（工程力学专业论文）水泥压力试验机的电液比例控制系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 首先，本文简介了当今水泥压力机的各种主要类型，对它们各自的控制 系统作了对比，指出了各自的优缺点。在此基础上，提出了自己的控制系统， 并介绍了系统的各组成部分，其中，重点讨论了比例放大器。接着，本文着 重讨论了数字p i d 控制器及其参数整定。随后，本文给出了系统的软件设计， 包括虚拟仪器、开发平台、串行通信以及主要的程序流程图。接着，本文讨 论了系统的硬件设计，并对主要的电路元器件作了说明。最后，本文对系统 作了理论分析，推出了系统的传递函数。 本文所论述的系统开发完成后，做了大量的试验，并通过了湖北省计量 测试技术研究院的鉴定，现在已被多家用户使用。使用情况表明：本系统能 够很好地实现恒应力加载，具有结构简单、使用方便、控制精确、成本低廉 等优点，有很大的实用价值。 【关键词】：水泥压力试i 硫7 电液比锣i 螽孑数字卉何一，l a b w i n d 蕊v 。c v 【 髓秒 压些不标泥术抗这度国水技 的 。精 ，多例 泥用果此许比 水使结因是液 定续验，电就测继试响求用融删麟黻肭黟拥蜊，且，的一r时 验并示大这、题勤 试，显较现问勒 压在盘有实一硒抗存度果何这觚 行量、结如对鼬进大力验。针我 泥机测试载文勘水验锤对如本配排黼嬲驸瓣悯各力、速速题刚对压载载恒问射来泥加加现的孰用水动，实决即要式手时该解笺 主老用验应需i| 机种机试，急r验各验压中个计试，试抗程一陡 力国力做过的， 压我压在验临术泥在泥于试面技水：水由在机机厂f一度式。求力微强老高要压和 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 sf i r et h em e c h a n i s m st h a ta r em a i n l y u s e dt o c a r r y o np h y s i c a lt e s t so nv a r i o u sk i n d so fc e m e n t ，t od e t e r m i n et h e i r c o m p r e s s i o ni n t e n s i t y i no u rc o u n t r y , t h e r ef i r e al a r g ea m o u n to fo l ds t y l et e s t i n g m a c h i n e s ，w h i c hw i l lb es t i l li nu s e i nt h e m ，h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sw i d e l y u s e d ，a n dt e s t e r sc o n t r o lt h ep r e s s u r eb ym a n u a la d j u s t i n gv a l v e s ，m e a s u r et h e p r e s s u r eb yas w i n gh a m m e r , r e a d d a t af r o map l a n e o b v i o u s l y , t h ep r e c i s i o no ft h e t e s t i n gs y s t e mi sv e r y1 0 w a c c o r d i n gt o t h en a t i o n a lt e c h n i q u es t a n d a r d ，i ti s d e m a n d e dt h a tc o n s t a n ts p e e dl o a db e k e p td u r i n gat e s t ，b e c a u s et h el o a ds p e e d h a s s o m ei m p a c to n t e s t i n gr e s u l t s h o w t om e e tt h ed e m a n di sw h a th a v et ob es o l v e d u r g e n t l yi np r o d u c i n gt h ed e v i c e s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ep r o b l e m ，a n dd e s i g n sa c o n t r o l s y s t e m ，w h i c h i s s i m p l e ，a n dh i g he f f i c i e n c y w i t ht h e h e l p o ft h e e l e c t r o h y d r a u l i ct e c h n i q u e a n dt h em i c r o c o m p u t e r t e c h n i q u e f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e sv a r i o u sk i n d so fp r e v a i