（机械电子工程专业论文）制动软管爆裂试验台控制技术的研究开发.pdf

摘要 本课题是在现有的汽车制动软管爆裂试验台的基础上，采用计算机技术对其 控制系统进行改进。 改造前的试验台检测时，操作者通过边观察显示仪表上的读数，边用手调节 加载阀，对试件进行加压。这种操作精度很低，并且检测时，因加载阀的压差较 大，且手动操作不稳定，使得加压速度很不稳定，容易引起压力陡升，造成检测 的失败。本课题采用手动阀与步进电机相结合的方式，把加载阀改造为数字阀。 改造后的数字阀用p l c 来控制，通过控制阀的开口量，从而控制加压速度。为了 解决步进电机的扭矩不够大和步距角太大的问题，在手动阀与步进电机之间连接 一个减速器。并利用步进电机的驱动器的细分功能，进一步细分步进电机的步距 角，使数字阀理论上每脉冲转动角度变得非常小，以提高系统的控制能力。 在控制策略上，采用模糊控制，模拟人的操作过程。控制规则根据操作经验 来确定。先离线计算出模糊控制查询表，然后利用间接地址查表的方法，在西门 子s 7 2 0 0p l c 上编程实现模糊控制算法。 本课题采用p l c 作为下位机，实现控制系统的控制功能。p c 机作为上位机， 存储和查看检测结果和相关数据。用w i n c c 作为组态软件，编写上位机的监控画 面用v b 编写软件，处理数据库中压缩的历史归档数据。 实例和数据证明试验台控制系统的改进基本上达到了预期的目标。 关键词：数字阀；p l c ：模糊控制；加压速度；归档数据 ：耋三些奎兰三：譬圭：竺兰三 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti m p r o v e sc o n t r o ls y s t e mo ft e s tb e n c ht h a ti su s e dt o t e s tb u r s t p r o p e r t yb r a k eh o s eo fa u t o m o b i l e b e f o r et h et e s tb e n c hh a s h tb e e ni m p r o v e d ，o p e r a t o ra d dp r e s s u r et ob r a k eh o s e b yh a n d i n gr e g u l a t ep r e s s u r e b i a s e dv a l v ea c c o r d i n gt ot h ed i s p l a yo fi n s t r u m e n t t h e a c c u r a c yo ft e s ti sv e r yl o w b e c a u s et h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eo fp r e s s u r e - b i a s e dv a l v e i sv e r yh i g hi nt h et e s ta n dt h eu n s t e a d i n e s so fh a n do p e r a t i o n ，t h ep r e s s i n gs p e e do f b r a k eh o s ei su n e q u a b l e ，a n dt h ep r e s s u r ew i l lt e n dt oa p p e a rs t e e pa s c e n t ，w h i c hm a k e t e s tf a i l u r e 1 1 h i ss u b j e c ti m p r o v ep r e s s u r e - b i a s e dv a l v et o d i g i t a lv a l v ew h i c hi s a s s o c i a t e db yt h r o t t l ea n ds t e pm o t o r t 1 l ed i g i t a lv a l v ei sc o n t r o l l e db yp l c t h e p r e s s u r es p e e di sc o n t r o l l e db ya u t o - r e g u l a t ev a l v eo p e n i n gs i z e i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mt h a tt o r q u eo fs t e pm o t o ri st o os m a l la n dt h es t e p p i n ga n g l eo fs t e pm o t o ri s t o ob i g , g e a r b o xi su s e dt oa s s o c i a t es t e pm o t o ra n dv a l v e t h es t e p p i n ga n g l ei s f u r t h e rs u b d i v i d e db yu s et h ef u n c t i o no fs t e pm o t o rd r i v e r ss u b & v i s i o n ，w h i c hm a k e t h ea n g l eo fe