（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp控制器的电液伺服试验机的研究与应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 根据目前国内外材料试验机的发展现状和趋势，确立了“基于d s p 的电液 伺服试验机的研究与开发”这一研究课题。本课题以电液伺服材料试验机为主 要应用背景和研究对象，着重围绕试验机方案设计、数学模型、控制策略、基 于d s p 的智能控制器软硬件实现等几大模块，进行了具有创新性、基础性、实 用性的研究工作，取得了较好效果。 充分利用电子技术和人工智能算法发展的最新成果，采用t i 公司最新推出 的新一代数字信号处理器( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 为主控制芯片，开发出一套功能完善 的测控系统是本课题的主要任务。 针对电液伺服系统的非线性时变特征，设计出了模糊参数自适应p i d 控制 器，实践表明：与传统参数不可变p i d 控制相比，模糊参数自适应p i d 控制具 有更佳的控制特性。基于d s p 的电液伺服试验机的研制降低了试验机成本，提 高了试验精度，扩大了试验机的使用范围，并为d s p 在自控领域的应用提供了 依据和参考。 全文共分七章： 第一章阐述了研究意义以及目前国内外材料试验机的研究现状和发展趋 势，并提出了本课题所要研究的主要内容及任务。 第二章介绍了电液伺服试验机的总体方案设计，并讲述了试验机系统的工 作原理，建立了数学模型并对其进行了详细的分析。 第三章对控制系统结构设计和控制策略进行研究。因为电液伺服系统的非 线性时变特性，提出了模糊参数自适应p i d 算法的控制策略，并对策略进行仿 真分析。 第四章详细介绍了基于d s p 的电液伺服控制器的硬件电路设计，给出了各 个模块的电路原理图。 第五章采用模块化层次性设计理念，构建了系统软件的总体结构，并对主 要模块的软件流程进行了详尽的阐述。 第六章给出了电液伺服试验机的实验结果和分析，结果表明本系统达到设 v 上海大学硕士学位论文 计要求。 第七章作为本文的总结和展望，作者结合在设计、开发、调试过程中的亲 身体会，同时给出了需要进一步完善和待研究的地方，指明了进一步研究方向。 关键词gd s p 控制器模糊自适应p i d电液伺服控制 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e , t h es u b j e c t o ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ot e s t i n gm a c h i n eb a s e do n d s pc o n t r o l l e ri se s t a b l i s h e d t h er e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o no b j e c t i st h e e l e c t r o h y d r a u l i cs e a v ot e s t i n gm a c h i n e t l l i st h e s i sd i s c u s s e dt h eg e n e r a ls c h e m e , m a t h e m a t i c sm o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed s p c o n t r o l l e r i ta l s od o e sb o m er e s e a r c hw o r kw i t hi n n o v a t i o n ，b a s i ca n da p p l i c a t i o n s o m em o d e mt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e di nt h i ss u b j e c t , s u c ha se l e c t r o n i c t e c h n o l o g i e sa n da r t i f f e i a li n t e l l i g e n c ea r i t h m e t i c s t h em a i nt a s ki st od e v e l o p m e n t an 鲫m e a r s u ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h en e wd i g i t a ls i n g a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) a i m i n ga tt h en o n - l i n e a ra n dt i m e - v a r i a b l ec h a r a c t e ro fe l e c t r o - h y d r a u l