 场校验的 迫切需求， 而研制开发一种小巧轻便、 坚固耐用、 功能全面、 容易操 作、 效率高、能 全自 动完成校验的便携式压力校验仪，以实 现油田 压力仪表现场校 验的自 动化。 压力测量仪表是工业生产过程中不可缺少的 测量设备， 大量应用于各种生产工 艺中。为了保证压力测量仪表的 准确、可靠，必须对压力测量仪表进行定期校验。 校验周期根据使用条件确定， 每年至少经有资格的计量单位校验一次。 校验分送检 ( 即 送计量部门 校验) 和现场校验两 种方式， 而现场校验的需求正在日 益增大。 这 是因为目 前我国 油田 生产中， 使用的 压力仪表数量庞大、 使用环境恶劣， 校验周期 短， 因 而送检工作量相当大; 另一方面， 由 于其作业区域广阔、 压力仪表安装分散， 送检十分困难， 有时在生产上也不允许，因而往往难以按要求对使用的压力仪表进 行定期校验。 如果不进行校正， 或者校正的间隔很长周期将会产生安全隐患: 如按 照规定周期进行校验则可能会影响油田的正常运作，给企业带来很大的经济损失。 因此，迫切需要解决压力测量仪表现场校验问题。 目 前国内用于现场校验的压力校验仪技术还比较落后， 主要是采用校验仪和手 持式压力泵组合方式的设备， 其操作要求高、 使用不便、 检定效率低、 标准压力难 以 满足检定规程的要求;自 动化程度高的便携式现场压力校验仪产品， 国内目 前还 没有，国外产品价格昂贵，价格在数万美元，国内 用户难以 接受。 因 此迫切需要研究开发一种能 够进行现场校验、 使用方便、高效率、 价格便宜 的便携式自动压力校验仪。 1 . 2 国内 外研究概况及发展趋势 长期以 来， 活塞式压力计作为压力校验的标准装置得到普遍应用， 其测量准确 度在不断 提高， 测量范围也在不断 扩大。 但活塞式 压力计操作复杂，劳动强度大， 检定效率低。自 七十年代末八十年初，世界各国的计量检定工作者纷纷开始压力检 定校验自 动化的研究。 压力表的自 动检定方法分为两 大类: 基于活塞式压力计的自 动检定法以 及利用 压力传感器的自 动检定法。 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全 自动便挑式压力校脸仪的研究 1) 基于活塞式压力计的自 动检定法 这种自动造压方法以活塞式压力计为基础， 具有造压准确度高、 范围大等优点， 其自 动化通常体现在活塞旋转自 动化、自 动检测活塞位置以 及自 动加装祛码。 1 9 8 4 年， t h e t ap n e 吟 t i c s 公司生产的服h s o o o 系列标准压力源， 实现t 标 准压力产生的全自 动化。 它采用线性差动变压器确定活塞的 位移量， 利用机械手肴 装卸大祛码，小祛码的加载由 一系列电磁阀控制汽缸的动作来完成。 造压范围可达 5 0 0 mp a 。 英国剑桥大学的r . 5 . s h or rock与f . j . a t h ert on于1 9 8 7 年提出了 在活塞压力 计的基础上， 用电机带动螺旋压力机的自 动加压方式， 并利用位移传感器进行闭环 控制以提高系统的 控制精 度。 系统中 压力的大小仍由 祛码质量及活塞的 有效面积确 定。 2) 利用压力传感器的自 动检定法 这是以各种压力传感器为测压元件的自 动检定方法， 利用压力传感器直接输出 电 信号的特点，易于组成 便携式的自 动检定系统。 英国牛津压力系统公司 于1 9 8 9 年推出了c pc一 h型智能压力校验装置， 内 含多 块精密压力变送器， 用以 监控定点压力和测量系统内的 压力。 压力的控制由两个测 量电磁阀完成，电磁阀的 动作受计算机控制，定点造压误差落0 . 1 % 。 标准压力产生 范围为0 1 0 mpa 。 英国d ruck公司 研制出d p 工 5 1 0 型压力校验仪。这种检定仪可产生误差为 0. 0 25%，范围 在一 0 . 1 21护a 的 标准压力， 压力达到设定值的时间既快又无超调 现 象。采用高准确度的压力敏感元件监测内部产生的压力，压力敏感元件产生的反馈 信号输入到微处理器中，由 微处理器采用脉宽调制方式控制压力。 1 994 年，美国t r ans 以t 1 0n公司 研制成功适于现场校验的1 2 92型便携式自 动 压力校验仪。这是第一台可全自 动控制压力的产生，并可对检定结果进行数据记录 的 便携式压力校验仪。 压力的 产生由 一台大功率、 小型、 嵌入式压缩机完成， 上限 压力可达7 0 0 k pa， 造压误差为0 . 05 % 。 