（机械电子工程专业论文）电涡流测功机的智能pid控制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 y 5 8 5 9 7 1 随着生产水平的提高、科学技术的发展，测功机已成为科研部门 和动力机械生产厂必须具备的试验设备，高精度、高可靠性和自动化 程度高、稳定性能好的测功机系统是现代科技的需求。 目前，大多数测功机系统还在使用模拟控制方案。模拟控制的测 功机系统自动化程度不高，生产效率比较低。只有运用先进的全数字 化测功系统，才能达到新型动力机械的测试要求，得到高精度、高准 确率的实验数据，以满足试验要求。 另外，在测功机控制系统中，由于工况经常变化，导致某工况下 整定的p i d 控制器的参数不满足实际运行需要。重新整定p i d 参数要 求操作人员具有较高的理论基础和现场调试经验，而且，着系统性能 稳定性较差，则需频繁地进行参数整定，这将会影响生产的正常运行。 计算机技术的引入将过程控制系统带入智能时代，促使生产过程 自动化控制技术向智能化发展。过程监控系统具有智能的特点是它能 适应被测参数的变化并能进行自动补偿、自动校正、自动选择量程、 自动识别和故障诊断等。研制具有智能功能的p i d 数字调节器，确定 电涡流测功机进行自动控制的最佳自动控制计算方法与控制策略，实 现与现有电涡流测功机的优化匹配，确定出被测件在各种性能试验过 程中的最佳p i d 调节参数，已成为一种有较大实际意义而又切实可行 的研究方向，这也是本课题的基本出发点。 本文的工作主要针对某模拟控制的电涡流测功机测控系统进行 研究，完成了全数字化改造，并对智能型p i d 控制器的设计及其在测 控系统中的实现进行了研究。本文的研究成果主要体现在以下几个方 面： 1 )对原有测功机测控系统进行数字化改造，开发出基于 工控机的电涡流测功机综合测控系统，该系统充分利用了 缝恽1 瓢导婚觚 勃垒文公布 北京交通大学硕士学位论文 摘要 工控机的软硬件资源，用组态软件开发出测控系统的操作 平台，实现了测功机试验过程的数据采集、处理、显示与 自动报表、实时控制、报警、数据保存等功能。 2 )用v c 开发出数据的高速采集界面，实现各路数据的高速 采集与保存。 3 )提出了一种基于m a t l a bf i s 工具箱的模糊自整定p i d 控 制器的设计与实现方法，它将m a t l a b 工具箱与监控组 态软件结合，可以在实现p i d 参数在线自整定的同时，将 复杂的控制算法应用于工业现场。 4 )对设计的智能型p i d 控制器在实验室中进行了仿真实验， 结果表明能够实现p i d 控制器参数的在线自整定，符合设 计的预定要求。 该测控系统已在现场投入使用，结果表明能够在各种工况下稳定 运行，满足试验要求，得到了用户的好评。 关键词：电涡流测功机，组态软件，自整定p i d ，m a t l a b i i 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，e r g o g r a p h h a sb e e nt h e n e c e s s a r yt e s t i n ge q u i p m e n tf o r s c i e n t i f i cr e s e a r c h d e p a r t m e n ta n d f a c t o r yo fp o w e r m a c h i n e ，t h ee r g o g r a p hs y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o n ， h i g hr e l i a b i l i t y ，h i g ha u t o m a t i z a t i o na n dg o o ds t a b i l i t yi sr e q u i r e df o r m o d e m t e c h n o l o g y m o s te r g o g r a p hs y s t e mu s e st h e p r o j e c t o fa n a l o gc o n t r o la t p r e s e n t t h ee r g o g r a p hs y s t e m w i t ht h e a n a l o g c o n t r o lh a sl o w a u t o m a t i z a t i o na n de f f i c i e n c y o n l yu s i n gt h ef u l l d i g i t a l a d v a n c e d e r g o g r a p hs y s t e mc a nw er e c e i v et h ed a t aw i t hg o o dp r e c i s i o na n d v e r a c i t y i na d d i t i o n ，t h ep i dp a r a m e t e r st u n e da tc e r t a i nc o n d i t i o nc a n t a c c o r dw i t ht h ep r a c t i c a lr e q u i r eb e c a u s et h ec o n d i t i o nc h a n g e so f t e n i nt h ee r g o