l i n gc e m e n tc o m p r e s s i o n t e s t i n gm a c h i n e s ，a n dm a k e sa na n a l y s i so nt h e i rc o n t r o ls y s t e m ，a n dp o i n t so u t t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o nt h eb a s eo f t h i s ，i tp r o p o s e sas k e l e t o no f t h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s c r i b e si t sc o m p o n e n t s t h e n ，t h ea t t e n t i o ni s p a i do n d i s c u s s i n gd i g i t a lp i da n dh o wt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r a d d i t i o n a l l y , t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mh a sb e e np r o v i d e di nt h i st h e s i s ，w h i c h i n c l u d e sv i r t u a li n s t r u m e n t s ，d e v e l o p m e n ts t u d i o ，s e r i a l sc o m m u n i c a t i o na n dm a i n p r o g r a m s f l o wc h a r t s a l s o ，t h eh a r d w a r eo ft h e s y s t e m i s d i s c u s s e d ，a n d s p e c i f i c a t i o n sa b o u ts o m ec i r c u i tc o m p o n e n t sc a nb ef o u n dh e r e f i n a l l y , at h e o r y a n a l y s i sh a sb e e nm a d e ，a n dat r a n s f e r r i n gf u n c t i o no ft h es y s t e mh a sb e e nw o r k e d o u t a f t e r d e v e l o p m e n tf i n i s h ，al a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e ，a n d h u b e im e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya c a d e m eh a sg i v e nt h ec e r t i f i c a t i o nt oi t t h e c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i l d l yu s e ds i n c ei t w a sd e s i g n e do u t m a n yi n s t a n c e s 华中科技大学硕士学位论文 i n d i c a t et h a tt h es y s t e mc o u l dl o a dw i t hc o n s t a n ts t r e s se a s i l y i t sp e r f o r m a n c ei s e x c e l l e n tb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n c e ，h i g hp r e c i s i o na n dl o w c o s t i na w o r d ，t h ec o n t r o ls y s t e m h a sg r e a ta c t u a lv a l u e 【k e y w o r d s 】：c 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 e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，d i g i t a lp i d ，l a b w i n d o w s c v i ，c o n s t a n ts t r e s sl o a d 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 题目的来源及意义 水泥使用广泛，在国民经济中占有重要的地位。水泥的力学性能，不仅 影响建筑的结构型式，建筑的质量，而且关系到人民生命财产的安危。由于 劣质水泥而导致的人间悲剧，也时有发生。因而，对水泥的力学性能进行测 试，对水泥的质量进行检测，更显得尤为重要。