v e r yp u l s ev e r ys m a l li nt h e o r y ，w h i c hi m p r o v et h ea c c u r a c yo fc o n t r o l s y s t e m f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt os i m u l a t em a no p e r a t ep r o c e s s c o n t r o lr u l e sa r e d e t e r m i n e db yo p e r a t i o n a le x p e r i e n c e f i r s t l y ，t h eq u e r yt a b l eo ft e s tb e n c hf u z z y c o n t r o lq u a n t i t yi sc a l c u l a t e db yo f f - l i n e t h e n ，f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi sr e a l i z e di n p l c p r o g r a mb yu s el o o k u pt a b l eo f i n d i r e c ta d d r e s s c o n t r o lf u n c t i o no ft e s tb e n c hi sr e a l i z e db ys l a v ec o m p u t e r - - p l c t h eh o s t c o m p u t e ri sp c ，w h i c hs a v ea n dv i e wt e s tr e s u l ta n dd a t a t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i n t e r f a c ei nh o s tc o m p u t e ri se s t a b l i s h e db yw i n c c t h ei n t e r f a c ew r i t t e nb yv bi s u s e dt om a n a g ec o m p r e s s e da r c h i v e dd a t ai nd a t a b a s e f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t ，t h ei m p r o v e m e n to ft e s tb e n c hc o n t r o ls y s t e m i ss u c c e s s f u lb a s i c a l l y ， k e y w o r d ：d i g i t a lv a l v e - p l c ：f u z z yc o n t r o l ；p r e s s u r es p e e d ；a r c h i v e dd a t a i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师繇茗砍 论文作者签字：际咚 2 0 0 7 年0 4 月2 6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 随着我国汽车工业的快速发展，人们对汽车的安全性的要求尤其是预防事故 发生的要求愈加严格。制动软管是汽车制动系统的重要部件之一，在制动系统中 主要用于介质的传递和存储供汽车制动器加力的液压或气压的柔性输送导管”。 所以它的质量的好坏会直接影响到车辆行驶的安全性和可靠性假设一辆高速行 驶的汽车，当发现前面有紧急情况而采取制动时制动软管突然爆裂，使汽车无法 制动，后果非常严重。 国家强制性标准g b1 6 8 9 7 1 9 9 7 ( 制动软管) 规赳2 1 ，在液压试验时，软管总成 的每条样品必须在2 7 6 m p a 压力作用下，保持2 m i n ，软管总成不得损坏软管总 成的最低爆裂压力为3 4 5 m p a 。以上的加压速率为1 0 3 m p a m i n 。试验时，制动软 管内的介质是水。 广州机械科学研究院的汽车零部件检测中心，有一台汽车制动软管爆裂试验 台，系统原理图见图1 1 。控制系统改进前，此试验台通过手动对一系列截止阀的 操作及观察传感器的数值，完成对制动软管的测试。 围1 1 试验台系统原理围 f i g 1 1t b s tb e n c hs y s t e mp r i n c i p l ed r a w i n g 简化后的原理图见图1 2 ，加载阀k 2 的右边部分，是高压部分，压力最高可 以调至i o o m p a 。k 2 的左边部分，是低压部分，是试验软管所在部分，工作时， 广东工业大学工学硕士学位论文 此部分是封闭的。试验台工作时，通过调节加载阀k 2 ，使右边高压部分的压力， 向左边传递，对试验的制动软管加压，达到标准规定的要求。在这个过程中，系 统是密闭的，流过k 2 的流量非常小，只是左边部分水的压缩。所以手动调节时， 很难按标准的要求，对制动软管进行加压。当加载阀两端压差很大时，就会形成 低压端的压力陡升，造成试验结果不准确，因此考虑采用自动控制系统来完成加 载。 