g r a p hc o n t r o ls y s t e m t h ej o c k e yh a st om a s t e re n o u g h t h e o r y a n d d e b u g g i n ge x p e r i e n c e i fh ew a n t st ot u n et h ep i d p a r a m e t e r sa g a i n ，f u r t h e r m o r e ，i t n e e d st ot u n et h e p a r a m e t e r s f r e q u e n t l y i ft h es y s t e mh a sb a ds t a b i l i t y ，w h i c hm a y b ea f f e c tt h e n a t u r a lo p e r a t i o n t h ei n t r o d u c t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g yl e a d sp r o c e s sc o n t r o lt o i n t e l l i g e n te r a t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o li ss i g n i f i c a n t t ot h e f i e l do f e n g i n e e r i n g t h ep a p e r sc o n t e n ti st h er e s e a r c ha b o u tt h ec o n t r o ls y s t e mo f e l e c t r i c a lv o r t e xe r g o g r a p h ，w h i c hu s e st h ep r o j e c to fa n a l o gc o n t r 0 1 t h em a i n p r o d u c t i o n s o ft h ep a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 1r e b u i l d t h eo l dc o n t r o l s y s t e m o fe l e c t r i c a l v o r t e x e r g o g r a p h a n db u i l daf u l l d i g i t a l m e a s u r e m e n ta n d i i i 北京交通大学硕士学位论文 c o n t r o l s y s t e m b a s e do ni n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e r d e v e l o p t h eo p e r a t i o n a li n t e r f a c ef o rt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l s y s t e mu s i n g w i t h c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e i t a c h i e v e sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sd a t ac o l l e c t i o n ，d i s p l a y ， s a v e ，r e a l t i m ec o n t r o la n ds oo n 2 1 d e v e l o p t h e o p e r a t i o n a l i n t e r f a c ef o r h i g h s p e e d d a t a c o l l e c t i o nu s i n gw i t hv c i ta c h i e v e st h ef u n c t i o no fd a t a c o l l e c t i o na n ds a v ew i t hh i g h s p e e d 3 ) b r i n gf o r w a r dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs e l f - t u n i n g f u z z yp i d c o n t r o l l e rb a s e do nf i st o o l b o xf o rm a t l a b ， b y m e a n s o f d e v e l o p i n ga c t i v e x ，t h e t o o l b o xf o r m a t l a ba n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r ec o m b i n e d a sar e s u l t ，n o to n l yo n l i n ea u t o m a t i ct u n i n gi sr e a c h e d ， b u ta l s oc o m p l e xc o n t r o la l g