这种压力校验仪实现了 利用便携式校验仪 能完成从标准压力的自 动产生到校验结果自 动记录的 全自 动校验， 特别适合对工业 生产中使用的压力仪表 进行现场快速校验。 国内的压力表检定 状况还比 较落后， 基本上仍处在手动操作的阶段。 虽然目 前 已 有一些单位进行了 压力表检定自 动化的研究工作， 但关键技术仍需引进。1 9 88 年 ，大庆采油工艺研究所从美国地球物理公司(g rc) 引进了 全自 动压力标定装置。 标准压力由 活塞式压力 计产生， 传压介质为葵二酸盐油， 祛码质量在19一6 5 5 3 6 9 范围以二进制递增， 在1 9 1 2 8 9 范围内 珐码质量误差为土0 . 0 0 3 9 ， 1 2 8 9 6 5 5 3 6 9 误差为公称值的土0 . 0 0 1 % 。由 一台at兼容机控制微型马达带动活塞匀速转动， 代 南京理工大学硕士论文 内嵌压力派全自动便携式压力校验仪的研究 替了手动转盘的劳 动。 但这种装置的最大缺点是硅码的数量过多， 结构复杂， 造价 高 ， 。 1 990 年，中国 计 量科学研究院 热工处引 进英国rus ka公司的6 0 00型压力测里 控制仪， 及d atr on公司的1 0 71型数字多用表， 实现了0 16k pa范围内的压力传 感器标定的部分自 动化。系统利用计算机传送造压控制命令，由压力测量控制仪产 生指定检定点的 标准压力， 利用转换开关依次 采集各传感器的输出 值， 最后由 计算 机进行数据处理并 打印。 但这套系统仍需人工为压力测量控制仪提供合适的工作压 力，并且还需利用两台 真空泵抽空以 提供真空 零点图 。 19 94年， 航空工业总公司6 11所为飞 机 研制过程中 使用的压力传感器进行自 动 检定，引 进英国d pi5lo 压力控制仪组建了 压力 传感器静态自 动标定系统。 增压系 统采用单活塞往复式、 空气驱动、 无油润滑气体增压器。 利用计算机输出造压命令， 并对标定结果 进行分析、处理。 标定结果按以 下方法进行分析: 精确度、 最佳直线、 重复性及模拟标准刻度，每种方法可用压力计，并组成压力检定系统， 实现了 压力 表检定的部分自 动化 这套检定系统表格和图形表示出来，或用打印机打印。 青岛 大学于1 9 94年研制成功智能由 造压装置、压力传感器以 及智能压力计组 成，如图1 . 1 所示。 造压装置通常采用校验泵， 将其产生的标准压力同时提供给被 检表及压力传感器。 由 压力传感器测量系统内的 压力， 并转换为电 信号输入给智能 压力计( 图中虚框内 ) 12 。 .护 压力传 被检表感器 造压装置 ( 校验泵) 图1 . 1自 动检定系统框图 从国内外的研究现状可以看出， 压力仪表校验仪的研究主要有两个趋势:一是 研究发展适于现场校验的 便携式压力校验仪， 其要求是体积小、 重量轻、 操作简单、 校验速度快，以适应在工业现场校验压力表的需要;另一方面，对于在计量检定室 内使用的 压力校验系 统， 主要研究方向是提高 检定准确度及检定效率， 并采用计算 机辅助， 对检定结果 进行自 动记录、数据 处理、给出 标准的检定报告，并可对同 一压力仪表的检定历史数据进行保存及分析。 南京理工大学硕士论文内嵌压力潭全自 动便挤式压力校脸仪的研究 就适于现场校验的便携式压力校验仪的发展而言， 主要有两种形式， 一是由 压 力测量仪表与外接压力源或手动压力泵组成， 人工造压。 这种组合式的压力校验仪 虽然携带方便， 经济， 但使用不便， 检定效率较低， 一般用于定点压力校准，不能 按检定规程要求对整个量程进行校准; 另一种是带有内 嵌压力源式的 全自 动便携式 压力校验仪。 组合式的便携式压力校验仪，国内 外都己有较多的产品。 全自 动便携式压力验 仪，国外有少数几款产品，国内正在研究开发中。 ， . 3 本论文的主要工作 根据国内油田 压力仪表现场校验的现状及特殊需要， 本文提出开发一种内嵌压 力源、能全自 动完成校验过程的一体化便携式压力校验仪的构想。 该压力校验仪需 要解决如下几个主要技术关键问题: 1 )标准压力的自 动产生和控制方面 实现压力仪表全自 动校验，首先需要能够按检定规程要求快速、高精度、自 动 产生校验所需的标准压力。 如何对标准压力发生装置 造压过程进行精确控制是 一个技术关键， 难点在于快速、高 精度、单方向达到标准压力点。 2 )压力表的自 动判读系统的研究 要实现对压力表全自 动检测， 就必须具备有压力表示值的自 动读取功能。目 前 带变送器的 和指针式两种压力表都 有大量应用。 