在水泥的各种力学性能之中， 抗压强度是一个十分重要的参数。对其进行测试，多采用专用的水泥压力试 验机。水泥压力试验机品种繁多，型式各异，各具特色。对现有的各种水泥 压力试验机进行分析、总结，然后简化、改进，推出更合理、更完善、更经 济、更实用的机型，具有很大的现实意义。 我国是水泥生产大国，也是水泥使用大国。截止到1 9 9 9 年底，全国共有 水泥企业8 0 0 0 余家，年产水泥5 亿余t ，约占世界水泥总产量的4 0 f 1 1 。在 这些水泥厂家之中，除极少数厂家从国外引进了较先进的压力试验机外，大 多数都采用手动液压摆锤式试验机。 与国外相比，我国普遍使用的手动液压摆锤式试验机属于5 0 年代水平， 处于落后状态【2 】。手动液压摆锤式试验机在技术上落后主要体现在以下几个 方面【2 】： 1 摆锤测力系统的精度低。 2 加荷速度靠手动控制，人为影响大，难以达到试验要求。 3 试验数据靠目视表盘上的指针，手工记录，难免出错。 4 试验结果靠手工计算，手写试验报表，比较麻烦。 5 试验结果存储不便，以后查找困难。 6 试验数据全靠手工记录，可以随意更改，极易作弊。 总之，这些老式水泥压力试验机，其控制系统属于开环控制，操作麻烦， 偶然误差大，自动化程度低，试验结果精度不高，不能满足新国标的要求， 应该更新换代。 华中科技大学硕士学位论文 在我国，水泥抗压试验以前实行的标准是g b l 7 7 8 5 水泥胶砂强度检验 方法( 以下称g b l 7 7 法) ，而从1 9 9 9 年5 月开始，开始实行新标准： g b l 7 6 7 1 9 9 水泥胶砂强度检验方法( i s o 法) ( 以下简称i s o 法) 。g b l 7 7 法和i s o 法，对水泥压力试验的要求有很大的不同，主要包括以下几个方面： 1 精度：i s o 法使用的抗压试验机精度比g b l 7 7 法提高1 级，要求试验机 ? 达到1 级精度【l 】。 2 加荷速度：i s o 法使用的抗压试验机的加荷能力为( 2 4 0 0 + _ 2 0 0 ) n s ，而 g b l 7 7 检验方法要求的加荷能力为( 5 0 0 0 - 4 - 5 0 0 州s ，加荷速度减少5 0 以上【3 】。 3 数据处理：i s o 法的抗压强度以1 组3 个棱柱体上测得的6 个抗压强度 测定值的算术平均值为试验结果。当其中有1 个的强度值超过平均值 1 0 时，此数据即剔除；另5 个实测值的平均值与其中的任何一个相对 照，若仍有超过1 0 的数值，则本组试验作废，应重新进行试验。计算 和剔除过程要在试验报告中全部反映；而g b l 7 7 法规定，只要6 个抗压 强度中有1 个的强度值超过平均值1 0 时，则本组试验作废 3 1 。 由于我国水泥生产厂家众多、规模小，大部分企业质量检测设备落后， 给水泥产品的质量控制造成了极大不便【4 】。为了我国水泥总体质量水平的提 高，缩小与发达国家之间的差距，提高我国水泥的国际竞争力，其关键还是 技术更新，与新技术同步发展，利用当今的最新技术成果，来提高这个行业 的生命力。 正是基于这种情况，数家水泥厂委托我们，代为他们开发符合i s o 法的 ： 水泥压力试验机。这种新型的水泥压力试验机将采用当今最新的科学技术， 融合机械、液压、电子、控制、计算机、力学等多门学科，使其过程自动化， 数据精确化，体积精简化，成本低廉化，性能优良化。 1 2 研究现状 水泥压力试验机的发展是随着控制技术的发展而发展的。按照控制系统 的不同，水泥压力试验机可以分为四种类型：机械式、液压式、电子式、电 液式陋1 。机械式的水泥压力试验机，其加力机构多采用螺旋机构( 如丝杆) ， 华中科技大学硕士学位论文 或者蜗轮蜗杆机构。这种类型的水泥压力试验机，结构复杂、体积庞大、操 作繁琐，基本上已经被淘汰了。液压式水泥压力试验机的加力机构采用液压 缸来完成，这种试验机操作方便、作用力大、结构简单、体积紧凑，至今仍 。在使用。但是，这种类型的水泥压力试验机( 如手动液压摆锤式试验机) 正 如前面所述，存在诸多弊端，淘汰也在所难免。电子式水泥压力试验机是在 原有的双螺母、螺杆试验机的基础上开发出来的。这种类型的试验机采用伺 服电机控制，调速范围广、精度高，但由于伺服电机容量的限制，在大负载 下工作较困难，并且，这种试验机价格昂贵，许多普通厂家难以接受。电液 式水泥压力试验机是在液压式水泥压力试验机的基础上，增加电液控制部分， 推出的试验机新类型。这种类型的试验机的电液控制系统，若采用电液伺服 阀，则称为电液伺服控制系统：若采用电液比例阀，则称为电液比例控制系 统。目前，国外的水泥压力机的控制系统主要采用的型式有：直流伺服电机 控制、电液伺服控制、油马达自动控制等等【2 l 。而国内主要采用调频电机和 电液比例控制作为控制系统的主体【2 】。相比较而言，电液比例控制更为流行， 这是因为这种控制系统的加载能力强，价格低廉，深受广大普通用户的欢迎。 所以，在我国，对电液式水泥压力试验机的研制、生产、使用都显得尤为积 极，俨然成为水泥压力试验机的主流。其实，自2 0 世纪5 0 年代中期以来， 国外就先后开发了多种电液控制的试验机，如美国的m t s 设备公司( m t s s y s t e m c o r p ) ，英国的英斯特朗有限公司( i n s t r o nl t d u k ) ，德国的申克公 。