o r i t h m sc a l lb ea p p l i e dt o i n d u s t r i a l 】o c a l e 4 ) m a k et h ec o m p u t e r s i m u l a t i o no f s e l f - t u n i n gf u z z y p i d c o n t r o l l e r t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t i ta c c o r dw i t ht h e d e s i g nr e q u i r e m e n t t h e d i g i t a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m o fe l e c t r i c a lv o r t e x e r g o g r a p hh a sb e e na p p l i e dt o t h ei n d u s t r i a ll o c a l e ，a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h es y s t e mc a nw o r kw e l l ，w h i c hs a r i s f yt h eu s e r s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lv o r t e xe r g o g r a p h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e s e l f - t u n i n gf u z z y p i dc o n t r o l l e rm a t l a b 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题目的和意义 随着生产水平的提高、科学技术的发展，测功机己成为科研 部门和动力机械生产厂必须具备的试验设备。高精度、高可靠性 和自动化程度高、稳定性能好的测功机系统是现代科技的需求。 测功机系统是用于测量各种动力机械转速、扭矩、功率的测 试设备，它作为电机的试验负载和输出参数的计量装置，在电机 的生产、检验、测量等领域有着广泛的应用。 目前，大多数测功机系统还在使用模拟控制方案。该系统由 于元器件老化，参数漂移，机械配合的误差等原因，致使模拟控 制的测功机系统始终处于一种自动化程度不高的状态，在系统中 加载、调整、稳定参数、检验记录等一系列步骤不能同时完成， 给实时数据分析带来一定难度，在每一状态都需较多的人力和较 长的时间，效率较低。因此，对模拟控制的测功机系统的全数字 化改造已势在必行。只有运用先进的全数字化测功系统，才能达 到新型动力机械的测试要求，得到高精度、高准确率的实验数据， 以满足试验要求。 另外，在测功机控制系统中，由于工况经常变化，导致某工 况下整定的p i d 控制器的参数不满足实际运行需要。重新整定 p i d 参数要求操作人员具有较高的理论基础和现场调试经验，而 且，若系统性能稳定性较差，则需频繁地进行参数整定，这将会 影响生产的正常运行。 计算机技术的引入将过程控制系统带入智能时代，促使生产 过程自动化控制技术向智能化发展。过程监控系统具有智能的特 点是它能适应被测参数的变化并能进行自动补偿、自动校正、自 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 动选择量程、自动识别和故障诊断等。研制具有智能功能的p i d 数字调节器，确定电涡流测功机进行自动控制的最佳自动控制计 算方法与控制策略，实现与现有电涡流测功机的优化匹配，确定 出被测件在各种性能试验过程中的最佳p i d 调节参数，已成为一 种有较大实际意义而又切实可行的研究方向，这也是本课题的基 本出发点。 1 2 国际国内研究状况和进展 目前，国外已经开发出了测功机动态试验台，具有代表性的 有德国申克、西门子、奥地利a v l 、日本小野测器等公司的产品。 近年来国内些单位相继引进了这些公司的产品。试验台采用交 流电力测功机作为加载装置，有较好的综合性能，但价格昂贵， 控制复杂。英国、日本及国内在开发低成本的发动机动态测试试 验台方面进行了探索，采取电涡流测功机与发动机直接相联的型 式，取得了一定成绩，但由于电涡流测功机性能的限制，使得模 拟精度的提高和实际应用受到限制。 国内应用较广的电涡流测功机，5 0 k w 以下的多为天津大学 内燃机车研究所研制生产的z d c 系列直流电力测功机、山东省 内燃机研究所研制的直流电力测功机和湖南大学等开发的交流 电力测功机。中国航空工业总公司南峰机槭厂、湖南仪器仪表总 厂的c w 系列电涡流测功机控制方式主要有恒转速和恒扭矩控制 方式。恒转速控制方式时将转速的设定值和实测值进行比较，比 较后的差值经p i d 调节，按选定的控制方式自动调节涡流制动器 的励磁电流，改变测功机的转速，使其等于设定值，达到所要求 的控制特性。恒扭矩控制方式则将扭矩的设定值和实测值进行比 较，比较后的差值经p i d 调节，按选定的控制方式自动调节涡流 制动器的励磁电流。改变测功机的扭矩，使其等于设定值，达到 一2 一 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 所要求的控制特性。 