全自 动便携式压力校验仪必须 具备对两种压力表示值都能自 动判读的功能。 对于带变送器的压力表， 其压力 示值容易实现自 动读取， 而 对于指针式压力表， 其示值的自 动判读则十分困难， 需要研究能快速、准确自 动读取的方法。 3 )3 . 标准压力传感器的温度补偿 内 嵌式压力源的 标准压力值是通过标准压力传感器确定的，因此标准压力传感 器性能至关重要。 由于压力传感器受温度影响， 会产生零位漂移和灵敏度漂移， 从而影响提供的标准压力的准确性，因此解决对标准压力传感器温度漂移的补 偿问题，也是一个技术难点. 本文主要针对以 上技术关键开展研究。 南京理工大学硕士论文内嵌压力派全自 动便携式压力校脸仪的研究 2 标准压力的自 动发生及控制系统的研究 对于压力表自 动校验系统来说， 产生高精度的生高精度、 稳定的定点压力是整 个压力表自 动检定系统的关键。 在检定系统中标准压力控制的难点在于， 如何兼顾 压力产生的精度及速度。 根据 国家计量局检定规程汇编: 压力及真空的有关规 定， 检定 装置在升压或降压时，不应有冲击和回 程现象。 即压力产生系统在产生某 一定点压力时， 压力值应单向 递增或递减地靠近该点， 而不应有超调现象。 这就对 标准压力的 控制方法提出了 特殊要求。 因此要实现压力校正的这些要求， 在结构上 要保证在造压过程中要保持平稳， 在达到压力点的时候不能 有跳动的现象， 在控制 方法 上， 要能 够快速的 单方向 的 达到压力点 121 . 2 . 1 压力自 动发生装里的结构设计 压力的自 动发生装置是用来产生高精度、 稳定的定点压力的标准压力的。 因此首 先要保证能 够平稳的造压， 在达到设定点之后压力的 波动要小， 而且要是便携式的因 此其的结构要求简单，造价低，易操作。 2 . 1 . 1 压力校验仪的 传压介质的选择 要能够产生高精度、稳定的标准压力而且到达定点时压力波动小，选择合适的 传压介质是很重要的。当 采用气体作为传压介质，它有以 下的物理性质阔 们 sj : 1 )空气的组成 在标准状态下( 温度0 ， 压力0 . 1 0 1 3 淤a 时) 按体积份数， 空气是由78. 0 9 % 的氮气， 20. 9 5 % 的氧气， 0 . 93% 的氢气， 0 . 0 3%的二氧化碳以及0 . 078%的其他气 体组成。 2 )空气的粘性 空气的粘性是空气质点相对运动时产生阻力的性质。空气粘性的变化只受 温度变化的影响，压力变化对其影响甚微可忽略不计。 3) 空气的压缩性与膨胀性 气体的压力变化时，其体积随之改变的性质称为气体的压缩性;气体的温 度变化时， 体积随之改变的性质称为气体的膨胀性。 空 气的压缩性和膨胀性都 远远大于液体的 压缩性和膨胀性。气体的体积随温度和压力的变化规律服从气 体状态方程。 所谓理想气体状态方程是指没有粘性的气体状态方程。当气体处干某一平 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便携式压力校验仪的研究 衡状态时，气体的压力、温度和比容之间的关系为: 尸犷=rt 其中p 为 气体的绝 对压力，n / m z : v 为空气的比 容，m 3 / kg: r 为气体常 数: t为空气的绝对温度。 但由 于实际气体具有粘性，因而严格地讲它并不完全依 从理想气体力程式，随着压力和温度的变化，其pv/ rt并不是恒等于 1 。当压 力在。 一10. 0 ” p a ， 温度在0 2 00之间变化时p v/rt的比值仍接近于1 ， 其误 差小于4 %。 在气动技术中， 气体的工作压力一般在2 . 伽pa以下， 因而此时 可 将实际气体看成理想气体. 由 此引起的误差是相当小的。 综上所述使用气体作为 传输介质有以 下优缺点: 1) 空气为工作介质，工作介质获得比 较容易。用后的空气排到人气中， 处理 方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。 2) 空气的 粘度很小( 约为液压油动力粘度的万分之一) ，其损失也很小， 所以 便于集中 供气、 远距离传输。 外泄漏时 不会像液压传动那样严重污染环境。 3) 与液压传动相比， 气压传动动作迅速、 反应快、 维护简单、 工作介质清洁， 不存在介质变质等问题。 4) 由 于空气具有可压缩性，因 此其稳定性差。 特别是在达到设定点后很难稳 定下来。 5) 因为气体作压力低( 一般为 0 . 3 1 . 0 淤a)，又因结构尺寸不宜过大，总输 出力不宜大于13 40kn。 