i cs y s t e m , t h ef u z z y a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d ，e x p e r i e n c ep r o v e d ，c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l p a r a m e t e rf e dp i dc o n t r o l l e r , t h el l e w o n eh a sm v e n c e dp e r f b m c c 1 1 l ec o s to ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n eb a s e do nd s pc o n t r o l l e ri sd e c r e a s e dw h i l et h e a c c u m c yi si m p r o v e d t h et e s t i n gm a c h i n ec b eu s e dm o r ew i d e l y i ta l s op r o v i d e sab a s i sf o r t h eu o f d s pi ni n d i u mf i e l d t h et h e s i si n c l u d e ss f 煳c h a p t e r s c h a p t e rli sa ne x o r d i u m t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e h o m ea n da b r o a di se x p o u n d e d a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h es u b j e c ti s p r o p o s e da tt h ee n do f t h i sc h a p t e r i nc h a p t e r2 ，i n t r o d u c i n gt h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m ea n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h e e l e c t r o - h y d r a n l i cs e r v ot e s t i n gm a c h i n e , a n dt h e nt h em a t h e m a t i c sm o d e li sa n a l y z e d i nd e t a i l s c h a p t e r3i sa i m i n ga tt h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o ls t r a t e g y , f u z z ya d a p t i v ep i d m e t h o di sp r o p o s e db e c a u s et h ee l e c t r o - h y d r a u l i cu n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e i sat y p i c a ln o n l i n e a ra n dt i m e - v a r i a b l es y s t e m 耵地c o n t r o lm e t h o di sp r o v e dt ob e u s e f u lt h r o u g hr e s e a r c ha n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nc h a p t e r4 ，i n t r o d u c i n gt h eh a r d w a r ed e s i g no fd s pc o n t r o l l e ri nd e t a i l s , a n d g i v i n gs o m ec i r c u i t ss c h e m a t i cd i a g r a m s i nc h a p t e r5 ，t h et h es o f t w a r es t r u c t u r ei sp l a n e db a s e do nm o d u l a l i z a t i o na n d h i b e r a r c h yd e s i g nc o n c e p t , a n dt h ef l o wc h a r l so fs o m em o d u l e sa r eg i v e 扎 i nc h a p t e r6 t h ee x p e r i m e n t sa n dr e s u l t so f t h ep r o j e c ta r eg i