国内外测功机控制系统基本上采用常规p i d 控制方式。p i d 控制方式是较早发展起来的控制策略之一，传统的p i d 控制算法， 由于其运算简单、调整方便、鲁棒性强，长期以来普遍被采用， 并积累了丰富的运行经验，所以到目前为止，在过程控制中，这 种控制算法仍占据相当重要的地位。但是，这种常规的p i d 控制 也存在着不足： 第一：虽然存在很多p i d 参数的整定方法和经验公式，但是 整定过程始终离不开人的参与，整定不仅费时间，而且参数间相 互影响，往往难以收到最优效果： 第二：当被控对象的特性在某些范围内变化时，p i d 的控制 效果很差，甚至不能控制； 第三：即使对被控对象整定了一组满意的p i d 参数，当对象 特性发生变化时，也难以保持良好的控制性能。 近年来，国内对于智能控制在测功机控制系统中的应用也进 行了初步研究与探讨，如文献【1 】中介绍了模糊控制技术在 4 0 0 k w 电力测功机测控系统技术改造中的应用情况，文献【2 】 介绍了一种采用双入单出型模糊控制方法实现的涡流测功机的 控制器。 1 3 论文所做的工作 本文的工作主要针对某模拟控制的电涡流测功机测控系统 进行研究，采用工控机与p c i 板卡实现电涡流测功机的控制接口， 利用力控监控组态软件的开发平台，开发出一套基于电涡流测功 机的综合测控系统，实现系统报警、图形显示及人机对话、现场 数据的采集与输出、数据的处理与控制算法的实现、实时数据的 存储以及报表的生成等功能，完成了全数字化改造，并对智能型 一3 一 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 p i d 控制器的设计及其在测控系统中的实现进行了研究。 本文所做的工作主要体现在以下几个方面： 1 ) 对原有测功机测控系统进行数字化改造，开发出基于 工控机的电涡流测功机综合测控系统，具体内容见第 三章： 2 )利用组态软件开发出测控系统的操作平台，实现了数 据采集、处理、显示与自动报表、实时控制、数据保 存等功能，在第四章详细阐述了该部分内容； 3 )用v c 开发出数据的高速采集界面，实现各路数据的 高速采集与保存，具体内容见第四章； 4 )提出了一种基于m a t l a b 模糊逻辑工具箱的模糊自整 定p i d 参数控制器的设计与实现方法，它将m a t l a b 工具箱与监控组态软件结合，在实现p i d 参数在线自 整定的同时，将复杂的控制算法应用于工业现场，具 体内容见第五章： 5 )对设计的智能型p i d 控制器在实验室中进行了仿真实 验，结果表明能够实现p i d 控制器参数的在线自整定， 符合设计的预先要求，具体内容见第五章。 北京交通大学硕士学位论文 第二章智能p i d 控制概述 第二章智能p i d 控制概述 2 。1 智能控制的产生和发展 2 1 1 智能控制产生的背景 自8 0 年代以来，智能科学和控制科学在发展中遇到一些新 的问题。人工智能的进一步发展不但需要寻求新的理论突破，而 且需要发现新的应用领域，自动控制的发展也面临一系列困难与 挑战。由于传统控制理论( 包括古典的和现代的) 已无法处理那 些含有复杂性、强非线性、不确定性、不完全性以及无法用传统 数学模型建模的系统，因此，自动控制也在寻找它的新的出路， 以求解决面临的难题。在这种背景下，人工智能与自动控制的结 合，创造出新的前沿交叉学科一一智能控制，就成为科学发展的 必然。 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目 标或任务的复杂性而提出来的。而人工智能、计算机科学、信息 科学、思维科学、认知科学和人工神经网络的连接机制等方面的 新进展和智能机器人的工程实践，从不同的角度为智能控制的诞 生奠定了必要的理论和技术基础。被控对象的复杂性主要表现 为：模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器， 动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，以及庞大的资料量等。 环境的复杂性是以其变化的不确定和难以辨识为特征的。在 传统的控制中，往往只考虑控制系统和受控对象所组成的“独立” 体系，忽略了环境所施予的影响，而现在的大规模复杂的控制和 决策问题，必须把外界环境和对象，以及控制系统作为一个整体 5 一 北京交通大学硕士学位论文第二章智能p i d 控制概述 来进行分析和设计。 对于控制任务或控制目标，以往都着眼于用数学语言进行描 述，这种描述经常是不确定的。实际上，控制任务和目标有多重 性( 多目标) 和时变性，一个复杂任务的确定，需要多次的反复， 而且还包括任务所含信息的处理过程，也即任务集合的处理。 面对复杂的对象、复杂的环境和复杂的任务，用传统的控制 理论和方法去解决是不可能的。 传统的控制理论虽然也有办法对付控制对象的不确定性和 复杂性，如自适应控制和鲁棒( r o b u s t ) 控制也可以克服系统中 所包含的不确定性，达到优化控制的目的。但是自适应控制是以 自动调节控制器的参数，使控制器与被控对象和环境达到良好的 “匹配”，以削弱不确定性的影响为目标。从本质上说，自适应 和自校正控制都是通过对系统某些重要参数的估计，以补偿的方 法来克服干扰和不确定性。它较适合于系统参数在一定范围内的 缓慢变化情况。 鲁棒控制则是在定的外部干扰和内部参数变化作用下，以 提高系统的不灵敏度为宗旨来抵御不确定性的。根据这一思想和 原理所导出的算法，其鲁棒的区域是很有限的。 