6) 噪声大，在高速排气的时候要加消声气。 因为本校验仪要求能够高精度， 能平稳的到达压力点且波动小的标准压力， 而 且量程要在0 一4 服pa，因此选择气体作为传压介质不合适。 2 . 1 . 2 压力发生装置的结构设计 如图2 . 1 为 压力发生 装置的结 构 框图 t61 m : 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便挑式压力校验仪的研究 卜 压力传感 器 2 一 油杯 3 一 被校压力表 4 we 压力阀门 5 一 步进电机 6 一 齿轮变速 机构 7联轴器 8导轨 9 一 丝杠 1 0 一 加压活塞 1 1 一 活塞腔体 图2 . 1压力发生结构原理框图 从结构上看， 此 压力发生装置是由 活塞式压力计改造而成，因而其结构简单， 成本低， 操作简单. 该系统的电 动执行机构是由电 机带动的， 通过齿轮的变速机构 将其转速降 低， 从而 提高其输出力矩; 齿轮变速机构的输出 轴通过联轴器和压力计 丝杠相连， 通过丝杠的 转动将电 机的转动转换为加压活塞的 轴向 运动， 从而使腔体 的压力增加。 在该结构中，电机是被安装在滑轨上，导轨和活塞在一个方向上， 在 进行轴向运动的时 候， 电 机将跟着活塞一起运动。 该机构的最大的 特点是人机两用。 即在校验的现场如果 没有电源的情况下可以 将滑轨卸下来， 装上手柄， 可以用手动 的方式来产生标准压 力.同时该机构中有多个表头安装口， 这样可以 进行多表同时 检测，从而提高检定的效率。 该结构主要是由 标准的压力测量系统， 螺旋式压力发生结构， 油杯， 标准压力 产生的动力执行机构 组成。 在工作的时候， 首先有一个对腔体内的 气体排出和吸油 的电机控制操作， 再进行压力校验。在进行校验的过程中，由于系统内的管路连接 都是相通的， 油杯阀 也是关闭的，因 此成为一个封闭 油路的系统。 这样就会在腔体 内 充满了 液压油， 由 于 液体的不可压缩性， 通过压缩可以 使腔体内的各个方向上将 产生相同的 压力。 通过高精度的压力的测量系统来对压力进行实时测量， 根据测量 的压力值来控制执行机构的运作。 2 . 2 电 机的 选择及控制 因为电机作为标准压力产生的动力执行机构，因此要选择一种便于控制且控制 精度高的电 机。 这样在 标准压力产生的时候能够快速的、 精确的达到标准的压力点， 而且对电 机的控制简单，容易开发。 南京理工大学硕士论文内嵌压力浑全自 动便挤式压力校脸仪的研究 2 . 2 . 1 伺服电 机阂 阅 洲 伺服电 动 机亦称执行电 动机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能， 在信号来之前， 转子静止不动;信号来之后， 转子立刻转动:当信号消失之后转子 能即时自 行停止。由于这种 “ 伺服”的性能，因此而命名。 按照在自 动控制系统中的功能要求， 伺服电机具备可控性好、 稳定性高和响应 速度快等基本特性。可控性好主要指在通讯信号消失后，能立即自 行停转;稳定性 高是指转速随转矩的增加而匀速下降:响应速度快是指反应快，灵敏。 根据电 源种类不同，伺服电机可分为交流伺服电机与直流伺服电 机两大类。 对于交流伺服电 机，其基本的 控制方法有:幅值控制、 相位控制及幅相控制。 这三种控制方法都是利用改变正转与反转旋转磁通势大小的比例， 来改变正传与反 转电 磁转矩的大小从而达到改变合成电磁转矩和转速的目的。这三种控制方法中， 相位控制需复杂的线路，电 机发热也 较厉害， 一般较少使用。另外两种方法实现简 单，用得较广泛。 对于直流伺服电机其结构与普通小型直流电机相同。 不过由于直流伺服电机的 功率不大， 有的电 机作为永磁型的.由 于直流电 机具有起动转矩大和调速性能好， 一直广泛用于自 动控制系统中。 直流伺服电 机有电 枢控制与磁场控制两种方式。 直 流伺服电机多采用电 枢控制，因为电 枢控制方式的机械特性与调节匀为线性的，而 特性曲 线簇是一组平行线，另外，由 于励磁绕组进行励磁时， 所消耗的功率小， 而 且电 枢电路的电 感小，时间常数小，响应迅速。 伺服电 机系统是一个输出 值跟随 输入值任意变化的闭 环自 动控制系统。 其闭 环 控制系统需要位置和速度检测器的信号反馈， 因而在系统中需要加入位置和速度检 测器。因此其结构复杂， 成本高，操作也不方面。另外伺服电 机需定期检查，维修 和更 换电 刷 和 换向 器， 因 此其维护 成本高。 