司( s c h e n c ha g ) ，他们都拥有自己的特色产品。自2 0 世纪7 0 年代开始， 他们又将计算机逐渐应用到试验机上。我国在1 9 6 9 也开始自行研制电液控制 ： 的试验机【5 1 。其中，当时的长春试验机研究所，天水红山试验机厂，济南试 验机厂等单位有较强的开发能力。如今，国内外多家著名的试验机厂，在开 发水泥压力试验机时，仍对电液控制系统孜孜以求。 1 3 本文的主要工作 本文的主要任务就是设计一套控制系统，可以满足i s o 法的所有要求。 根据这一任务，本文首先简要地介绍了当今各种主要的水泥压力试验机，对 它们各自的控制系统作了对比，指出它们各自的优缺点。在此基础上，提出 华中科技大学硕士学位论文 了自己的控制系统的总体设计方案，并详尽阐述了这种控制系统的优越性。 然后，本文着重讨论了系统各个组成部分的作用、特点、以及实现方法。接 着，本文提出了实现恒应力加荷的控制算法p i d 算法，并对数字p i d 控 制器的参数整定方法作了介绍，对各个参数对系统的影响作了分析，更为重 要的是，本文根据本系统的实际情况，对传统的p i d 控制器作了一定的修正。 另外，本文给出了控制系统详细的软件设计，概述了开发平台，软件设计思 想，串行通信程序的编制以及主要的程序流程框图。对硬件的设计，本文给 出了较为详尽的电路图，其中包括数据采集电路，p w m 控制电路，p c 机与 单片机串行通信电平转换电路等等，对电路中的主要元器件作了简要的说明。 最后，对整个系统作了理论分析，推出了系统的传递函数并给出了试验数据。 1 4 系统的总体设计方案 系统要求：该机主要用于测量、检验不同龄期的水泥试块的抗压强度。 系统应该保证试验机能按照规定的试验过程进行试验，并能按照预定的加荷 速度进行自动恒应力加载：试验过程中，系统能实时显示试块所受压力，试 块的抗压强度和加荷曲线；试验完毕后，能进行数据处理、存储、查询、打 印报表等等。 控制方式的选择：根据当前的水泥压力试验机的发展趋势，并结合我国 的实际情况，控制系统采用电液比例控制系统。这种控制系统结构简单、稳 定性好、容易维护、抗污染能力强，价格低廉。其实，实现i s o 法的关键是 加荷速度的自动控制，以便真正实现恒应力加载。实现恒应力加载的方式很 多，例如可以采用p i d 控制，鲁棒控制，模糊控制，专家系统控制等等。其 中，最简单、最实用的是p i d 控制。p i d 控制是最早发展起来的控制策略之 一，由于它具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等显著优点，所以被广泛应 用于工业过程控制【6j 。 p i d 控制的实现有模拟实现和数字实现之分，模拟实现需要构建电路， 是一种用硬件实现的方法；数字实现只需要编制程序，是一种用软件实现的 方法。用数字实现p i d 控制，具有很大的优越性，它可以使系统简化，硬件 数量减少，从而减少了引入噪声的机会，因此提高了控制精度，而且，数字 华中科技大学硕士学位论文 p i d 控制器的参数调整方便灵活，成本大大降低。数字p i d 控制器具有如此 多的优点，我们的控制器当然也采用数字式p 1 d 。 图1 - 1 系统组成图 系统组成：根据系统要求和以上分析，系统采用p c 机和a t 8 9 c 5 2 单片 机共同组成主要的控制部分。整个控制系统如图一所示，主要元件包括p c 机、a t 8 9 c 5 2 单片机、打印机、a d 转换器、精密压力传感器、比例阀组、 试验机主机等。 该机控制系统的工作原理如下：试验开始后，液压加载系统带动活塞， 抗压夹具及试样一起上升，至试样接触到上横梁后压强等速率增加，传感器 随压强的增加而输出一个与液压成正比的电信号，该信号经放大，a d 转换 后，进入微机，微机将其处理，得出偏差信号，输出一个与偏差信号成比例 的电信号来控制比例阀，进而控制系统的工作压力，从而保证加荷速度恒定， 试样破碎后，计算机自动判别并保存试验结果，等待更换试块，接着进行下 一个循环【7 1 。 华中科技大学硕士学位论文 2 电液比例控制 2 1 概述 从广义上观察，在应用液压传动与控制和气压传动和控制的工程系统中， 凡是系统的输出量，如压力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩 等，能随输入控制信号连续成比例地得到控制的，都可称为比例控制系统【8 1 。 其中，采用电液传动的比例控制系统，称为电液比例控制系统。 广义上说，电液伺服控制也是一种比例控制技术【9 1 ，因为电液伺服控制 也满足比例控制的规律。但通常的说法中，电液比例控制不包括电液伺服控 制，我们也遵照这一约定。 电液伺服控制是在2 0 世纪4 0 年代，从军事工程领域发展起来的电液控 制技术，而电液比例技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液 过滤要求苛刻、制造维护费用高等，而它提供的快速性在一般工业设备中又 往往用不着的情况下，在2 0 世纪6 0 年代发展起来的、介于普通开关控制和 伺服控制之间的新型电液控制技术分支【9 l 。 从整体上看，电液比例控制技术的开发与普及，使工程系统的控制技术， 进入了现代控制工程的新行列，不同程度的确立了机电一体化技术的技术优 势【8 】。