因此，在实际应用中，尤其在工业过程控制中，由于被控对 象的严重非线性，数学模型的不确定性，系统工作点变化剧烈等 因素，自适应和鲁棒控制存在着难以弥补的严重缺陷，其应用的 有效性受到很大的限制，这就促使人们提供新的控制技术和方 法。 人们从实践中观察到人类具有很强的学习和适应周围环境 的能力。有些复杂的系统，凭人的知觉和经验能很好地进行操作 并达到较理想的结果。这就产生了一种仿人的控制理论和方法， 形成了智能控制产生的背景。 一6 一 北京交通大学硕士学位论文第二章智能p i d 控制概述 与传统的控制理论相比，智能控制对于环境和任务的复杂性 有更大的适配度。它不仅仅是对建立的模型，而且对于环境和任 务能抽取多级的描述精度，进而发展了自学习、自适应和自组织 等概念，所以能在更广泛的领域中获得应用。 2 2 2 智能控制的发展 智能控制是人工智能和自动控制的重要组成部分和研究领 域，并被认为是通向自主机器递阶道路上自动控制的顶层。图2 一l 表示自动控制的发展过程和通向智能控制路径上复杂性增加的 过程。从图中可知这条路径的最远点是智能控制，至少当前是如 此。 图2 - l 自动控制的发展过程 六十年代中期，传统自动控制与人工智能开始交接。1 9 6 5 年， 著名美籍华裔科学家傅京孙教授首先把人工智能中的启发式推 理规则用于学习控制系统，然后，他又于1 9 7 1 年论述了人工智 能与自动控制的交接关系。由于傅教授的重要贡献，他已成为国 际公认的智能控制的先行者和奠基人。模糊控制是智能控制研究 的活跃领域之一。扎德( z a d e h ) 于1 9 6 5 年发表了他的著名论文 一7 一 北京交通大学硕士学位论文 第二章智能p i d 控制概述 “模糊集合”( f u z z ys e t s ) ，开辟了模糊控制的新领域。1 9 6 7 年，利昂兹( l e o n d e s ) 等人首次正式使用“智能控制”一词。 初期的智能控制系统采用一些比较初级的智能方法，如模式识别 和学习方法等，发展速度缓慢。 十几年来，随着人工智能和机器人技术的快速发展，对智能 控制的研究出现了一股新的高潮。各种智能决策系统、专家控制 系统、学习控制系统、模糊控制系统、神经控制系统等已被应用 于各类工业过程控制系统、智能机器人系统和智能化生产制造系 统。 2 2 智能p i d 控制 2 2 1 概述 电涡流测功机的控制方式中采用的p i d 控制是最早发展起来 的控制策略之一。传统的p i d 控制由于其算法简单、鲁棒性好和 可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可 建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往 往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用 常规p i d 控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场 中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规p i d 控制器参数往 往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 随着控制理论的发展，出现了各种分支，如专家系统、模糊 逻辑、神经网络、灰色系统理论等，它们和传统的p i d 控制策略 相结合又派生出各种新型的p i d 控制器，包括模糊p i d 控制器、 专家系统整定的p i d 控制器、各种神经网络p i d 控制器、基于遗 传算法整定的p i d 控制器、多变量解耦p i d 控制器、非线性鲁棒 p i d 控制器、灰色p i d 控制器等，这些新型的智能p i d 控制器大 一8 一 北京交通大学硕士学位论文第二章智能p i d 控制概述 大改进了传统p i d 控制器的性能。 在p i d 控制中，关键问题是p i d 参数整定。传统的方法是在 获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定p i d 参数。 工程上有时单凭经验，在系统调试时估计出p i d 参数值。然而由 于设备运行中负荷变化、噪声及各种因素等干扰将引起对象模 型参数较大变化甚至模型结构改变，故常规p i d 参数在线优化调 整近年来倍受关注。如文献【2 l 】中对在工业过程控制中使用的 自整定p i d 调节的设计方法与关键技术进行了全面综述和评价； 文献【2 2 】提出了一种适合于程序温控仪使用的p i d 参数自整定 算法；文献【2 3 】提出了一种适用于同步发电机励磁系统的模糊 参数自适应p i d 控制器的设计方法；文献【2 4 】对神经元自适应 p i d 控制器进行了研究；文献【2 5 】提出了一种基于遗传算法的 p i d 参数自整定的方法，并结合工程实际，实现了p i d 参数的全 局最优化。 2 2 2 模糊p i d 控制 近几年来，模糊逻辑与神经网络、遗传算法一起形成计算智 能这一新兴学科的三大组成部分，成为研究智能控制的重要基 础，智能控制在工程应用中也获得了及其广泛的应用。尤其是模 糊控制，自从1 9 7 4 年英国的马丹尼曹先设计了模糊控制器，并 成功应用于锅炉和蒸汽机的控制以来，模糊控制技术在工业过程 控制、运载工具控制、机器人控制以及家电产品中的应用中，技 术越来越成熟。 