目 前， 虽 然有无刷直流电 动机伺服系统， . 其寿命长久， 无需维修， 但其成本仍居高不下，主要用于高要求的 伺服系统如精密 数控机床、 工业机器人，经济成本己 不是主要考虑的因素。 本校验仪要求成本低， 结构简单，易操做，因而伺服电机不适合需求。 2 . 2 . 2 步进电 机叭回 步进电 机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自 动 化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展， 步进电机在各个领域的应用越来 越广泛。 步进电 机是一种将电脉冲转化为角位移的 执行机构。当步进驱动器接收 到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为 “ 步 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便挽式压力校验仪的研究 距角” ) ，它的旋转是以固 定的角度一步一步运行的。 可以 通过控制脉冲个数来控 制角 位移量， 从而达到准确定位的目 的;同时可以 通过控制脉冲频率来控制电机转 动的 速度和加速度， 从而达到调速的目的。 步进电 机可以 作为一种控制用的特种电 机，利用其没有积累误差( 精度为10既) 的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电机与其它电 机相比 有其独特的优点: 1) 步距值不受各种因素干扰而受到影响。例如: 电压、电流和温度的影响。 2) 误差不会长期积累。 步进电机每走一步可能与理论值有些误差， 但每转一圈 的累积误差为零。 3) 可以用数字信号直接进行开环控制， 因而整个系统的结构简单， 价格低廉。 4) 电机无刷，部件少，因而可靠性高。 5) 步距角可在大范围内选择， 在小步距情况下， 通常可以在超低转速下高转矩 稳定运行。 6) 速度可在相当大的宽范围内 平滑的在线调节。 7) 可以在很大的范围内 进行在线快速的档位调节。 步进电机驱动系统虽然在快速及响应品质两个方面尚不及伺服驱动系统， 然而 与伺服电 机相比其结构简单， 可以 进行开环的点位控制控制。 步进电机最大特点是 很高的系统可靠性。 交流伺服系统需将位置和速度检测编码器的信号反馈到“ 偏差计数器” 并进行 调整， 直至实际位置与预定位置一致时，伺服驱动才停止下来。开环控制的步进电 机驱动系统，步进电机运动的结果，并不再反馈到 “ 控制器” 上，只能靠步进电机 的“ 复原范围”( 有点 类似伺服系统中的“ 偏差计数器” 作用) ，利用时间继电 器的 调整来完成位置的定位. 两者结构非常近似，都是作定位之用。不同之处，当定位 完毕 信号之后， 交流伺服系 统依据直流无刷电机编码器的 反 馈脉冲， 了 解定位情况， 而步进驱动系统，没有位置检测编码器反馈环节， 它需预测定到达位置的时间， 整 定好时间继电器动作时间，来完成定位控制。因此，步进电 机驱动系统控制简单， 运行可靠。本系统是要找到一种能够结构简单， 成本低， 可靠性高， 便于控制的电 机，因此步进电 机是一个很好的选择。 2 . 2 . 3 步进电机的 控制图 阅 【词 步 进电 机是一种把电 脉冲信号变换成直线位移或角 位移的 控制电 机， 它的线速度 或角位移量与脉冲数或脉冲频率成正比。影响步进电 机运行速度的因素主要有两个: 一是最高连续运行频率，二是步进电机的升、降频过程。 所谓最高连续运行频率是指步进电机恒速运转时能够驱动负载的最高速度。 对于 9 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便拥式压力校验仪的研究 某一特定的步进电 机， 最高连续运行频率与步进电机所能产生的失步转矩有关。 所谓 失步转矩是指在规定的驱动条件下， 能够不失步地作用在以给定的脉冲频率驱动的步 进电机转轴上的最大负载转矩。如图2 . 2 所示，图中给出了不同负载下的最高工作频 率。 刃.翻 t ( 场的 2465 图2 . 2 步进电 机最高运行频率 图2 . 2 所示是8 6 n b y g 型混合式步进电 机的失步转矩与最高连续运行频率曲线( 即 运行的矩频曲 线) 。从图中可以看出，在低频段失步转矩达到最大。而在高频段，失 步转矩是随着驱动脉冲频率的上升而下降的，它限制了步进电机的最高连续运行频 率。在高频段最高失步转矩随驱动脉冲频率的上升而下降的原因主要有两个。