田1 - 2 试验台系统廉理简化围 f i g t 2t e s tb e n c hs y s t e mp r i n c i p l es i m p l i f i e dd r a w i n g 1 2 本课题国内外研究及应用现状 类似的设备，国内外也有不少。在文献【3 1 中提到钢瓶水压爆破装置，钢瓶的 测试压力高于5 1 m ) a 。但此设备还是无法自动控制，加压速率无法保证。在文献 【4 】提到的管材内压闭端爆破测试系统，其测试压力可以达到1 5 0 m p a ，加压速率 也能控制。但其使用介质为油液，采用电液伺服阀来控制加压速度，且用自行设 计的增压缸来获取高压。用这种方式获得高压的例子较多，如文献【5 】提到的 2 0 0 m p a 液压导管爆破试验台，就采用2 级增压缸实现2 0 0 m p a 的高压。在文献【p 9 】 中都提到了增压缸增压方式。但这是在介质为油的基础上应用的。据作者所知， 目前还没有完全可用于高压水( 2 5 m p a 以上) 的增压缸及电液伺服阀或电液比例阀。 在文献【1 0 1 中提到的微机控制的塑料管材压力试验机的设计中，提出了另一种方 式，采用两个系统，一个是用油作介质，另个用水作介质。两个系统通过增压 缸，输入低压油，输出可以是高压的水。这样的系统比较复杂。文献【l l 】中提到在 第一章绪论 超高压压力控制及开关液压系统中，用低压回路的电液比例阀与高压回路的液控 超高压压力控制阀组合来实现低压回路控制高压回路，从而控制试件的压力与加 压速率。这种方式，需要两个泵。 美国的s c 、h a s k e l 及德国h a v e 公司制造的气动液体增压泵，利用气体， 来控制液体的输出压力。在国内，已经有厂家应用这种泵做成类似的设备1 2 】【1 3 1 使用气动液体增压泵，需要气源。文献 1 4 1 6 1 d 0 提到了数字微小流量阀，利用步 进电机作为电一机械转换元件，可直接通过数字方式控制。通过控制步进电机， 可以控制阀的开口量，从而控制系统的流量。这类的阀，是非标件，需要自行设 计水压元件近几年发展很快m 1 9 1 ，但如本课题的情况：流量非常的小，超高压 并且介质为水，据作者所知，还没有这类阀应用的例子。 1 3 液压数字阀的发展及现状 根据控制方式的不同，电液数字阀主要分为增量式数字阀和快速开关式数字 阀( 又称脉宽调制式数字阀) 。增量式数字阀是指以步进电机作为机、电转换元件的 数字阀，对它的研究、开发和应用发展较快啪，国外已有系列化产品，而对开关 式数字阀尚处于研究阶段。 电液数字阀的历史并不长，但发展较快。国外自上世纪7 0 年代后期开始研制， 以日本较为领先【2 l l 。8 0 年代初日本开始推出系列产品，如1 9 8 2 年前后日本东京 计器公司推出了直动数字式压力阀、数字式流量阀及数字式方向流量阀1 2 2 1 1 2 3 1 ，并 在机床、成形机械、试验机、工程机械、汽车、冶金机械等工业控制中得到广泛 应用。2 0 世纪9 0 年代中后期，日本已经开发出规格齐全，性能稳定的增量式数 字产品【2 。另外，德国、美国、加拿大等国在不同时期也相继有不同的产品问世。 上世纪8 0 年代中后期，国内的许多大专院校及研究所如：浙江大学、重庆大学、 上海大学、哈尔滨工业大学等也相继开展了电液数字阀的研究f 2 4 1 。如：浙江大学 研制了由全盘式电磁铁与锥阀维合而成的快速开关式数字阀口”。上海大学对步进 式数字溢流阀及基于二进制原理的气动数字流量阀进行了研究【2 6 j l ”。九十年代后 期，浙江工业大学有关于2 d 电液数字换向阀的实验报告，并开发出了步进电机 连续跟踪控制算法，实验表明该阀具有良好的控制特性瞄l 。在国内，增量式数字 阀虽然尚未形成系列产品，但已在小范围内有应用1 1 6 1 1 2 9 1 。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 4 课题所做的主要工作 l 、首先对系统进行分析，确定可行的改造方案。计算相关参数，以确定改造 所要使用的元件。现用的加载阀由手动阀改造为数字阀。 2 、建立模糊控制算法，并用p l c 编程实现。 3 、改进后的控制系统用眦编程实现。 4 、编写上位机用的监控画面，实现上位机和下位机之间的通讯。用s q l s e r v e r 数据库存储检测结果和相关数据，并用v b 编写程序，查看和导出数据 库中压缩的历史归档数据。 改进后的试验台能自动完成制动软管的爆裂强度的检测，有很大的实用价值。 对于高压水介质，阀两端压差很大，小流量的情况下，如何控制压力的传递速度， 进行了探索，为类似问题的解决提供了一定的借鉴作用。 第二章试验台控制系统设计 第二章试验台控制系统设计 本章的主要工作是：分析试件端压力上升时，介质的压缩性，加压速度的变 化情况；寻找系统改进的关键点，确定系统改进的整体方案；确定关键性元件加 载阀，确定基于p l c 的核心控制，明确控制精度。 2 1 系统分析 液体具有可压缩性，即液体受压后会缩小其体积，整个控制系统的设计是基 于这一点的。试件端在检测时，是密封的。即加载阀左端是密闭的。高压端的压 力，通过加载阀，向试件传递，即加压过程，是试件端介质，即水的压缩过程。 所以首先分析试件端的压缩性。 