v e n 1 r i l er e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g ns c h e m ei ss u o c e s s f u l i nt h el a s tc h a p t e r , a l lt h er e s e a r c h e dc o n t e n t sa l es u m m a r i z e d , a n dap r o s p e c t a b o u tf u r t h e rs t u d yi sp r o p o s e d k e y w o r d s ：d s pc o n t r o l l e r , f u z z ya d a p t i v ep i d ，e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r y oc o n t r o l v l i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：壹堑!日期：! 坚! ：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：豳!导师签名：望邀日期：竺立：! ：堡 i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及任务 材料试验机是检测材料及其制品在各种环境和模拟状态下的机械性能、工 艺性能、结构抗振强度以及材料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设 备。它广泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航与造船以及国防科技、高 等院校等国民经济的各个领域和部门。 材料试验机作为一种精密测试设备，对于材料科学的快速发展、工业产品 和工程结构的合理设计、有效地使用材料、改进工艺、减小产品的体积和重量、 提高产品质量，以及保证安全可靠和提高使用寿命等，都具有极其重要的作用。 试验机的发展随着控制技术和计算机技术的发展而发展。按照控制系统和 动力系统的不同，试验机可分为四种类型：机械式、液压式、电液式、电子式。 单纯机械式和液压式的试验机因为结构复杂、体积庞大、精度差等缺点正被逐 渐淘汰。电子式万能试验机体积小、示值精度高、试验速度控制准确可靠，可 以自动绘制试验曲线并打印试验数据，因此受到用户的好评。但是电子式试验 机难以实现大的加载力，目前国内生产的加载力最大值不超过1 0 0 0 k n 。电液伺 服式万能试验机具备电子式试验机的优点，并且能够实现非常大的加载力，目 前国内生产的最大电液伺服试验机已达到2 0 0 0 0k n 。电液伺服试验机也是试验 机发展的一个趋势，因此本课题选择电液伺服万能试验机作为研究对象。 就控制系统而言，目前国内大多数电液伺服试验机控制系统有两种：一种 是采用计算机为主控制器，内置专用测量控制卡，外部配以电气控制柜组成的 控制系统，但工艺性复杂、价格高、使用维护要求也很高。二是引进德国d o l l 公司或m t s 公司的控制器来完成测量控制功能，这些控制器大多价格昂贵，不 便于扩展，且对操作人员要求较高。因此，吸收国内外同类产品的先进技术， 研制一种新型的操作简便、性能可靠、使用面广的高精度电液伺服试验机控制 器，使万能试验机的主要性能、技术指标和测试准确度达到最新国家标准 g b w 2 2 8 2 0 0 2 的要求，显得尤为必要，这也成为众多试验机研究所和大型生产 上海大学硕士学位论文 厂家所追求的目标。 本课题正是顺应万能试验机测控技术的现代发展要求，利用实验室现有条 件，以电液伺服万能试验机测控系统为研究对象，在其数字化、智能化、集成 化的实现方面做比较深入的研究工作。 1 2 课题研究的目的和意义 试验机技术是发展工农业生产、开发与节约能源，增强环保以及提高经济 效益与科学管理水平的重要技术手段。加快试验机生产的发展，促进新技术的 开发与应用，具有重要的经济意义和现实意义。 本课题以基于d s p 微处理器的电液伺服万能试验机测控系统的设计作为主 要研究内容，根据万能试验机的性能指标和测试要求，以普通液压万能试验机 为对象进行技术改造和更新，为实现电液伺服万能试验机测控系统的数字化、 智能化、集成化而提出一个应用型研究项目。通过本课题的研究，一方面就电 液伺服万能试验机本身而言，在不乏技术先进性的同时，不仅使传统万能试验 机得到更好的利用，节约成本，而且全面提高其测控系统的工作效率、控制精 度、实时性及操作人性化，并且使系统具有不同程度的自我故障诊断与修复能 力，扩大万能试验杌的应用范围，这也完全适应新一代万能试验机测控系统的 发展趋势，因此具有很强的实践意义；另一方面对其它类型试验机测控系统的 技术改造也具有一定的借鉴意义。最终研究目的是使设计出的电液伺服万能试 验机测控系统不仅能够达到最新国标g b t 2 2 8 2 0 0 2 的要求，而且在数字化、智 能化、集成化等方面取得显著进展。 随着计算机科学与技术和通信技术的发展，社会的一切领域均发生了巨大 的变化。