第一， 在步进频率很高的情况下， 每相激磁时间很短， 相电流的建立时间是激磁时间间隔的 主要部分. 在激磁时间结束之前， 相绕组里的电 流也许还未达到它的额定值。 因 相电 流比 较低， 因此， 在各个转子位置产生的电 机转矩都相应减少。 第二， 激磁时间结束 后， 其相电 流衰减所花的时间在高速工作时也很重要， 因为此相电 流继续流动期间 会 在对应的转子位置处产生负的相转矩。 由 于这两个基本原因， 失步转矩随步进频率增 加而下降，因而限制了 步进电机的最高运行速度。 升一 降频过程对步进电机运行速度的影响。影响步进电机运行速度的另一重要因 素是升一降频过程， 这与步进电机的启停频率有关。 所谓启动频率就是， 从静止开始， 电 机能响应不失步的最高步进频率与此类似， 停止频率是系统控制信号突然关断， 而 电机不冲过目 标位置的最高步进频率。对于任何电 机一 负载组合来讲，启动频率和停 止频率之间的差别都很小。由于步进电机系统的启动频率比它的最高运行频率低得 多，因此， 为了减少定位时间， 常常通过加速使电机在接近最高的速度运行。 随着目 标位置的逼近， 为使电 机平稳地停下来， 重新使步进频率逐渐降低到启停频率。 因此， 电机从初始位置往目 标位置运动的整个过程中， 都需要有一个加速一恒速一减速一停 止的过程. 对于非常短的距离， 电机的加减速过程没有实际意义， 只要按启动频率运 行即可;在距离稍长时，电 机可能只有加减速过程而没有恒速过程; 对于中等或较长 南京理工大学硕士论文内嵌压力深全自动便挤式压力校验仪的研究 的距离，电机加速后必须有一个恒速过程。 为了 提高步进电 机的运行速度， 就必须使 加减速过程最短，并使恒速时的速度最高。 在实际的步进电 机控制系统中， 限制步进电 机运行速度的常常是不合理的升降 速 曲 线。 例如， 在某些步进电 机控制系统中， 先通过依据程序的定时器来 产生一个可变 频率的脉冲序列。 为了能使这一脉冲序列从启动频率上升到最高频率， 先给定时器设 置一个较大的时间 常数( 它相应于启动频率) ， 然后根据在产生若干脉冲以后， 增加改 变定时器初值来增加脉冲频率值， 直到达到最高频率为止。 在这种情况下， 将会使驱 动脉冲的变化的加 速度度越来越大， 从而产生加速度越来越大的 加速方式。 另外一种 就是使驱动脉冲的频 率随着时间的延续成线性的增加， 从而使加速度成均匀变换的方 式增加。 驱动脉冲频率变化的加速度， 在步进电 机不失步的条件下， 和步进电机转子的角 加速度成正比的。 但是这个角加速度又是依赖于电 机的转矩的， 随着转子转速的提高， 其电 机的转矩将会减小， 但是在控制过程中是将转子的 加速度不断增加或者恒定的这 样就会使电机在低频 段就会产生失步。 因此就要寻找一种理想的电机的 启动的控制方 法， 使其能够在启动的时候不会产生失步的现象。 电机的实际输出转矩是电机的转矩 与电机的摩擦转矩tf之差。由旋转物体的动力学方程得: t 二 ， 迎+tf 心 ( 2 . 1 ) 式中t 表示电 机的转矩: t f 一一表示电 机的摩擦转矩; j 表示物体的转动惯量; 迎一表 示 物 体 的 角 加 速 度 。 公名 由图 2 . 2 可知， 步 进电 机在低频段的转矩是不变的， 在频率达到一定时，输出转 矩随驱动转矩下降，由 上列公式得其角加速度也应该下降。因 此电 机在启动的时候， 启动的频率应在其最大的负载之内， 然后进行加速度逐渐减小的进行加速直到电机达 到最高频率。 而电 机的减速应和启动的时候相反， 角加速度逐渐减小。 从而推出如图 2 . 3 所示的曲线图。 南京理工大学硕士论文内嵌压力镶全自 动便拐式压力校脸仪的研究 颇率 最高颇率 启动频率 0 /一 一 、 加 速 恒 速 减 速 时间 图2 . 3 步进电 机速度曲 线图 图2 . 3 表示出了步进电机从静止加速的整个过程。为了满足造压的需求，在电 机 的选择上其最大驱动转矩要能够满足负载需要。 在电 机的起动方面， 要使电 机在其低 频段进行起动， 此时转矩大， 在加速的时候使频率的增加量逐渐减小的方式加速， 这 样就可以避免在启动时候在低频段产生失步的现象。 2 . 3 标准压力控制方法的 研究 对于压力 表自 动校验系统来说， 产生高精度、 稳定的定点压力是整个压力表自 动检定系统的 关 键。 而硬件条件一定的 情况下， 主要是采用什么样的 控制方法。 在 检定系统中 标 准压力控制的难点在于， 兼顾压力产生的 精度和速度的同时要满足压 力校验过程的特殊要求。 