而构成电液比例技术的液压元件，却是在传统开关型和伺服型元件基 础上的进一步发展。采用电液比例技术能够综合发挥微电子技术、计算机技 术和液压技术的优势，所以有人认为：电液比例控制技术作为连接现代微电 子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成 【l o 】。 电液比例控制自出现以来，受到了越来越广泛的应用，主要是因为它具 有以下优点 8 , 9 , 1 1 】： 1 操作方便，利用电信号容易实现远距离控制或者遥控。 2 工作性能好，电液比例阀采用电信号控制，响应快( 频宽达2 5 h z ) 。液压 油的可压缩性比空气小得多，压力稳定性好。 3 自动化程度高，容易实现编程控制，利用编程可以实现复杂的控制要求。 6 华中科技大学硕士学位论文 4 工作平稳，利用反馈大大提高了控制精度。 5 结构简单，使用元件较少，对污染不敏感。 6 系统的节能效果好。 2 2 系统组成 电液比例控制既可以用于开环控制，又可以用于闭环控制。在控制精度 要求较高的场合，常常采用闭环控制。本文所设计的系统就是闭环控制系统。 各种电液比例闭环控制系统，尽管其结构各异，功能也不相同，但它们存在 着共性，可归纳为以下结构9 l ： 2 2 1 指令元件 图2 - 1 电液比例控制系统框图 它是给定控制信号的产生与输入的元件。也可称为编程器或输入电路。 在有反馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号相同形式和量级的控制信号。 它也可以是信号发生装置或程序控制器。指令信号可以手动设定或程序设定。 对照图1 1 与2 1 不难看出，在我们的控制系统中，指令元件是微机，在试 验过程中，由微机输出给定信号。 2 2 2 比较元件 它的作用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器 的输入。对照图1 - 1 与2 1 不难看出，在我们的控制系统中，比较元件仍然 华中科技大学硕士学位论文 是微机，在试验过程中，加载压力经传感器转换成电压信号后，又经过放大 器的放大和a d 转换后，作为反馈信号进入微机，由微机进行比较，得出误 差信号。 2 2 3 比例放大器 比例放大器又称电控器。一般而言，比例阀内的电磁铁所需要的控制电 流较大( 0 - - 8 0 0 m a ) ，而微机输出的控制电流较小，不足以使电磁铁正常工 作。所以，要对控制信号进行功率放大，再对它进行整形、滤波，使其满足 高性能控制的要求。比例放大器的主要功能就是对控制信号进行加工、整形 和放大，使其满足电机械转换装置的控制要求。比例控制放大器按照功 率放大级来区分，可分为连续电压控制式和脉宽调制( p w m ) 式。由于采用 p w m 控制，可以使比例阀经常工作在开和关状态中，这种开、关信号实际 上相当于给阀加入颤振信号，使阀和活塞始终处于一种微振状态，对减小系 统的静摩擦和滞环，提高低速平稳性、减少功耗都有好处【9 l 。所以，在本系 统中采用这种控制方式。这部分内容，在后面还要详细讨论。 2 2 4 比例阀 在这种控制系统中，最关键的元件就是比例元件一一比例阀。比例阀出 现在2 0 世纪6 0 年代末期，它是在普通液压阀的基础上，采用廉价而可靠的 比例电磁铁作为电机械的转换元件，取代原来阀内的手动控制器或普通 开关式电磁铁，并相应的改进了阀内的设计和引入各种内反馈控制，从而实 现了一种价廉的、耐污染与一般工业阀相同，性能上又能满足大部分工业控 制要求的比例元件。比例阀内部集成了电机械转换器以及液压放大元件， 电一一机械转换器把经过放大后的电信号转换成与其电量成比例的力或位 移。这个输出力或位移改变了液压放大级的控制液阻，经液压放大作用，把 不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载，是整个系统的功率放大部分。 由于比例阀极其关键，所以本文在后面将详细讨论。 2 2 s 液压执行器 华中科技大学硕士学位论文 通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。在本 系统中，采用液压缸作为执行器。 2 2 6 检测反馈元件 闭环控制必需检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实际值，得出 系统的反馈信号。检测元件常常使用各种传感器。在本系统中，选用的是高 精度桥式压力传感器。 2 3 电液比例阀 在工业控制系统中，常常使用的阀有开关液压阀，电液比例阀，电液伺 服阀。其中，开关液压阀是通过调节阀体上手柄来调节被控量，而对被控对 象只能进行开关控制，不能作为自控系统中连续控制环节。电液伺服阀虽然 可连续的对控制对象最精确的控制，但由于制造成本和维护费用高、能耗大， 且对流体介质清洁度要求苛刻，因此使用受到限制【l 2 1 。 电液比例阀在液压控制回路原理上与常规开关阀并无本质区别，只是手 柄由比例电磁铁代替，把电信号转换成与其电量成比例的力或位移信号，由 于低成本和抗污染、高可靠性，其性能又可满足大多数工业场合要求，因此 工业发达国家已大量采用电液比例阀【1 2 1 。近几年在我国工业市场也得到了迅 速发展。