未来的世界是信息化和数字化的社会。在研制基于d s p 的数字式电液 伺服系统的过程中，将先进的数字信号处理技术、高速的数字信号处理器( d s p ) 应用于数字电液伺服系统中，设计一种新型的基于d s p 的数字式电液伺服系统。 这种基于d s p 的数字式电液伺服系统相比于目前普遍应用的基于工控机的或者 基于单片机的电液伺服系统不但在性能上有了很大的提高，有效地降低了系统 的功耗、体积，使该系统的应用领域和应用环境更为广泛，而且该系统的成本 比采用工控机的方式也大为降低。随着微电子技术的发展，集成电路集成度的 2 上海大学硕士学位论文 提高，数字信号处理器( d s p ) 的体积将会更小、重量将更轻、功耗将更低、价格 将更便宜、可靠性将更高，基于d s p 的数字式电液伺服系统将会有更加广泛的 应用。数字控制系统通常具有精度高、速度快、存储量大及有逻辑判断功能等 特点，因此较易实现高级复杂的控制方法，获得快速、精密的控制效果“1 。 1 3 试验机在国内外的研究现状与趋势 1 3 1 国内试验机技术发展现状。1 国内液压试验机从五十年末开始，仿制并大批生产了德国申克公司的手动 控制的u p m 系列液压万能试验机。如国内各试验机厂生产的w e 系列万能机、y e 系列压力机。采用手动控制系统，主要特点是手动加载、卸载，摆锤测力、度 盘显示，如图卜1 所示。由一小电机恒速带动一个沿圆周方向均匀分布若干个 小圆点的转盘转动，由人操纵送油阀的手柄，控制节流阀的开口的大小，使度 盘上的力值指针跟踪某个园点，以近似达到控制速率过程，它是一种开环控制 系统。这种设备测量范围小，精度低，对变形及位移不能等速率控制，加上摆 锤的惯性误差等的影响，国家已经开始逐步限制这类试验机进入市场。 图卜1 摆锤式液压万能试验机图卜2 数显式压力试验机图1 - 3 电液伺服万能试验机 为了提高测量精度，消除摆锤对测量精度的影响，一些试验机厂家采用电 子测力以代替杠杆摆锤测力，用压力传感器或负荷传感器测量试件所受试验力 ，如图卜2 所示。如济南试验机厂生产的y e s 、w e s 型屏显式液压试验机，上 海华龙测试仪器厂生产的y a d 系列电液式压力试验机及w a d 系列电液式万能试 验机，这类试验机只是在测力系统及数据显示、记录方面作了一定的改进，大 多采用单片机作为数据采集、数据处理系统，在长期可靠性方面还存在不少问 上海大学硕士学位论文 题，在控制系统方面仍无明显改进，仍采用手动控制试验过程，不能实现恒速 率试验力、变形及位移加载。为了实现恒速率试验力、变形及位移加载。国内 一些大的试验机厂家( 如济南试金集团、长春试验机研究所、上海华龙测试仪器 厂等) 开始试制生产具有自动控制功能的试验机。如上海华龙测试仪器厂生产的 w a d 系列微机控制电液伺服万能试验机也具有应力、应变、位移控制方式，其 测量范围只能等效于四档。济南试金集团生产的w a w 系列微机控制液压万能试 验机，其测量范围可达6 档，具有等速试验力、等速位移、等速变形及专门为 金属拉伸试验设计的金属拉伸试验方式，采用数字放大器，自动换档，能够实 现各档之间的平滑切换，可靠性较好，在同系列产品中是国内最先进的，如图 卜3 。同时，国内试验机厂也积极与国外著名生产试验机公司合作联合开发自动 控制液压万能机，济南试金集团引进日本岛津技术开发w a w - y 系列微机控制电 液伺服万能试验机，长春试验机研究所引进德国d o l l 公司技术生产的 c s s 一2 5 1 d l 系列微机控制电子液压万能试验机，这些试验机虽然能实现闭环控 制，但存在各种控制方式不能灵活组合，控制性能难以适应材料刚度的变化， 调试和使用复杂，适用范围不广等问题。我国从六十一年代开始研制电子万能 试验机，最初是长春试验机研究所研制的定型产品w d 系列，先后移植给宁夏青 山试验机厂、广州试验仪器厂。目前国内市场生产电子万能机厂家比较多，主 要有一济南试验机厂生产的w d w ，w d s 系列，长春试验机研究所生产的c s s 一1 l o o c 。 c s s 一2 2 0 0 系列，广州试验仪器厂生产的w d 系列，长春市第二试验机厂生产的 c m t 5 0 0 0 系列等。 1 3 2 国外试验机技术发展现状嘲 国外的试验机研究一般以企业为中心展开，目前美国的m t s 公司、i n s t r o n 公司、德国申克公司和日本的岛津制作所等通过自己多年的研究，均具有了自 己独具特色的试验机产品，m t s 公司生产的m t 5 8 5 8 万能材料试验机( 图1 - 4 ) ， 在标准试验台商便能完成各种动态、静态试验，并可根据用户需要来选择载荷 力和控制器，作动缸、伺服阀等，具有很轻的灵活性。如图1 - 5 ，i n s t r o n 公司 的电液伺服试验机有1 3 0 0 系列和8 5 0 0 系列。8 5 0 0 系列电控系统为数字化方式， 4 上海大学硕士学位论文 分机式控制系统结构，可连接计算机，也可独立工作，具有p i d 控制器参数自 动扫描调整功能。日本岛津生产的u h - i 系列液压万能试验机( 图1 - 6 ) 采用自 行设计的电液伺服阀组件控制柱塞缸，可自动和手动两种操作，具有模拟数字 两种显示方式，可以单独工作，也可连接计算机，其系统性能好，机种覆盖广， 缺点是自动化程度低。