2 . 3 . 1 压力发生 过程控制的 特点 传压介质的 粘性对压力的影响e 粘性 液体 在外力作用下流动时， 液体分子间的内 聚力阻碍其分子间的相对运动 而产生一种内 摩擦力， 这种现象叫做液体的粘性。 液体的粘性与压力、 温度有关。 当 压力增加时， 液体分子之间 距离缩小， 内 聚力增大， 粘度也增大。 各种液体的粘度随 着温度升高而降 低。 每种液体有自 身的 粘度随温度变化的 特性， 即是粘温特性。 由 于 传压介质具有 粘性， 在造压过程中介质的 流动会受到阻力， 势必会产生能童损失， 从 而导致压力损失、 油液发热。 压力损失的大小除与介质的压力、 温度有关外， 还与造 压系统的机械结构、 传压介质的流动状态有关， 很难精确计算。 空气对压力的影响 液体所受压力 增加时体积变小的 性质叫做液体的可压缩性， 其大小用压缩率夕 或 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便挤式压力校验仪的研究 体积弹性模量e 表示。压缩率定义为单位压力变化时液体体积的相对变化量。 刀= 叽一 犷 _ 幽 1 yo 仇一 p) 咖 气 ( 2 . 2 ) 式中v 压力为尸时的液体体积; 凡 压力为几 时的 液体体积; 咖 压力变化量; 咖体积变化量; 刀 液体的 压缩率。 ( 2 . 3 ) 1-夕 - 口 式中e 液体体积的弹性模量。 一般的 情况下液压油e 的 平均 值约为 (1. 2 2) xl03 mpa 。但当 液压油中混入气 体之后， 其值将会明显减小。 这是因为当液压油中混入气体之后，由 于气体的分子之 间的间 距很大， 其压缩率很大， 从而使其e 值减小。 这样就会使液压系统在稳定的阶 段由于其稳定性差，从而出现有波动现象。 温度对压力的影响 在密闭的液压系统中， 温度变化对系统内 压力的影响 很大。 例如， 对于一个典型 的液压系统，当 温度升高时，由 于液压油膨胀而产生的压力变化+1. 3 mpa/k ，由 于金 属材料膨胀而引起的压力变化可达一 6 0kp a / k 。 在密闭液压系统中引起温度变化的原因 主要有以 下三个方面: 电 机运行过程中发热，电 源产生热量，以 及液压油受压缩或膨 胀过程中吸收或释放能童， 从而产生 温度的变换。 对于一个密闭的液压系统， 在没有 温度控制的室内24小时内 产生的压力变化可达5 淤a 的数级。 然而对于压力表检定系统 来说， 最直接的影响来自 第三个因 素， 即 压力到达设定点过程中， 液压油快速地膨胀 或压缩而产生的温度变化。 当 液体受到压缩时， 作用在液体上的功导致液体温度升高， 从而引 起压力增大; 反之， 当液体膨胀时压力减小。由于液体压缩或膨胀引 起温度变 化而产生的压力变化夕 与液体的 性质及液体受压缩或膨胀前后的压力值有关。其关 系如下: 夕二尤 (p 1 一 p z 加 + p z )( 2 . 4 ) 式中月 初始压力; p z 终止压力; k与液体性质有关的常数。 在整个造压过程中， 由 温度变化引起的压力变化是非线性的， 它会随着造压区间 l 3 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便携式压力校验仪的 研究 的不同而不同。 在升 压的 过程中， 它会随着压力的增大而使温度的提高， 而到达稳定 点之后由 于没有压缩了， 而使温度逐渐降低。 因此这温度的变换对压力的影响是一种 无规律的，难以确定。 电动执行机构对压力的影响 在正常的条件下，开环控制的步进电 机其控制系统受其自 身的一些缺陷的限制。 其限制主要由以下: 1) 由于步进电 机的 控制系统中 含有齿轮， 丝杆等传动机构， 它们之间含有间隙，因 此他们在驱动脉冲的作用下，其前进的距离与驱动脉冲的数目 具有非线性。 2) 由于步进电 机在长时间的 运转之后由于各传动机构的摩擦， 使其产生在位移上的 误差也是非线性的。 3) 对于步进电 机的 本身来说，由于在制造工艺方面的原因， 其步距角不能完全的相 同。 4 由于步进电机的 控制中的各传动部件有可能会有刚性不足的现象， 因此在前进的 过程中会出现弹性形变或者塑性形变， 从而造成在脉冲的作用前进的位移和理想 的有差距，而且其差距还是非线性的。 由此可见， 在步进电 机的开环控制系统中， 其控制的精确度受到很多因素的影响。 而且这些影响因素相互叠加在一起， 使其产生的误差具有不确定性， 和驱动脉冲之间 的关系也表现成无规律性。 