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模 糊逻辑的规划推理为理论基础， 具有反馈通道的数字控制系统。 糊控制器。 采用计算机控制技术构成的一种 它的组成核心是具有智能性的模 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章智能p i d 控制概述 模糊控制器不要求掌握受控对象的数学模型，而根据人工控 制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量大小。它的响应 特性优于普通p i d 控制，并且具有较好的鲁棒性。特别对非线性 和时变性的被控对象，可获得较满意的控制效果。另一方面，模 糊控制是以系统误差e 和误差变化率e c 为输入语言变量，因此它 具有类似于常规p d 控制器的作用，采用该类模糊控制器的系统 有可能获得良好的动态特性，而静态特性不能令人满意。因此， 将模糊控制与p i d 控制结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵 活、适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。 在模糊p i d 控制中，为了进一步完善p i d 控制器自适应性能， 还有一些其它形式的模糊p i d 控制器。目前较多的是采用对被控 对象的在线辨识，然后根据一定的控制要求或目标函数，对p i d 控制器的3 个参数( k p ，k i ，k d ) 进行在线调夔。 本文采用模糊控制与常规p i d 控制相结合，根据p i d 三个参 数与偏差e 和偏差变化率e c 之间的关系，在运行中通过不断检测 e 和e c ，利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修改，形成所谓 模糊自整定p i d 控制，实现电涡流测功机控制系统在不同工况下 的p i d 参数在线自整定。 一1 0 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 第三章 电涡流测功机测控系统的硬件改造 3 1 电涡流测功机的结构与工作原理 3 1 1 电涡流测功机的结构 电涡流测功机主要用于对发动机进行转速、扭矩和有效功率 的测试及性能试验，可以对其它原动机和电机、齿轮箱、油泵油 嘴调速器等零部件进行性能试验、耐久试验和型式试验。尤其适 用于装各各种试验台架，对发动机、整车及其部件进行不同工况 的运行和试验。测功机及其控制系统的性能直接影响台架试验的 顺利进行。 盘式电涡流测功机的外形如图3 - 1 所示，它主要由转予部分 ( 感应部) 、摆动部分( 电枢和励磁 绕组) 和固定部分组成。 转子部分主要由转子轴、转子盘、 测速齿盘、联轴节等组成，转子盘由 导磁材料制成，其外圆带有与柱形齿 轮相仿的的外形齿槽，通 过联轴节和原动机联接并一起旋转，图3 - 1 盘式电涡流测功机 转子盘用于产生涡流，测速齿盘使转速传感器产生转速脉冲信 号。 摆动部分主要由涡流环、外环、励磁线圈、摆动水管、测力 臂架等组成，励磁线圈中通过励磁电流，产生磁场，当转子盘转 动时在涡流环上感生出涡电流，使涡流环发热，经摆动水管进入 涡流环的冷却水把热量带走。电磁作用又使摆动部分偏转，通过 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 测力臂力臂架作用到扭矩传感器上，使其产生与转动扭矩成正比 的电信号。 固定部分主要包括底座、摆动体支架、进出水管、水压监测 器、油位监测器、润滑油泵、扭矩传感器、转速传感器、接线盒 等。固定部分支持着摆动部分和转子部分，并完成水路系统，油 路系统和电路系统的连接。 测功机上装有各种安全报警装置，当所监测的参数超过安全 数值时自动报警，如超转速报警、急停报警、冷却水压力和温度 报警、润滑油泵报警、涡流环超温报警等等。 3 1 2 工作原理 电涡流测功机是利用电涡流制动原理工作的，通过对转子的 制动，达到给原动机加负载的目的。 在励磁线圈中，通过直流电流时，磁场产生的磁力线逶过转 子盘、涡流环、摆动体外壳和它们之间的空气隙而闭合。由于转 子盘的外圆上有均布的齿和槽，转子盘周围的空气隙因丽也大小 相间均布，这样在转予盘的周围就产生了疏密相间的磁力线。当 转子盘转动时，这些疏密相闻的磁力线和转子盘同步旋转。对于 涡流环( 内表薤) 上的任意一个固定点，穿过它的磁力线发生周 期变化，所以在这点周围就产生了涡电流。 转子转动时，所有涡流环上对应转子齿顶的点产生涡电流， 这些点在磁场作用下受力方向与转动方向相同。所有涡流环上对 应齿槽的点的受力方向与转子转动方向相反，因前者的力远远大 予后者( 疏密不同) ，所以整个涡流环上所受合力方向与转子转 动方向相同，使摆动体向转动方向偏转。 转子施加个作用力使摆动体偏转的同时，也受到摆动体对 它的一个反作用力，对转子产生制动扭矩，因而使转子以一确定 一1 2 一 北京交通大学硕士学位论文第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 的转速旋转。 3 2 电涡流测功机试验台及其测控系统 3 2 1 试验台结构 本文研究的电涡流测功机为液力液压试验台的一个组成部 分。液力液压试验台的动力为1 0 0 0 k w 直流电机，吸功设备为西 德申克公司的1 2 0 0 k w 电涡流测功机，图3 2 为试验台的结构示 意图。 