德国申克公司的l p m 液压万能试验机控制原理是由速度 控制器控制力矩电机进而带动压力控制阀施加负荷，并具有速度和电流反馈， 保证加荷速度，试验机还具有计算机数据处理和控制功能，是一种传统的控制 方式。电液伺服系统的优点是动态响应快，工作范围广，适合动态试验机，其 缺点造价高，抗污染能力低，能耗大。美国m t s 公司生产的n e w s l 系列主机采 用3 1 8 系列，主要特点在伺服液压缸上，液压缸滑动配合表面，用非金属喷涂 处理，实现了较小的阻尼。电控系统有m t st e s ts t a r 试验系统和m t st e s tl i n k 试验系统，t e s ts t a r 计算机参与控制，p 、i 、d 参数数字给定，t e s tl i n k 可 以连接计算机，进行数据处理，但对试验机工作在非线性区没有良好的控制能 力，控制方式平滑切换装置不十分理想。 图i - 4m t s 8 5 8 万能试验机图卜5i n s t r o n 动态疲劳试验机图卜6 岛津液压万能试验机 1 3 3 试验机发展趋势 总结国内外试验机的现状及市场需要，试验机的发展具有以下几个趋势吲： 1 智能化，数字化 计算机或微型处理器已逐渐应用到万能试验机中。该类型的试验机一般本 身带有多种实验程序，不仅可以做复杂的实时控制和数据处理，而且能自行诊 断。能够实现恒负载速率、恒位移速率、恒变形速率控制功能，并能严格按给 上海大学硕士学位论文 定条件在试验过程中精确地控制状态转换，以及精确地测量、记录、显示和打 印出试验结果。 2 附件种类多样化 试验机厂商会提供丰富的附件，用户可以随意增加，以扩大试验机的使用 范围和功用。为在各种条件下测定材料的机械性能，一些试验机厂会配带高低 温试验箱，如高温炉等。 3 结构模块化 主机与控制系统分离，便于系统扩展和用户选择。广泛使用气动和液压夹 紧装置。 4 测量更加精确化 鉴于应力、应变测量对万能试验机的性能指标有很大的影响，国内外在不 断改进万能试验机结构和加荷系统的同时，都致力于研制性能稳定、反应灵敏 和精度高的应力应变测量装置。如摄像式引伸计的研究与使用。 5 大型化和专用化 目前越来越多的客户根据自己的试验需要订购特殊的试验机，如一些建筑 实验用到的大型结构试验机，测试弹簧、绳索及超长试样等用到的专用设备。 1 4 本课题主要研究内容及论文组织结构 1 4 1 课题主要研究内容 针对电液伺服万能试验机测控系统的功能要求，本课题在充分研究电液伺 服试验机数学模型的基础上，利用集成微电子技术、嵌入式技术、计算机技术 等高新技术，设计出基于d s p 控制器的新型电液伺服万能试验机测控系统，并 获得实际应用。主要内容有如下几个方面： ( 1 ) 总方案设计 分析电液伺服万能试验机的系统工作原理与测量参数，制定试验机测控系 统的总体设计方案，并对测控系统中d s p 主控制器要实现的功能进行具体分析。 ( 2 ) 工作原理实现及数学模型研究 研究电液伺服试验机的系统工作原理和具体实现方法，建立各环节的数学 6 上海大学硕士学位论文 模型；重点分析阀控缸数学模型及输入输出间的传递函数关系。 ( 3 ) 控制策略的研究 针对电液伺服系统的非线性、时变特性，研究先进的控制算法。主要研究 智能p i d 控制，并对其进行算法改进，如：增量式p i d 和积分分离p i d 等。研 究模糊控制理论，努力建立模糊参数自适应的p i d 控制算法，以适应电液伺服 系统的时变、非线性。 ( 4 ) 控制器的硬件电路设计 在d s p 硬件设计方面，完成控制系统方案设计的论证和系统硬件控制电路 的设计，并进行系统基本功能的调试工作，主要工作包括： 1 ) 方案论证：根据系统性能指标要求，确定系统的控制方案： 2 ) d s p 电路原理图的设计工作，d s p 本体电路设计，包括硬件平台的搭建、 存储器模块的扩展、通用接口和人机交互接口等模块的设计：系统测量 单元元器件选型、放大电路及数据采集电路的设计：伺服阀驱动电路设 计。 3 ) 硬件调试：制作p c b 电路板，并进行硬件基本功能的测试。 ( 5 ) 控制系统软件设计 按照控制系统技术指标的要求，对系统进行合理的分析与规划，寻求合适 的控制规则并确定软件流程，主要工作包括： 1 ) 系统软件总体需求分析与设计； 2 ) 系统软件整体结构设计； 3 ) 系统各部分功能的软件实现； ( 6 ) 系统调试及性能测试 对基于d s p 控制器的电液伺服万能试验机进行软硬件调试，按照系统性能 指标要求。对系统功能进行测试，以验证系统是否达到要求的性能指标。 1 4 2 论文的组织结构 本文从理论分析入手，研究了电液伺服系统的工作原理、数学模型，建立 了控制系统结构，确立了拟采用的控制策略；在此基础上进入实践部分，详细 7 上海大学硕士学位论文 介绍了基于d s p 的伺服控制器软、硬件设计实现。最后通过实验数据分析得出 了结论，并且对后续工作做了进一步展望。本文围绕“理论分析工程实现 实验分析总结与展望”的组织结构编写完成，思路清晰、重点突出。 组织结构框图如图1 7 所示。 