液体可压缩性的大小是用体积压缩系数，来表示的，其定义为：液体体积在单 位压力变化下的相对变化量， 肛石i 等 ( 21 ) 其中：口体积压缩系数，在5 0 m p a 内，水的压缩率为o 4 2 0 x 1 0 9 i n 2 n a 矿液体受压力作用后体积的变化值 印液体压力的变化值 矿液体的初始体积 压力增大时，液体体积减小，反之则增大为了使，成为正值，故在上式的右面 加上了一个负号。 考虑到水中可能混有空气，以及随着压力的升高，钢管和制动软管也要发生 体积膨胀，液压系统工作时，真正起作用的并非是工作介质体积压缩系数的物理 值。这就使得在考虑试件端介质的可压缩性时要全面考虑，即要考虑水本身的可 压缩性、混合在水中的空气的可压缩性、制动软管以及钢管的容积变形，才能真 正说明实际的情况。在此引入有效体积压缩系数口概念，即在内含气体和给定容 器弹性条件下实际表现的体积压缩系数例。 为方便说明，以图2 1 近似来表示本试验台试件端液体压缩过程，来计算有 效体积压缩系数。 广东工业大学工学硕士学位论文 0 l 舟l 压螬曹 西) 卉重压簟岳 f i g 2 - 1e f f e c t i v ev o l u m ec o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n tc a l c u l a t es i m p l i f i e dd r a w i n g 把盛放在封闭容器中、压力为p 的水的体积陈形象地划分为液体所占体积h 和两部分，即= 即( 图2 - l a ) 。当液压油的压力由p 增加到p + 4 p 时，其 总体积由吒变为吒一a ( 缩小了4 ) ，这时液体体积缩小4 巧，气体体积缩小 了4 ，而容器体积则增大了4 ，制动软管的膨胀4 ，为此有一4 = 4 + 4 珞一k 一( 图2 - l b ) 。根据定义，液压油的有效体积压缩系数夕可由式【2 ，2 ) 求得为 肛等 ( 2 2 ) 或 胪一毒等= 告+ 告+ 琶( 一矧+ 针告 ， k pk a pk pk i 巧pjki 圪a pj 、 由此得 声= 磊+ 磊+ 鲁多十熹魄一p ) ( 2 4 ) 式中 夕厂封闭容器的体积模量，展= 圪凹。在一般液压系统中，容器的 变形主要来自管道，本课题中，主要为钢管。 ，r 匍l 动软管的体积模量，展= 咯，a p 6 第二章试验台控制系统设计 ，r 空气的体积模量，乓= 一名，k a p 由于动态过程时间很短，计算 中，可以认为空气的压缩过程是绝热过程，取, s g = l 1 4p 7 1 0 6 n m 2 ( p 在这 里即为空气的压力1 。 由上可知，值是小于，一，c ，或吒， 名( 岛一明中任何一项的。由于 p g ，钢质油管的，。值在0 2 9 x 1 0 1 0 o 6 x 1 0 。1 0 n m 2 之间，约为，值的l ，7 1 1 4 。在标准g b1 6 8 9 7 1 9 9 7 中，给出了直径为3 2 m m 的制动软管的最大膨胀量： 压力6 9 m p a ，正常膨胀的软管为2 1 7 m l m ，低膨胀的软管为1 0 8 m l m 。其转换为 体积弹性模量的公式为 肛e ，降刁 仁s ， 把p = 6 9 m p a ，d = 3 2 m m ，e = 2 1 7 或1 0 8 m l m 单位换算后代入，得制动软管 的体积弹性模量约为3 9 x1 0 。s n m 2 或2 x1 0 。8 n m 2 。因此液压油的有效体积压缩 系数不可能小于k 岛：在不计管壁弹性的情况下，即设，r = o 时，式( 2 4 ) 可简化成 2 屈+ p + 昔乓 ( 2 6 ) 在计及管壁的弹性，特别是在使用硬橡胶管或尼龙软管时，必须将式( 2 4 ) 简 化成 矿 p k 自c 艮+ p 七甍p s 一般高压软管的，。值是，值的4 2 0 。 当管中没有气泡时，式( 2 ，4 ) 可写成 9 t = 9 t + 黟r + 根据上面的推导可知，本文所研究的试验台， 系数 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其试件端介质的有效体积压缩 8 t = 9 r + 9 所以试件端介质压缩性公式等效为 a v = y 心 试验台的加载阀为可调节流阀，节流阀的流量公式： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 q = c a 日一p( 2 1 1 ) 其中：c 一节流阀相关系数，与阀的开口形状、液体粘度等因素有关； 彳节流阀开面积； p 厂一节流阀高压端压力； p 节流阀低压端压力 在本文中，阀和介质已经确定的情况下，c 是个常数。见图1 2 ，试件检测时， 先对高压蓄能器加压，压力达到设定的值( 4 0 m p a ) 后，泵就停止工作，检测过程中， 由其作为压力源，向试件提供压力。因高压蓄能器的体积远大于试件回路的体积， 因此为了分析方便，在不考虑泄漏的情况下，假定它是一个恒压源，压力恒为n 而： a v = q a ，( 2 1 2 ) 或 d v = q 出( 2 t 3 ) 在分析时，不妨设a ，即阀的开口量是固定，阀的右端羁为恒压源的情况下， 由公式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) ，可得左端p 的变化函数： p ：一t k 2 a 2 t 2 + 尉厨 ( 2 1 4 ) 4 其中；置2 谤云y 即初始试件端体积 假如，。为常数的话，由公式( 2 1 4 ) 可见，p 的变化是呈开i = 1 向下的抛物线， 起始点为0 ，最高点即为p j 。