通过对压力发生过程控制的特点进行的分析可以 看出， 控制系统的控制参量即电 机的驱动脉冲与控制系统的 输出量即压力的变化量出现了 完全的非线性和无规律性。 对于传统的精确控制法来说， 因为找不出其控制系统的数学模型， 因此不能用传统的 精确控制法来解决。因此这里要寻找一种能够受这些干扰因素影响很小的控制方法。 2 . 3 . 2 基于pid 控制的 标准压力控制方法 在工程实际中， 应用最为广泛的调节器控制规律为比 例、积分、微分控制，简 称p id控制， 又称pid 调节。 p id控制器问 世至今已 有 近70年历史， 它以其结构简 单、稳定性好、 工作可靠、 调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象 的结构和参数不能 完全掌握， 或得不到精确的数学模型时， 控制理论的 其它技术 难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应p 功 控制技术最为方便. 即当我们不完全了解一个系统和被控对象， 或不能通过有效的 测量手段来获得系统参 数时， 最适合用p 功控制技术。 p id控制， 实际中也有pl和 pd 控制。 p 功 控制器就是根据系统的误差，利用比 例、 积分、微分计算出控制量 进行控制的。 南京理工大学硕士论文内嵌压力源全自 动便挽式压力校验仪的研究 比例 ( p )控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关 系。 当 仅有比 例 控 制时 系统输出 存 在稳态 误差 (st ea由 一 statee rror) 。 积分 ( 1) 控制 在积分控制中 ， 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系. 对一个自 动 控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差， 则称这个控制系统是有稳态误差的或 简称有差系统 ( s y s t e m， i t hs t e a d y 一 s t a t ee r r o r ) .为t消除稳态误差， 在控制 器中必须引入 “ 积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积 分项会增大。 这样， 即便误差很小， 积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控 制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例十 积分( pl) 控制 器，可以 使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分 ( d) 控制 在微分控制中 ， 控制器的输出与输入误差 信号的微分 ( 即误差的 变化率) 成正 比关系。自 动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因 是由 于存在有较大 惯性组件 ( 环节) 或有滞后组件， 具有抑制误差的作用， 其变 化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前” ，即在 误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “ 比 例” 项往往是不够的， 比 例项的作用仅是放大误差的幅值， 而目 前需要增加的是“ 微 分项” ， 它能预测误差变化的趋势， 这样， 具有比 例+ 微分的控制器，就能 够提前 使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值， 从而避免了被控量的严重超调。所以 对有较大惯性或滞后的被控对象，比 例十 微分( p d)控制器能改善系统在调节过程中 的动态特性。 比例十 积分十 微分 (pi d) 控制 比 例加积分加微分规律 ( 或称p id控制规律) 是一种由比例、积分、微分基本 控制规律组合的复合规律。 这种组合有3 个单独的控制规律各自 得优点. 控制系统 串入比 例加积分加微分控制后，由于引入了 一个位于坐标原点的极点， 可使系统无 差度增加，同时，由 于引入了两负实数零点，与 pl 控制器相比，除保持了提高系 统稳定性的优点之外， 在提高系统动态特性的方面具有更大的优越性，因此这种控 制器在 控