le 过坩l 4 - f j i l t 2 糟谜箱 5 艘试悸 3 搬矩传感嚣 6 溅劝帆 图3 2 电涡流测功机试验台结构示意图 电机输出经增速箱以后最高转速即被试件的输入转速可达 3 0 0 0 转分，输入扭矩仪为美国l e b o w 公司的1 6 0 0 - 5 0 k 型动态测 扭仪。最大输入扭矩可达5 0 0 0 n m 。为使试验台架使用方便，为 被试件设计了多功能液压单元，并为测功机设计了变频恒压供水 系统，大大简化了试验台的操作。所有测试参数全部由美国b f 公司的采集系统完成，数据可实时显示、打印输出。 3 2 2 测控系统 液力液压试验台的控制系统由高压开关柜、整流变压器、控 制单元、快速开关、直流接触器、平波电抗器等部分组成。其中 控制单元有六个控制柜组成，完成辅机控制、励磁控制、速度调 1 3 一 南 由 占 岳 舌 占 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 节、整流、保护功能。为使系统运行平稳可靠，主机控制采用了 双闭环控制技术，同时系统还配有大量自我保护措施。使整套系 统不仅控制可靠，而且操作简便。 操纵台和数采系统主要有控制台，计算机，测量柜组成。操 纵台全部采用低压控制，有监视仪表、操作按钮、故障汇总板组 成，如图3 3 所示。计算机可以监视所有测试信号并完成信号的 采集、处理、输出。测量柜有多路模拟信号通道和数字信号通道， 可实现压力、温度、扭矩转速、流量等信号的放大调理。但运行 操作界面为d o s ，数据报表处理等功能不完善，且不具有智能功 能。 图3 - 3 液力液压试验台操纵台 电涡流测功机测控系统各单元装于标准柜中，与测功机及原 动机通过电缆实现电气连接。 电涡流测功机工作时，安装在涡流制动器上的扭矩传感器测 量的信号经电缆传给扭矩显示装置，经放大后在显示面板上以数 字形式显示出来；与此同时，该扭矩实际值的电压被送到测量调 节装置，对涡流制动器进行控制调节。 测量调节装置的控制功能是通过对实际值、设定值的比较， p i d 伺服放大器的放大处理后，由输出级来完成的。 一1 4 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 整个调节控制电路是一个完整的闭环自动调节系统。将测功 机的转速( 或扭矩) 实际值与可调的设定值( 电压) 进行比较， 比较后的差值经p i d 放大器放大后，按选定的控制方式自动调节 涡流制动器的励磁电流，改变测功机的转速( 或扭矩) 值，使其 等于设定值，达到所要求的控制特性。图3 4 为系统的调节控制 框图。 图3 4 系统调节控制框图 试验中常用的控制方式有两种：恒转速控制方式和恒扭矩控 制方式。 在恒转速控制方式下工作时( 图3 4 中标有“8 ”的逻辑开关 接通) ，转速实际值加到比较器的同相输入端，转速设定值加到 反相输入端。当转速实际值大于设定值时，比较结果输出正电压， 经p i d 放大后，使控制电压增加，再通过移相触发器使可控整流 桥的导通角增加，加大励磁电流，增大制动扭矩使实际转速下降； 同理当转速实际值低于转速设定值时，调整的结果使实际转速上 升，直到实际转速等于设定转速值。 在恒扭矩控制方式下工作时( 图3 - 4 中标有“9 ”的逻辑开关 接通) ，扭矩实际值加到比较器的反相输入端，与加到同相输入 一1 5 北京交通太学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 端的设定值比较，如果扭矩实际值高于设定值，比较器输出负电 压，通过p i d 放大，使控制移相触发器的电压减小，可控整流桥 导通角减小，使励磁电流减小，扭矩下降；当扭矩实际值低于设 定值时，调节控制结果使扭矩上升，直至实际扭矩与设定扭矩相 等。 图3 4 中标有1 、6 、7 的逻辑开关接通，分别表示在自然特性、 转速比例、转速平方控制方式下工作。 3 3 控制系统的硬件改造 3 3 1 概述 液力液压试验台主要完成的功能为测量被测件( 主要是齿轮 箱) 的效率，以及在试验过程中各路信号的数据显示、采集与处 理等。 测控系统主要的工作有：模拟量输入信号的数据采集与处 理、开关量输入信号的采集与处理、脉冲信号的采集与处理以及 向现场发送模拟量输出信号和开关量控制信号。 原有的测控系统使用模拟控制方案，该系统由于元器件老 化，参数漂移，机械配合的误差等原因，致使模拟控制的测功机 系统始终处于一种自动化程度不高的状态，在系统中加载、调整、 稳定参数、检验记录等一系列步骤不能同时完成，给实时数据分 析带来一定难度，在每一状态都需较多的人力和较长的时间，效 率较低。 为此，需要对原有的电涡流测功机试验台进行数字化改造， 开发出基于工控机的电涡流测功机综合测控系统，将操作台的电 控调节方式改造为计算机软操作方式，亦即通过键盘及鼠标实现 对试验台的控制操作。 一1 6 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 为更好的实现以上技术要求，系统选择了研华公司的 p c a 一6 1 8 4 型主机，该机具有性能卓越、安全、稳定的特点，是工 业现场理想的工作平台；显示部分采用三星公司的1 7 英寸的纯平 显示器：数据采集卡选用研华公司的p c i l 7 1 l 以及p c l 7 2 0 型板 卡，其中p c i l 7 1 1 卡提供1 6 路数字量输入通道、1 6 路数字量输出 通道、1 6 路模拟量输入通道、2 路模拟量输出通道、l 路计数定 时通道，a d 、d a 转换器位数为1 2 b i t ；p c l 7 2 0 提供3 2 路数字量 输入通道、3 2 路数字量输出通道、3 路计数定时通道。 