目前比例电磁铁功率在1 5 4 0 v a 左右，需要特制的比例控制放大 器进行功率放大及对弱电信号进行处理【l 引。 电液比例控制系统中，各组成部分有着不同的功能，作用都很重要，但 电液比例阀作为连接执行机构的元件，具有独特的性能和结构，并起着至关 重要的作用，所以对它应该作重点分析。 2 3 1 比例电磁铁 如前所叙，比例阀与开关阀的区别是用比例电磁铁代替开关阀阀体上的 调节手柄，从而实现电机械转换，达到自动控制的目的。所以，比例电 磁铁对比例阀的性能有着直接而且重要的影响。 华中科技大学硕士学位论文 比例电磁铁是由比例放大器输出的电流信号来控制的，其外形与普通电 磁铁相似，但功能却不同，比例电磁铁的吸引力与通过其线圈的直流电流强 度成正比【1 3 i 。比例电磁铁按工作形式可分为力控制型和行程控制型。力控制 。型比例电磁铁不带内置位移传感器，由于常用于开环系统，它使用的是不带 实际值反馈的比例放大器。行程控制型比例电磁铁带有内置位移传感器( 或称 、 差动变压器) ，构成小闭环回路。工作时，位移传感器准确地测定比例电磁铁 的行程，并向比例放大器发出电反馈信号。比例放大器将输入信号( 给定值) 与反馈信号( 实际值) 加以比较，再向电磁铁发出纠正信号以补偿误差。这样 便能消除液动力等于扰因素，保证准确的阀芯位置或节流口面积【1 3 】。 比例电磁铁的作用是将电信号转换成与其电量成比例的力或位移信号， 其动态性能由线圈电流动态特性、输出力动态特性和位移动态特性决定。比 例电磁铁控制线圈的电压增量方程为： 峨= 三百d a i + ( r c + 弘f + k 警 ( 2 1 ) 式中： “，：为线圈电压； a i ：为线圈电流： ：为线圈电感： 以：为线圈感应反电势系数； r ，：为线圈内阻； r ：为放大器内阻： 缈：为电磁铁位移。 上式经拉氏变换得： a u 。= l s a i + ( r 。+ r , ) a i + k a y( 2 2 ) 若暂时不考虑液压力、干扰力的影响，其位移动增量方程可表示为下式： 川竽+ d 警+ k , a y = 峨 ( 2 s ) 式中： 华中科技大学硕士学位论文 州：衔铁组件的质量； d ：阻尼系数； k ，：衔铁组件的弹簧刚度： 。巴：比例电磁铁的电磁力a 比例电磁铁的电磁力又可以表示为： 、 a f m = k ，a i k ，a y ( 2 4 ) 式中： k ，：比例电磁铁的电流增益； k 。：其位移力增益和调零弹簧刚度之和。 将( 2 4 ) 代入( 2 3 ) 并进行拉氏变换得： m s 2 a y + d s a y + ( k + k 。) 缈= k ，a i( 2 5 ) 先不考虑液动力的影响，并考虑比例电磁铁空载时，其传递函数可表示 为如图2 2 所示，比例电磁铁线圈电感较大，为提高动态性能，可减少线圈 匝数、串接电阻或加大上升电流时间，即采用较高的瞬时电压。另外比例电 衙峰圈 图2 - 2 比例电磁铁传递函数框图 磁铁存在明显的电磁滞环和摩擦滞环，为了提高动态性能、减少滞环，在其 要求线圈正常工作的稳态电流基础上，需叠加一定的颤振信号。 2 3 2 先导式比例溢流阀 华中科技大学硕士学位论文 在本文的电液比例控制系统中，其主要任务是控制试验机按i s o 法规定 的加荷速度进行加载，使其实现在恒应力状态下进行试验。也就是说，在试 验过程中，在单位时间内，试验系统压力的增量应该恒定。这种控制的本质 是一种压力控制。进行压力控制，既可以使用流量阀，也可以使用压力阀， 一般选用压力阀，我们也是如此。 比例压力阀用于系统的压力需要在工作过程中连续升降或多级压力调节 的场合。压力阀按照功能划分，可分为溢流阀和减压阀。溢流阀的基本功能 包括：稳定系统压力；安全保护；卸荷。我们的系统采用它，主要是利用其 定压作用，当然，当系统压力过大时，它也可以卸荷，保障系统安全。 由于受推动力的限制，直控式压力阀不可能做成大功率的，即大流量规 格的阀。采用先导式方案，经过一级或二级液压放大，就可以解决用小信号 控制大功率的问题。我们的试验机的最大载荷为3 0 0 k n ，最大压力高达 2 0 m p a ，其要求功率是比较大的，一般的直控式压力阀是不能满足要求的， 故选用先导式比例溢流阀。 2 3 3 先导式比例溢流阀的选择 压力阀的选择应满足系统在不同的工况下对压力范围的要求。通常应考 虑以下几个原则。 1 压力等级的选择 比例压力阀的各油口的最高工作压力都按3 1 5 m p a 来设计，压力等级改 变是靠改变先导阀的阀座孔径来实现的。选择比例压力阀的压力等级大于或 等于系统要求的最高工作压力。最好在1 1 2 倍之间，以便得到较好的分辨 率。如果压力等级过大，则控制性能变差。我们系统的最高工作压力为2 0 m p a ， 根据这一原则，我们很容易确定比例压力阀的等级。 2 最低设定压力 比例压力阀都有一个最低设定压力，最低设定压力与通过溢流阀的流量 有关。如果选择阀的通径过小，则最低设定压力升高。当最低设定压力不能 满足系统的最低压力要求时，就应采取其它的措施使系统卸荷或得到较低的 压力。在我们的系统中，有的水泥试块强度很低，尤其是在龄期为3 天时。 华中科技大学硕士学位论文 考虑到这种情况，我们的试验系统，应该在1 m p a 就开始控制。因而，其最 低设定压力可设为1 m p a 。 