第2 章电液伺服试验机 工作原理及数学模犁 第3 章控制系统结构设 计及控制策略研究 ： ! ，一，、 j j 吖理论j ii 一一7 ：二：| ：二：二：二：二弧：二：二：二：j ：二：二! 图1 7 本文的组织结构 一 里 一一 上海大学硕士学位论文 第二章电液伺服试验机工作原理及数学模型 2 1 试验机主要性能指标 在试验机行业内，对于试验力值较大或者工作环境恶劣的试验机一般都采 用液压施力系统。目前国内外大多数试验机厂家和研究机构都在往电液伺服控 制和电液比例控制方向发展。本课题研究的试验机施力和控制系统就是基于 d s p 的电液伺服型控制系统。根据电液伺服试验机的要求，确定系统的主要性 能及设计指标如下： 最大试验力：6 0 0 k n ； 试验力控制范围：1 2 , - - 6 0 0k n 应力控制速度：1 - 3 0 m p a m i n 活塞行程：2 5 0 r a m 拉伸空间：8 0 0 r a m 压缩空间：7 0 0 m m 变形精度：o 5 位移精度：l 试验力精度：1 具有过载保护功能，试验力大于额定值的3 时，自动卸荷、停机； 具有试验力、位移值预置，试验力峰值记忆等功能； 闭环控制，可实现力、位移，速度等多种控制方式； 具有通讯功能，可以和上位机进行通讯，完成试验数据的存储、分析； 具有c a n 接口； 2 2 电液伺服试验机的系统方案 目前，对万能试验机系统的技术设计方案主要有两种：一种是以采用单片 机等微处理器为核心的测控系统加主机的技术方案，另一种是以现代通用p c 微机为核心的测控系统加主机的技术方案。 9 上海大学硕士学位论文 第一种方案即是采用现代嵌入式微处理器结构，综合集成微电子技术，使 之外形紧凑但是具有完整的计算机功能，甚至有的还具有丰富的联网测控功能， 使用方便、功能齐全。 第二种方案即是利用现代p c 微机的系列总线技术( 如使用比较广泛的i s a 总线、p c i 总线等) ，设计基于试验机系统的专用数据采集卡，且安装于p c 微 机的主机插槽中。它实际上是采用基于i s a 总线或p c i 总线等的万能试验数据 采集卡和虚拟控制器软件，利用现代个人计算机和w i n d o w s 系统，实现微机自 动控制。这种p c 系统适合那些需要全自动微机控制试验过程或者强大数据处 理能力的用户。 本测控系统的设计主要是采取第一种方案，即以3 2 位嵌入式数字信号处理 器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，充分利用d s p 芯片内部所集成的丰富资源，将万能 试验机测控系统设计成简单、便携的测量与控制仪器。和个人计算机相比，嵌 入式数字信号处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点；而相对 子以往的8 位单片机，嵌入式数字信号处理器不仅具有更为丰富的片上外设资 源，而且有更强的实时性，更强大的数字信号处理能力。一般用于一些对实时 性要求很高的场合，适合于信号处理和闭环控制，应用范围涉及汽车工业、医 疗设备、消费电子、工业自动化及仪器仪表等产业。对于万能试验机测控系统 的技术实现，应用嵌入式数字信号处理器完全可以满足性能要求。 2 2 1 系统总体方案 对于万能试验机，需要测量的有三个量：试验力、活塞位移和试样变形， 对应的要实现六种闭环控制方式：试验力恒速率控制、位移恒速率控制、应变 恒速率控制、恒试验力保持、恒位移保持控制及恒应变保持控制。实现方法： 通过控制器给定值与传感器反馈的差值来动态调节伺服阀的开口大小来达到控 制参量的目的嘲。系统的控制精度及其系统的控制可靠性就成为考量系统性能 优劣的两项关键指标。这里所指的可靠性不仅包括系统控制过程的可靠性，同 时包括系统出现失灵，系统所具有的自我保护和预警功能。 试验机主要组成部分： 1 0 上海大学硕士学位论文 1 主机，是试验机的工作平台。 2 液压系统，是试验机的施力与控制机构。 3 伺服控制器，试验机的核心，用于人机交互，实验数据的采集、显示、 处理、存储、打印记录和闭环控制的完成。 一一蚴蛳一一： 图2 - 1 系统总体结构框图 本课题设计的电液伺服试验机系统框图如图2 - 1 所示，以压力传感器、引伸 计和光电编码器作为测量反馈元件，电液伺服比例阀作为执行元件，d s p 作为 主控制器，数据和曲线可以从液晶屏显示，试验结果可由微型打印机打印。系 统配备r s 2 3 2 接口，方便于计算机连接，完成复杂的数据处理。该系统还备有 c a n 接口，便于实现工厂集散控制系统。 2 2 2 机械系统方案 主机采用普通万能试验机主机如图2 - 2 所示，包括底座、油缸，活塞、工 作台、丝杠、立柱、移动横梁机试样夹持部分。油缸采用下置式，活塞的加工 精度、圆周度、直线度要比普通万能试验机高，以减少油缸活塞间的摩擦，从 而保证测量精度和控制精度。横粱由电机驱动，通过调整横梁的位置来调整夹 上海大学硕士学位论文 持空间，上下夹头采用液压系统控制。通过油缸活塞的运动控制工作台的升降， 来完成试样的加载和卸载嘲。 图2 2 电液伺服万能试验机的主机外貌及构成 2 2 3 液压系统方案 材料试验机的特点是试验过程比较平稳，系统最重要的指标是稳定、可靠。 