e p 羁l ! 开始时压力上升较快，然后上升速度变缓，如 不计阀的压差，直到与右端压力值相等为止。 试验台使用的液压钢管的内径是2 8 r a m ，加载阀左边的试件端的钢管约有 o 5 m ，制动软管的内径为3 2 r a m ，长为o 5 m 时，则初始体积 y ：丝l + 丝厶 ：rc(2810-3)2o5+一石(32x10-3)2,o5 ( 2 1 5 ) 44 = 7 x l o 。6 珊3 = 7 m l z j p = - 3 4 5m p a ，。= 3 9 x 1 0 一n m 2 ，代入公式( 2 1 0 ) 得a v e - 9 4 m l 因为初始体积v 很小，检测时，流过加载阀的流量也很小，所以压力上升的 s 第二章试验台控制系统设计 抛物线是很陡的，很容易造成压力陡升或陡降，形成失控。 在液压系统的工作压力范围内，特别在1 0 m p a 以下的工况下，即使在钢管管 道内，工作液体的有效体积压缩系数受压力变化的影响也不可忽略。压力大子 1 0 m p a 后，有效体积压缩系数趋于平缓，可近似取作常数【3 们。有效体积压缩系数 是变化的，可见，它是造成试验台控制系统非线性的一个因素 2 2 改进方案 由以上分析可知，加载阀对试验台检测能力的影响是最大的。此系统的加载 阀如果能用定差减压型调速阀，就会使加压速度上升的比较平稳。调速阀公式如 下： a p = b 一马= b a( 2 1 6 ) 式中艮一弹簧预压缩力 a 减压阀芯截面积 由式( 2 1 6 ) 可以看到，a p 与彳成反比的关系，而加压速度= a p a t ，所以只要调 节彳，就可以调节加压速度了。如果采用比例调速阀或数字调速阀，控制彳是很 容易的。 因掌握的资料有限，没有找到适用于本课题：介质为水，压力达到3 5 m p a 以 上，流量很小的调速阀。 但由式( 2 1 4 ) 可知，采用调节彳，是可以控制p 的变化的。实际上，手动操作， 有时是可以完成检测的。因此，采用对可调节流阀进行改造，变为数字阀的方案。 可调节流阀与步进电机相组合，就成了很容易控制的数字阀。控制步进电机 有很多种方式，如p c 机控制，单片机控制，p l c 控制等。改造后的试验台系统 原理简图如图2 - 2 所示。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 围2 - 2 改造后的试验台系统原理简田 f i g ，2 - 2t e s tb e n c hs y s t e mp r i n c i p l ei m p r o v e m e n ts i m p l i f i e dd r a w i n g 总体方案如图2 - 3 ，整个控制系统由上位机和下位机组成，上位机为普通p c ， 主要用于监控系统运行情况，数据处理，数据管理，结果打印等工作上位机还 可更改检测参数，如加压速度，保压时间，保压压力等，并在试验过程中实时显 示加压速度曲线和压力。下位机的核心为p l c ，实现对数字阀的控制，完成检测 过程。检测时，通过控制步进电机的转动。来控制加载阀的开口量。通过a d 转 换，高压传感器的信号，不断的输入p l c p l c 经过采样，计算，可以得到加压 速率。通过比较，可以算出加压速率有没有达到要求。然后通过p l c 调整步进电 机，改变加载阀的开口量，使加压速率在所要求的范围内，完成一个控制循环， 闭环控制回路见图2 - 4 。图2 5 为试验台程序流程简图。 圈2 - 3 总体方寨 f i g 2 3b a s i cs c h e m e l o 第二章试验台控制系统设计 图2 4 试验台闭环控制回路简图 f i g 2 - 4t e s tb e n c hc l o s e d d o o pc o n t r o ls i m p l i f i e dd r a w i n g 圈2 - 5 试验台程序流程衙图 f i g 2 - 5t e s tb e n c hp r o g r a mf l o ws i m p l i f i e dc h a r t 2 。3 加载阀的改进 本课题中，加载阀是最关键的元件。加载阀改进为数字阀，步进电机的选择 则是数字阀最关键的步骤。所以本节首先介绍了步进电机的特点及重要参数，这 是选择适合本课题的步进电机的依据。最后给出改进后的加载阀的结构说明。 2 3 1 步进电机特点 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角 位移( 或线位移) 的电磁机械转换装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式 数字元件p 1 】【3 2 l 。它可以被看作是一种特殊运行方式同步电动机。 广东工业大学工学硕士学位论文 步进电机具有快速启动和停止的能力，当负荷不超过步进电机所能提供的动 态转矩值时，它就可能在一瞬间实现宿动和停转。它的步距角和转速不受电压波 动和负载变化的影响，也不受环境条件如：温度、气压、冲击和振动等影响，仅与 脉冲频率有关，它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误 差不会长期累积。这些特点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件， 并使整个系统大为简化而又运行可靠。