2 4 比例放大器 比例放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例 阀或电液比例系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是电液比例控制元件 和系统的重要组成单元。 比例放大器常用的实现方法，主要有全部采用硬件实现和采用软件硬件 结合的方法实现，前一种统称为传统型，后一种称为智能型。 传统型主要采用复杂的电路，产生各种信号，然后将各种信号合成，形 成控制信号；智能新多采用微机作为控制器，用软件的方法产生各种波形， 由软件直接产生控制信号。 在常规型的比例放大器中，按功放级的结构形式，又可以分为连续电压 式和脉宽调制( p w m ) 式。连续电压式需要在控制信号中增加颤振信号，而 且电磁铁消耗的功率大，发热严重，所以这种型式的放大器已不多见，所以 本文也不想多介绍。p w m 式是前几年的主流产品，现在仍然在普遍使用。 而智能型的放大器是近几年的发展起来的新品种，它主要借助微机技术，主 要部分需要编程实现。下面分别介绍这两种型式的放大器。 2 4 1 比例放大器的分类及技术要求 对比例放大器可以从不同的角度来进行分类。按适应性可分为通用比例 放大器和专用比例放大器；按输出控制电流的数量可分为单通道和双通道比 例放大器；按比例电磁铁的型式可分为力控制型和行程控制型；从功率放大 级来区分，又可分为连续电压控制式和脉宽调制( p w m ) 。但不论哪种放大 器，都是用来控制比例阀的，他们必须满足一些共同的技术条件，这些条件 包括： 供电电压：直流2 4 v 1 0 ： 输出电流范围：1 2 m a - - 8 0 0 m a ： 华中科技大学硕士学位论文 控制电路电压：7 5 v 或9 v ； 功放末级电压：2 4 v l0 ； 斜坡调节时间：0 0 3 5 s ； 颤振频率及波形：5 0 2 0 0 h z 的三角波或正弦波； 颤振振幅：1 5 的最大工作电流内可调； 电流非线性度：不大于1 。 2 4 2 比例放大器的实现方法 2 4 2 1 常用信号 对比例电磁铁，除了足够的驱动功率以外，比例控制放大器还必须要有 良好的稳态和动态特性。为此，功率级的输入信号除了给定控制信号外，通 常还包括多种控制信号：斜坡信号、颤振信号、初始电流设定信号、负载电 流反馈信号等等【14 1 。现在分别一一介绍。 1 斜坡信号发生器 斜坡信号发生器用于控制信号的上升变化和下降变化速度，使当输入阶 跃信号时，能够以可调的速率无冲击地到达给定值，从而获得平稳而迅速的 起动、转换或停止。利用斜坡信号发生器可获得加速、减速、升压、卸压的 调整功能。 2 三角波发生器 在比例放大器中常用三角波信号发生器作为颤振信号源和组成脉宽调制 信号发生器。 3 电流调节器 设计电流调节器的目的之一是调节控制对象的实际值与新的设定值相对 应：目的之二是减少或消除干扰量的影响。由于比例阀的特性中都存在一定 的死区特性，只有越过这个死区范围其特性才是线性的。为了克服这个死区， 是通过向电磁铁提供一个初始阶跃信号使阀芯产生快跳，迅速越过死区。 2 4 2 2 功率放大级 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ! = ! ：! = ! = = = ! = ! = = = = ! ! = = = = = = = = = ! = = = = = ! = = ! ! ! ! ! ! ! ! ：! = ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 苎i ji ! ! ! ! 功率放大级的作用是对各种信号( 如斜坡信号、颤振信号、初始电流设 定信号、负载电流反馈信号等等) 进行综合和放大，向电一机械转换装置提 供足够大的驱动电流。 初抽由流设市 电流反馈 图2 - 3 模拟功率放大级结构框图 比 例 电 磁 铁 电流反馈 图2 - 4 脉宽调制式功率放大级结构框图 此 例 电 磁 铁 根据控制信号综合后的处理方式不同，功率放大级有模拟式和脉宽调制 ( p w m ) 式两种，结构框图分别见图2 3 和图2 - 4 。从结构上看，两者的主 要差别是模拟式的放大器在各种信号相加后直接送功放管作电流放大，而后 者在它们之间加入p w m 环节。由于p w m 信号中已经包括以一定频率的脉 动量，所以p w m 式功率放大级无需另加颤振信号源。从内部工作情况来看， p w m 式功放管工作在开关状态。从理论上讲，在开启时，功率管导通，电 压降近似为零；而关闭时，功率管截止，电流近似为零；这两种情况所消耗 华中科技大学硕士学位论文 的功率都为零。因此，这种放大器的功耗小。相反，模拟式功率放大级工作 在功放管的线性区，在非额定工况下能耗较大，同时也使发热增加，降低了 可靠性。另外，由于功放管工作在开、关两种状态，因而抗干扰能力强，因 油液污染而造成的阻塞等现象容易克服，比例阀的抗干扰和抗污染能力得到 提高。 正如上面所叙，采用p w m 式作为功放级有许多优点，因而在比例放大 器中得到了广泛的应用。我们设计的比例放大器，也是采用p w m 式的。 2 4 2 3 脉宽调制的原理 调制电路由三角波发生器和电压比较器组成。三角波发生器的输出电压 u ，与控制电压甜，在比较器中比较，比较方法是用它们的差值与零比较，每次 过零时比较器的输出电压翻转，使脉冲宽度l 与输入信号u 的幅值成正比。 