因此在设计试验机时，设计者往往把着眼点放在试验机的精度、功能、可靠性 等指标上，而对试验机的能耗方面考虑得较少，以致设计出的试验机效率较低， 造成能量的浪费”1 。特别对利用液压传动的试验机，绝大多数液压系统都是采 用节流调速，由于存在不可避免的节流损失或溢流损失，从而造成系统的发热。 对于静态试验机来说，如果采用定压系统，在空载和小负载运行时将造成很大 的资源浪费。因此，本课题选用负载适应系统，即系统的工作压力随着负载的 增加而增大。图2 3 为该液压系统的采用方案，该方案使试验机在实现i 刃环控 制的同时，降低了定压系统能耗高、发热大的现象。节约了能源，降低了成本， 简化了结构，提高了液压系统的效率，符合现代科技发展的要求嗍忉。 t 2 上海大学硕士学位论文 图”液压系统原理图 系统压力的选择根据几种因素，低压意味着少的泄漏，但是机械结构将会加 大；高压力会引起高的泄漏，但是将获得更好的动态响应效果和小巧的结构。 根据本系统的机械结构，要实现最大的负载力，需要2 5m p a 的系统压力。 油源分成两部分：伺服油源和夹紧油源。伺服油源为加载系统提供能量， 因为伺服阀抗环境能力较差，因此伺服油源要求清洁度高。夹紧油源为上下夹 头夹紧提供动力，清洁度要求较伺服油源低。 液压控制系统原理：油泵电机组输出额定流量的高压油，经滤油器6 过滤 后经溢流阀5 后进入伺服阀3 ，推动活塞上升，实现加载；伺服阀反向实现卸 载，当载荷降为零后，打开快速回油电磁阀4 ，活塞在重力作用下迅速回落至 底部。 2 2 4 电气系统方案 电气系统采用d s p 作为主控制器，控制器包括数据采集电路，数字量输入 输出电路，p w m 输出电路，d a 输出电路，显示驱动，打印机驱动电路及通讯 模块几部分，集成度高。它作为试验机测控系统的重要组成单元，除了实时采 集处理并显示各传感器所测量的数据、控制伺服阀、电磁换向阀等元件，还为 上海大学硕士学位论文 上位p c 机甚至联网提供了联系的纽带。其主要组成部分如图2 4 所示， 图2 - 4 测控部分框图 基于d s p 的控制器在整个系统中的主要功能分别讲述如下： 1 测量参数的获取 作为一个控制系统，首先需要获取本体的运行状况，才能根据具体的情况 进行判断，改变有关参数进行控制。对于液压万能试验机，需要测量的参数为 试件所承受的负荷量、试件在受力方向上的变形量以及活塞的位移量。这些参 数通过不同的传感器传送到控制器的采集接口。因此，对应不同的传感器，控 制器必须有足够的各种传感器接口。控制器采用查询或者中断的方法获得f o 、 a d 和脉冲输入，然后经过计算得到试验机系统所测量的参数。 2 参数显示 获得参数后，还应该具有人机接口，现在大多数控制器都配备有l c d 液晶 显示模块，通过总线或者数据线将各种结果送到上面显示，以便于用户直观的 得到系统的信息。显示功能是控制器功能的重要组成部分，除了正常的显示参 数，在出现异常时，l c d 可以对用户提示；在使用控制功能时，界面可以辅助 用户进行参数选择。 3 控制功能 控制功能是电液伺服万能试验机控制器最主要的功能单元，它主要包括三 个方面；( 1 ) 试验机移动横梁的升降；( 2 ) 实验钳口的夹紧、松开：( 3 ) 给定 方式下的闭环控制。 试验机所有的试验都是控制活塞的运动来完成，不同的试验只是夹具不一 样。所以在对伺服阀的“数字控制”上，控制器发出的伺服控制命令传递给伺 1 4 罱目豳 |卜ll-l一口一 一霉一 圆圈圈团 上海大学硕士学位论文 服放大器，通过给定伺服比例阀正或负信号，实现加载、卸载。试验机中测量 和控制是两个紧密联系的过程。在实验时所有的动作必须根据测量的数据来判 断选择执行。 在试验机弱电和强电共存的电气系统中，上电和断电顺序必须有严格的要 求，一般系统启动时，先导通弱电系统，再导通强电系统；断开时顺序相反， 先断开强电，再断开弱电，否则可能引起不良后果。在本系统中，开机后，系 统软件会立刻检测控制电路是否导通，如果导通，系统会发出一路开关量给继 电器，引发接触器动作，给系统加上强电，或者由人手动给系统上强电。 对d s p 主控制器而言，通过隔离i o 口控制各种继电器，通过d a 信号 控制伺服阀。更高级的控制则是实现闭环控制，即实时获取反馈传感器的测量 信号，通过计算给出判断、执行信号。 4 错误处理 控制器本身应具备专家数据库或者简单的差错标准，结合试验机系统本身 的状态作出报警或者自动纠错的功能。报警可以是声音的或者闪烁的，便于引 起注意，有的错误要立即切断电源。 5 通讯功能 控制器的通讯功能主要涉及与上位p c 机的通讯以及和其他的d c s 设备通 讯。通过r s 2 3 2 串行口与上位p c 机进行连接，使主控制器与上位p c 机进 行信息、命令的交换。通讯功能要求及时、稳定可靠。通过c a n 总线与其他的 控制系统或d c s 设备进行数据交换。 上述功能要求，决定了在液压万能试验机主控制器中，要在尽可能小的空 间中集成数据采集、处理，闭环控制，人机界面，串行通讯等多功能。传统的 单片机由于功能单一，往往无法满足要求，或者即使可以实现，也需要使用大 量的m c u 协同工作，在信号连接、编程和减少体积方面，都会遇到不小的困 难。如果使用外设丰富且速度更快的数字信号处理器，外加少量的扩展电路则 可完成多中功能，大大减少了设计的困难。