当采用了速度和位置检测装置后，它也可 以用于闭环系统中。错齿是促使步进电机旋转的根本原因【2 4 】。 2 3 2 步进电机的细分 利用一种基于p w m 的多倍细分技术，实现了步进电机输出角位移的连续跟 踪控制，该控制算法被固定在步进电机控制器中在步进电机的控制中，在每次 输入脉冲切换时加果只改变对应绕组中额定电流的一部分，则转子相应的每步转 动也只会是原有步角距的部分，额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以 多少步来完成原有的步距角。因此，通过控制绕组中电流的数值就可以调整电机 步距的大小，也就可以把步距角分成若干细分步数来完成。步进电机细分后的步 距角： 6 8 = 8 n ( 2 i t ) 式中：n 为细分步数；万为步进电机步距角。 第i 周期的输入角位移与第i 1 周期的输入角位移之间的关系可表示为： o ( i r ) 一0 ( i - 1 ) 】：慨x s + n l 6 8 ( 2 1 8 ) 从上式可以看出，步进电机转子两个周期之间的输出角位移可以通过完成肌， 个步距角和m 个细分步数来实现。 利用这个方法，不仅提高了步进电机的输出精度，获得步进电机角位移的连 续输出。而且还不降低步进电机的响应频率p 3 1 。 2 3 3 矩角特性和最大静转矩t j 。 在不改变通电状态及理想空载的情况下，转子在磁场作用下会固定在某一平 衡位置上，如果在电机轴上加一负载转矩，使转子按一定方向偏离平衡位置一个 角度口，转子因而所受的电磁转矩称为静态电磁转矩t ，角度口称为失调角。描 第二章试验台控制系统设计 述静态电磁转矩t 与失调角口之间的关系曲线称为矩角特性，如图2 - 6 所示。矩 角特性上的电磁转矩的最大值称为最大静态电磁转矩乃。它是步进电机的重要 性能指标，此值越大，电机带负载的能力越强，运行的快速性、稳定性也越好。 在静态稳定区内，当转子上外加的负载转矩消失后，转予在电磁转矩的作用下， 沿矩角特性返回稳定平衡点；若转子超出静态稳定区，步进电机就会失步，这是 不允许的p 4 。 瞅丌 、 譬定早靳点币e 室早疰 l 一 t = z l z 守 t ，2j ，| 1 1 静日定早暂匹 l 图2 - 6 矩角特性 f i g 2 - 6t o r q u e - a n g l ec h a r a c t e r i s t i c 2 3 4 数字阀 在选择步进电机前，首先得确定负载的大小。根据手动操作经验得知，在阀 打开时，所需的力矩最大。所以采用图2 7 所示方法，在阀加压5 0 m p a ( 检测时小 于这个压力1 的情况，测定阀打开所需的最大扭矩。 阔 图2 7 扭矩测量示意图 f i g 2 - 7t o r q u em e a s u r e m e n ts c h e m e 广东工业大学工学硕士学位论文 测量5 次，所加重物为：2 2 k g ，2 2 k g ，2 3 k g ，2 1 k g ，2 0 k g ，取平均后为2 1 8 k g 。 则计算扭矩得t = 2 1 8 x 9 8 x o ，2 = 4 2 7 n m 。选择电机时，还需要在这个基础上，乘 以一个安全系数1 2 ，则所需的力矩约为5 2 n m 。 现有两个问题，一是提供这么大力矩的步进电机体积比较大。二是步进电机 步距角一般比较大，如二相混合式步进电机的步距角为1 8 。因为流过加载阀的 流量很小，这么大的步距角显然是不合适的。 本课题采用在步进电机和阀之间加多一个减速器的方法来解决这两个问题。 减速比为的减速器有以下几个功能： l 、速度的降低。 飞= v x n ( 2 1 9 ) 2 、力矩的放大。 毛= 玖n ( 2 2 0 ) 3 、与步进电机相连时，还有变更步距角的作用 氏= 氏n ( 2 2 1 ) 因此，在本课题中，选择步进电机+ 减速器+ 调速阀的方式来组合成数字阀。 相关参数如表2 1 ： 襄2 - 1 数字朗元件参数襄 t a b l e2 - 1d i g i t a lv a l v ee l e m e n tp a r a m e t e rl i s t 步进电机 生产商型号相数步距角保持转矩控制器细分数 雷赛5 7 h s 0 921 8 。0 9 n m2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 减速器 生产商型号 减速比 湖北行星 p l 6 0 - 3l ：3 可谓节流阀 生产商型号内径最高压力 n o v an v l - 2 0 - 4 m2 8 m m1 3 8 n m a 把r = o 9 n m ，n = 8 代入式( 2 ，2 0 ) 可得ta = 7 2 n m 5 2 n m 。 把氏= 1 8 。代入( 2 2 1 ) 可得气- - 4 ) 2 2 5 。，即从硬件上来讲，每一个脉冲，阀 转动0 2 2 5 。步进电机控制器的细分，选择为3 2 ，则由( 2 1 7 ) 褥 a 万= o 2 2 5 3 2 o 0 0 于。p l c 每给步进电机控制器一个脉冲，则阀转动0 0 0 7 。 图2 8 为数字阀组合结构示意图。 1 4 第二章试验台控制系统设计 忡 l l i 图2 - 8 数字阀组台结构示意围 f i g 2 8d i g i t a lv a l v ec o m b i n a t i o ns t r u c t u r a ls c h e m e 对于数字阀的控制，在8 0 年代，用微电脑来控制的例子较多p 川p 6 1 。