由于三角波的输出电压对称于横坐标轴，为使u 。= 0 时比较器的输出u 。为零 ( 低电位) ，应加入移轴电压，u 。的大小应满足： + u ，0( 2 6 ) 1 设“，的最大值为“，则应等于= 1 “。，即： 1 = 妄“，。 ( 2 7 ) 图2 - 5 p w m 信号调制原理框图 1 但实际应用中，为提供初始电流，应小于妄“，以便在控制电压峨为 z 零时，仍有小量的电流流进比例电磁铁。p w m 信号波形的转换原理图如图 2 5 所示。当“。+ + “，之和过零时“。跳转。当k 由小至大过零时，“。由高 华中科技大学硕士学位论文 电平转为低电平，反之，电平变高。 0 “口 “d m 烈 0 2 “j + u a 一“ 八八八， vvv 7 t 图2 - 6 p w m 信号调制原理波形 2 4 2 4 脉宽调制式功率放大级 t 采用脉宽调制信号( p w m ) 控制比例电磁铁，阀芯的运动响应p w m 的平 均值，使阀芯工作时处于微振动状态，大大减少阀的滞环。调制电路由三角 波发生器和电压比较器组成，三角波作为脉宽调制信号的载波加在一运放a 1 的反相输入端，调制信号加在该运放a 1 的同相输入端，并带有正反馈。根 据运放的原理，运放a 1 构成双门限电压比较器，调制信号u s 的大小每与 控制信号相等时，该运放a 1 的输出电平就翻转，形成脉冲宽度不等的方波， 其频率与三角波的振荡频率相同。该运放a 1 的输出驱动一功放管t 工作， 由此可见，功放管t 只在“完全导通”和“完全截止”两种工况下工作，并 不具有严格意义上的放大作用，所以管的功耗很小。其导通与截止的时间由 脉宽调制信号的占空比决定，占空比大，导通时间长：反之，截止时间长， 从而改变末级输出电流。当功放管开关导通时，通过负载线圈的电流按一阶 特性上升，功放管开关截止时，由于线圈旁路二极管d 作用，工作电流也按 一阶特性下降。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 图2 7 p w m 功率放大级电路原理图 2 5 智能 匕例放大器 尽管目前模拟式和开关式比例控制放大器在性能上已基本满足实用要 求，它仍然存在着一些不足之处。主要缺陷就是缺乏灵活性。随着数字计算 机技术的迅速发展，新的目标就转向了研制带微处理器的智能型比例控制放 大器。这种智能型控制装置不仅要具有记忆功能，还要有逻辑思维能力。它 不仅可以通过程序控制的方式来实现任何一种控制规律，而且可以充分发挥 实时控制和综合控制的优势，能实现模拟比例放大器较难以实现的一些功能。 随着自适应、f u z z y 等现代控制策略固化到智能放大器中，将进一步完善控 制器部分的性能，提高放大器的总体控制功能 1 5 1 。 这种智能型比例控制放大器可充分发挥单片机的运算、处理能力，丰富 的片内接口资源，较高的运算精度以及丰富的指令系统等特点，由单片机来 完成信号的输入、转换、处理、调节，并利用c p u 片内特有的功能，编程产 生控制比例电磁铁所需的脉宽调制信号，也就是说，除测量放大电路和功率 放大电路暂时需要另接外，其它功能模块均可由单片机通过编程实现。 智能比例放大器可以方便地校正传感器及反馈信号的非线性，只要设计 适当的校正环节，就能改善闭环控制特性，无需增加额外的电路器件。智能 比例放大器还能方便地实现各种响应曲线，进行参数调整及改进，而这均是 1 8 华中科技大学硕士学位论文 普通模拟比例放大器较难以实现的一些功能。 智能比例放大器相对于普通的模拟比例放大器具有许多决定性的优点。 只用一个放大器就可以对不同的液压部件进行控制和相互间的连接，从而大 大减少放大器的种类，增强了放大器的适应性。由于智能控制放大器的内部 结构是一致的，因此所有部件的控制都可以用同一个操作器或计算机程序进 行操作。放大器可以完成全部比例阀专门参数的预先调定，如闭环控制器参 数、死区补偿、闭环控制行程、末级电流大小等等。 这种借助于操作者或p c 机来输入设定值或调节参数，提高了操作的舒 适性，方便了重复性高的数值输入。智能比例放大器使复杂的控制过程以及 大量的设定值之间的连接都能够简单地实现。根据具体应用，确定被控制的 阀，设定值输入、参数的补偿、多种配置连接转换的可能性、使用的压力、 位移传感器、数字输出的功能等，直至过程控制的统一。所以由智能比例控 制放大器实现的电液比例控制装置适应面广，可以拓宽电液比例系统的应用 范围。本系统的智能比例放大器的组成型式见图2 8 。 图2 - 8 本系统的智能比例放大器的组成型式 近年来随着工作对象对精度、响应速度和自动化程度要求的提高，对电 液比例控制系统的要求也越来越高。同时，相当多的复杂控制对象要用精确 的数学模型来描述是非常困难的，其中的多数又具有时变性和非线性仅仅使 华中科技大学硕士学位论文 用传统的控制方法已难以获得理想的控制性能。因此，对新的控制策略的使 用提出了迫切要求。数字计算机控制技术的飞速发展，顺应了这一要求，它 可以使液压系统的压力、流量控制从纯机构控制形式，机电浅度结合控制形 式，向主要以数字化控制为主的形式发展。它有利于简化比例元件机械结构， 简化系统构成，提高控制品质和智能化程度，可以达到精密控制、自动化、 节能这3 个目的，同时也使近代电液控制技术跃上了一个新的发展阶段。本 系统的智能比例放大器的结构框图及实现流程图见图2 - 9 、2 -