所以，目前国内外新型的机电设备 控制器多采用1 6 位和3 2 位高性能的嵌入式控制器，辅助以必要的外围接口实 现。 上海大学硕士学位论文 2 3 电液伺服试验机的工作原理及数学模型 2 3 1 电液伺服试验机系统工作原理 电液伺服试验机伺服控制系统原理嘲见图2 5 。液压动力源输出大量的商压 油进入伺服阀，根据试验要求的应变速率选定斜坡信号，在系统调节作用下， 试样的应变跟踪斜坡。当系统出现扰动( 比如机架刚度影响) 时，试样应变偏离 给定斜坡，通过引伸计( 变形传感器) 将试样应变变成电量，经放大器放大，与 给定斜坡信号经比较器比较，检出偏离的差值，经调节器调节、伺服放大器放 大，驱动伺服阀，伺服阀将电量变成液压油流量。移动活塞消除差值，使试样 应变以一定精度跟踪斜坡达到恒应变速率控制的目的嘲“。用同样的方法可以 实现恒应力、恒位移速率控制，整个系统是在闭环自动调节下工作的“i t 2 。 图2 - 5 电液伺服试验机伺服控制系统原理图 1 6 上海大学硕士学位论文 2 3 2 阀控缸数学模型分析 图2 - 6 阀控缸数学模型 伺服阀的线性化流量方程： q l = e 一疋易 ( 2 1 ) 式中 吼负载流量；a 负载压力；阀芯位移； 疋伺服阀流量增益；疋伺服阀流量压力系数 根据流量连续性定理，液压缸的连续性方程“引“3 为： 吼= 爿- 誓- 7 - + c , 。p t + 矗- 7 - 7 - - 锄2 ； 协z ， 式中 一活塞高压腔面积；活塞位移；液压缸总泄露。 巧液压缸两腔总容积和管道体积之和；愿液压油的有效体积弹性模量 液压缸和负载的力平衡方程为： n = 如争+ 皿鲁+ 巧俨 ， 式中： + _ 一系统可移动部分及负载的总质量；皿活塞和负载的粘性阻尼系数； 爱，负载的弹性刚度：f 作用在活塞杆上的任意外干扰力 将以上三式进行拉氏变换( 为方便起见，仍采用原来符号) ： q l = k q x ，一k c p l 1 7 上海大学硕士学位论文 吼2 a s x p + + 万c t 。哦 p l2 和幽，+ b c s x p + k p + f 、 联立以上三式可得： a k q = 4 2 + ( 老s + + 疋 e ( m t $ - i - 印+ 巧) + ， k = 加瓦7 a 而p t - f + ( 茜，+ 气+ k 见 可得 毛2 p l2 可g q l ，2 + b ：s + k ，、x ，+ 之s 格 降+ 络h 罢+ 擎小等 式中：砭= 疋+ 气包括泄露在内的总的压力流量系数 活塞与控制信号矗之间的传递函数为： 立： k | a 貉 ( 等+ 格嚣+ 擎巾等 活塞位移与外负载信号f 之间的传递函数为： 立： ， 负载压力与控制信号丘之间的传递函数为： 1 8 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 上海大学硕士学位论文 丝： 毛 每( 啊“秘+ 巧) 格 ( 挚+ 貉嚣+ 华中等 负载压力与外负载信号f 之间的传递函数为： 土j 堑：，z 1 。一f 貉 陪a + 貉卜4 孱l 2 4 屈j若a + 华a 小警a4 p e | 1 1 i ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 图2 7 阀控缸系统方块图 由2 - 7 图可以得出试样变形关于控制阀芯位移的传递函数 占 k s k d | a 貉 挚+ 貉罢+ 擎巾等 ( 2 1 2 ) 式中丘= z 1 ，l 为引申计标距，f = 丘 由式( 2 8 ) 、( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) 可以得出，位置控制方式、负荷控制方式和应变控 制方式的开环增益巧、巧及如分别为： = 笔争；巧= 警；如= 警 其中：丘0 、吃r 及置。分别为各控制方式中的控制器的开环增益； 、砀及坼分别为各控制方式中的反馈增益： 从上式可以看出，位置控制方式和应变控制方式的开环增益部分相差一个系数 1 9 上海大学硕士学位论文 k ，他们的开环增益随负载刚度量。的增加而减小。对于负荷控制方式，开环增 益不随负载刚度量。而变化n 3 m ”。 2 5 本章小结 本章首先介绍了拟设计电液伺服试验机的主要性能指标，然后在充分研究 国内电液伺服试验机现有方案的基础上，建立了本电液伺服系统的总体方案并 且分别对机械系统方案、液压系统方案、电气系统方案进行了分析描述。本章 中介绍了电液伺服试验机的系统工作原理并建立了数学模型，针对阀控缸数学 模型进行了详细的分析。给出了活塞与控制信号之间、活塞位移与外负载信号 之间、负载压力与控制信号之间、负载压力与外负载信号之间的传递函数关系。 上海大学硕士学位论文 第三章控制系统结构设计与控制策略研究 3 1 控制系统的组成结构及特性 3 1 1 控制系统的结构组成 基于d s p 的电液伺服控制系统结构设计如图3 - i 所示。从图中可以看出， 主要由如下几部分组成：智能控制器、功率放大器、电液伺服阀、液压缸、传 感器( 反馈测量元件) 五个部分组成“”。其典型结构框图如图3 1 所示 一奄固圆圆一哩团 一一压翟形 + 一一 l + * 图3 1 基于d