随着p l c 产品的成熟，由p l c 来控制增量式数字阀，比较容易实现，应用较多p 7 】【3 舢。本 课题中采用p l c 控制的方式。 2 4 基于p l c 的核心控制 2 4 1s 7 ：z o op l c 2 4 1 1s 7 2 0 0 的结构特点 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列是西门子公司生产的小型可编程控制器，可以单机运 行，也可以进行输入输出和功能模块的扩展，它的价格低廉，结构小巧，可靠性 高，运行速度快，有极丰富的指令集具有强大的多种集成功能和实时特性，其性 广东工业大学工学硕士学位论文 能价格比非常高，所以它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控 制领域是较为理想的控制设备 3 9 1 。 s 7 2 0 0pl c 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数 量的输a , 输出( i o ) 点，同时还可以扩展f o 模块和各种功能模块。 一个完整的系统组成如图2 - 9 所示。 图2 - 9s 7 - 2 0 0 系统组成 f i g 2 9s 7 - 2 0 0s y s t e mc o m p o s i t i o n 基本单元：有时又称作c p u 模块，也有的称之为主机或本机它包括c p u ， 存储器、基本输入输出点和电源等，是p l c 的主要部分。实际上它就是一个完整 的控制系统，可以单独完成一定的控制任务 扩展单元：主杌i o 点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要 扩展各种i ，o 模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的i o 点数是由各 种因素共同决定的。 特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。 它们是完成某种特殊控制任务的一些装置。 相关设备：是为充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一 些设备，主要有编程设备、人机操作界而和网络设备等。 工业软件：是为更好管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要 由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。 s 7 2 0 0pl c 的电源电压有d c ( 2 0 4 2 8 8 ) v 和a c ( 8 5 - 2 6 4 ) v 两种，主机上 还集成了2 4 v 直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。它的输出类型有 晶体管( d c ) 、继电器( d c a c ) 两种输出方式。它可以用普通输入端子捕捉比c p u 扫描周期更快的脉冲信号，实现高速计数。2 路最大可达2 0 k h z 的高频脉冲输出， 可用驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改 变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实时更改程序运行中的一些参数，如定时 第二章试验台控制系统设计 器计数器的设定值、过程量的控制参数等。实时时钟可用于对信息加注时间标记， 记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 目前提供的s 7 - 2 0 0 c p u 有c p u 2 2 1 、c p u 2 2 2 、c p u 2 2 4 、c p u 2 2 4 x p 和c p u 2 2 6 1 4 e i 。本课题采用s 7 2 0 0c p u2 2 2 ，其主要性能如表2 2 所示。c p u2 2 2 输出 有两种类型，一种为晶体管，可以输出高速脉冲。另一种为继电器。由于控制步 进电机的需要，本课题选择输出为晶体管。 裹2 - 2 c p u 性能表 t a b l e2 - 2c p up a r a m e t e rl i s t p l c 项目参数 p l c 项目 参数 集成的数字量i o 8 入，6 出 编程软件 s t e p - 7m i c r o w i n 扩展模块数量2 小高速计数器 4 个( 3 0 k h z ) 用户程序区 4 0 9 6 b高速脉冲输出 2 个( 2 0 k h 力 数据存储区 2 0 4 8 b定时中断 2 ( 1 2 5 5 m s ) 数据后备时间5 0 h o u l $外部硬件中断 4 存储器类型 e e p r o m 模拟电位器1 个8 位分辨率 布尔指令执行速度o 2 2 i ts实时时钟 无 标志寄存器( 位) 2 5 6 通讯接口1 个r s - 4 8 5 计数器定时器 2 5 6 ，2 5 6 支持通讯协议p p i ，m p i ，自由口， p 融0 m u s d p 2 4 1 2 $ 7 - 2 0 0 工作原理 s 7 2 0 0p l c 是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理 基础之上，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是c p u 是以分时来 处理各项任务，计算在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是程序顺序依次 完成相应的动作，所以它属于串行工作方式。