改造后的测控系统的硬件结构框图如图3 5 所示。其设计原 则为：结构规范，扩展功能强，可维护性好，维修方便，抗干扰 能力强，结构合理。 图3 - 5 测控系统硬件结构框图 3 3 2 信号测量 1 转速测量 被原动机带动旋转的电涡流制动器的转轴上装有测速齿盘 一1 7 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 一般为6 0 个齿，每转一周，装在测速齿盘附近的转速传感器接收 6 0 个脉冲信号。如果脉冲信号的频率为f ( h z ) ，n 为原动机的转 速( r m i n ) ，z 为测速齿盘的齿数( 一般z = 6 0 ) 则有： f = nxz 6 0 = n 6 0 6 0 = n 可见，测速齿盘上有6 0 个齿时，转速传感器接收的脉冲信号 的频率在数值上与原动机的转速数值相同。 转速传感器检出的脉冲信号经放大整形后，送入到p c l 7 2 0 板 卡的定时计数通道，同时经频率电压变换成与转速成正比的0 i o v 直流电压，送入p c i l7 l l 板卡的模拟量输入通道，从而形成可 用于调节控制的转速实际值。 2 扭矩测量 电涡流制动器摆动部分的偏转通过测力臂架把力作用在扭 矩传感器上，由它转换成与扭矩大小成正比的o i o v 电压信号， 送入p c i1 7 11 板卡的模拟量输入通道。 3 温度测量 出口油温和入口油温采用p t l 0 0 分度热电阻进行测量。 4 操纵油压测量 各路操纵油压信号经压力变送器，输出为4 2 0 m a 信号，经 调理变成o l o v 标准电压信号，送入p c i l 7 l l 数据采集卡中。 3 3 3 信号调理箱 为更好的完成系统的数据采集与控制功能，设计了信号调理 箱，它以信号转接电路板为核心，采取模块化设计，即插即用思 想，设计灵活，用户可以根据实际需要方便的完成不同信号的转 换与测量。图3 - 6 为信号调理箱的外型图。 一1 8 北京变通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机铡控系统的硬件改造 图3 - 6 信号调理箱外型图 一、技术性能 信号调理箱可以实现工控机与现场中各种信号( 包括开关量 i i o 、模拟量i o ) 之间的转换。 l 、开关量输出信号( d o ) 的转换：由工控机送出开关量控 制信号，经信号调理箱送往现场，接通或断开现场回路。 实现对现场的开关量信号进行控制。 2 、开关量输入信号( d i ) 的转换：由现场送来的开关量信号， 经信号调理箱送至工控机，检测现场的各回路是否接通。 实现对现场的开关量信号进行监测。 3 、模拟量输出信号( a o ) 的转换：工控机发出模拟量控制 信号，经信号调理箱送往现场，实现模拟量信号的输出， 如：可以实现对输入转速和输出扭矩的控制。 4 、模拟量输入信号( a i ) 的转换：现场送来的模拟量信号， 经信号调理箱送至工控机，完成对现场各路模拟量信号 ( 如：温度、压力等) 的采集和显示。 二、结构布置 信号调理箱采用直线型结构设计，配以白色外壳，面板布置 美观简洁，操作简单直观。在结构设计上，为了使现场操作人员 操作方便，将各单元都以插头形式相连，避免了用户开箱接线的 一1 9 一 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 麻烦。 信号调理箱主要由下列部分组成；壳体、信号转接电路板、 p c i 板卡接线端子、拨动开关、接口插头等。 信号调理箱后面板有一个接口端，接工控机内的p c i 板卡， 如图3 7 所示。 图3 7 信号调理箱后面板图 图3 - 8 信号调理箱前面教图 信号调理箱前面板有两排接线端子和一排拨动开关，如图 3 - 8 所示。 最上面一排是两个拨动开关，左边的控制输入转速信号，右 边的控制输出扭矩信号。拨动开关拨向左边是手动工作方式，由 操作人员在控制柜上进行手动操作；拨向右边是自动工作方式， 由工控机的输出信号进行控制。 一2 0 北京交通大学硕士学位论文 第三章电涡流测功机测控系统的硬件改造 中间排共有六个接线端子，这是工控机输出的模拟量信号 ( 转速与扭矩) 与外部设备之间的接线端子。 下面一排共有三个接线端子，从左至右端子的名称分别为 c z a 、c z d i 、c z d o ，分别接接模拟量信号的输入输出、开关量 信号的输入、开关量信号的输出。三个端子的端子号定义均如图 3 - 9 所示。 o 嘲 ， 图3 - 9 端子号定义 三、工作原理 信号调理箱的主要功能就是实现工控机与现场中各种信号 ( 包括开关量u o 、模拟量i o ) 之间的转换及连接。现场信号、 信号调理箱及工控机之间信号传送关系如图3 1 0 所示： 信号调理箱 一，一一 控错栀l j 札 i a 0 0 嚣 1c z a ， c z d o1 7 1 1 l 影 工控机线路板 广 端子 控制柜1 j 盯 0 0 ：! ； , ；z o o 现场+ ( 0 v i ) 琨场一( 4 ) 控制柜电位嚣 现场扭矩信号 现场 开出信号 c z d i 、 开入信号 1 d i；、 c z d i a i 是 隈1 日亍。，c z 图3 - 1 0 信号调理箱外部接线结构图 一2 1 北京交通大学硕士学位论文