它与继电器控制系统的并行工作方 式不同。程序的编制要注意先后顺序 概括而言，p l c 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描的工作方式。每一次 扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。c p u 从第一条指令开始，按顺序逐条 地执行用户程序直到程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。p l c 就 广东工业大学工学硕士学位论文 是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 p l c 工作全过程可分为三个部分。 第一部分是上电处理。对系统进行次初始化，包括硬件初始化，i o 模块配 置检查，停电保持范围设定及其它初始化处理等。 第二部分是扫描过程。p l c 上电处理过程结束后进入扫描工作过程。先完成 输入处理，其次完成与其它外设的通讯处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。 当p l c 处于s t o p 方式时，转入执行自诊断检查。当处于r u n 方式时，还要完 成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。p l c 每扫描一次。执行一次自诊断检查，确定p l c 自 身的动作是否正常，如检查出异常，c p u 面板上的l e d 及异常继电器会接通，在 特殊寄存器中会存入出错代码，当出现致命错误时，c p u 被强制为s t o p 方式， 所有的扫描停止。 p l c 正常运行时，扫描周期的长短与c p u 的运行速度，“o 点的情况，用户 程序的大小等有关。通常用p l c 执行i k b 指令所需的时阀来说明其扫描的速度一 般为l 1 0 m s ) 。 一般来说，在一个扫描周期内。c p u 顺序执行如下动作： 输入采样阶段：扫描所有的输入端子，将各输入状态存入相对应的输入映像 寄存器中进入程序执行阶段，输入映像寄存器与外界隔离。 指令执行阶段：p l c 按从左到右，从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中 涉及到输入输出状态时，p l c 就从输入映像寄存器中读入对应输入端子状态，从 元件映像寄存器读出对应元件的当前状态。运算后结果存入元件映像寄存器中 执行自我诊断：c p u 检查整个系统是否正常工作。 输出利新阶段：当所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器 的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。 2 4 2 模拟量扩展模块 生产过程中有许多电压，电流信号，用连续变化的形式表示流量、温度，压 力等工艺参数的大小；这些信号在一定范围内连续变化，如1 0 + 1 0 v 电压，或 者0 4 2 0m a 电流。s 7 2 0 0 提供了专用的模拟量模块来处理模拟量信号。 第二章试验台控制系统设计 模拟量信号通过模拟量模块转换后，用户程序可以通过访问模拟量数据通道 获取相应的数值数据。数值的大小与模拟量的变化对应。 本课题中，传感器输出是模拟量信号，使用的压力传感器是中国航天科技集 团公司第七零一研究所的a k - 2 r s 5 ，压力测量范围为o 1 4 0 m p a 。与压力相连 接的t s 5 智能数显控制仪，用于操作人员观察压力值智能数显控制仪信号输入 端接受传感器的信号，其信号输出端实时输出o 5 v 的模拟信号 选用e m2 3 1 模拟量输入模块，4 通道电流、电压输入e m2 3 la d 转换的 精度是1 2 位，输入为o 5 v 时，其分辨率为1 2 5 m v ，a d 转换的时间 o 的元素u 构成的集合，则称该集合为模糊集f 的支集。当元素“满足_ “) = 0 5 时，称为交叉点。当模糊支集为“中一个单独点，且满足f “) = l 时，则称 此模糊集为模糊单点。 定义3 模糊关系若u ，矿是两个非空模糊集合，则其直积u x v 中的一个 模糊子集r 称为从u 到y 的模糊关系，可表示为 = ，v ) ，缸0 ，v ) ) l 甜u ，v n( 3 4 ) 定义4 语言变量一个语言变量可以定义为多元组( x ，t ( x ) ，u ，g ，m ) 其 中，x 为变量名；t ( x ) 为x 的词集，即语言值名称的集合：u 为论域；g 是产生 语言值名称的语法规则；m 是与各种语言值含义有关的语法规则。语言变量的每 个语言值对应一个定义在论域u 中的模糊数。语言变量基本词集把模糊概念与精 确值联系起来，实现对定性概念的定