（机械电子工程专业论文）zms综合实验台尾架控制系统设计.pdf

z m s 综合实验台尾架控制系统设计 仲福惟( 机械电子工程) 指导教师：李安副教授 摘要 为t a n 强我国石油机械行业摩擦制品的检测环节，中国石油大学摩擦 学研究室研制了z m s 综合模拟刹车实验台。z m s 综合模拟刹车实验台的测 控系统包括主电机调速系统、液压站控制系统、气压站控制系统、冷却系 统和尾架位置控制系统等几个系统。尾架能否精确平稳的停靠在制动鼓前， 直接关系到刹车实验能否正常的进行。但是，由于尾架位置控制系统设计 不够成熟，该系统一直不能达到预期的要求。通过分析和总结尾架位置控 制系统出现的问题，采用新的控制方式和控制策略，对尾架位置控制系统 的软硬件进行了重新设计，使其成为基于p w m 技术的直流位置控制系统。 本文选择和设计了单片机及其接口电路，位置及速度检测电路，p w m 控制的主、控制电路，并分析了系统硬件的工作原理。确立了位置控制系 统的总体结构和控制方案，选择经典的电流环、速度环和位置环的三环控 制。在建立了整个控制系统的数学模型之后，应用工程化的频域设计方法 设计电流环、速度环和位置环控制器。电流环和速度环采用p i 控制，位置 环采用模糊一p i 控制并与其它的控制算法做了比较。对三环控制系统进行 了计算机仿真，仿真结果显示三环控制能显著的提高尾架位置控制系统的 控制精度，证明本设计方案能很好的解决尾架位置精确控制的问题。同时， 论文详细介绍了一个利用v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 工具开发的尾架位置控 制系统可视化软件。软件既可以用于控制系统的设计阶段，又可作为控制 系统实际工作中的监控软件。 关键词：尾架，三环控制，可视化软件，o p e n g l d e s i g n f o rt h ec a u d a lm o u n t i n g c o n t r o ls y s t e mo fz m s s y n t h e t i c a lt e s tb e n c h z h o n g f u - w e i ( e l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t e p r o f e s s o rl ia n a b s t r a c t i no r d e rt o s t r e n g t h e nt h ed e t e c t i o np r o c e s so ff r i c t i o n a lp r o d u c t so f n a t i o n a lp e t r o l e u mm e c h a n i c a li n d u s t r ya n d ，t h ez m ss y n t h e t i c a ls t i m u l a n t b r a k et e s tb e n c hi sd e v e l o p e db yt h ef r i c t i o n a ll a b o r a t o r yo fc h i n a u n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m t h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e st h ev e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m o f m a i nm o t o r , t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h eh y d r a u l i ca g g r e g a t e ，t h ec o n t r o ls y s t e m o ft h eb a r o m e t r i ca g 伊e g a t e ，t h er e f r i g e r a t es y s t e ma n dt h ep o s i t i o n a lc o n t r o l s y s t e mo ft h ec a u d a lm o u n t i n g i ft h ec a u d a lm o u n t i n gc a n tp r e c i s e l yt o u c ha t t h ef r o n to ft h eb r a k ed r u m ，t h eb r a k ee x p e r i m e n tc a n tn o r m a l l yb em a d e b e c a u s et h ep o s i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ec a u d a lm o u n t i n gw a sn o tp e r f e c t l y d e s i g n e d ，i th a s n ta c h i e v e dt h ee x p e c t a n to m c o m ed u r i n gm a k i n gt h eb r a k e e x p e r i m e n t t oa n a l y s ea n dg e n e r a l i z e ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei s a n e w d e s i g n e dw i t ht h en e wc o n t r o lm o d ea n ds t r a t e g yt ob e c o m ead i r e c tc u r r e n t p o s i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do n p w m t h i sp a p e rc h o o s e sa n dd e s i g n st h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n di t s i n t e r f a c ee l e c t r i cc i r c u i t ，t h ee l e c t r i cc i r c u i tu s e df o rd e t e c t i n gp o s i t i o na n d v e l o c i t y , f i n a l l ya n a l y s e st h eh a r d w a r ep r i n c i p i u m t oa s c e r t a i nt h eg e n e r a l a r c h i t e c t u ma n dc o n t r o lp r o g r a m ，i ti sc l a s s i ct h r e el o o pc o n t r o lw i t hp o s i t i o n l o o p ，v e l o c i t yl o o pa n dc u r r e n tl o o p a f t e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew h o l e s y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，i td e s i g n st h ec o n t r o l l e ro fp o s i t i o nl o o p ，v e l o c i t yl o o p a n dc u r r e n tl o o pa p p l y i n gt h ed e s i g nm e t h o do ff r e q u e n c yd o m m ni nt h ep r o j e c t t om a k et h ec o m p m e rs i m u l a t i o nf o rt h r e el o o pc o n t r o ls y s t e m ，t h es i m u l a n t r e s u l t ss h o wt h i ss y s t e mh a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dt h i sd e s i g n p r o g r a mc a nr e s o l v et h ep r e c i s ec o n t r o lp r o b l e mo ft h ec a u d a lm o u n t i n g a tt h e s a m et i m e ，av i s u a l i z a t i o ns o f t w a r ei si n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r , a n di ti s m a d ea p p l yv i s u a lc + + 6 0a n do p e n g l t h i ss o f t w a r ei se i t h e ra p p l i e dw h e n t h ec o n t r o lw a sd e s i g n e d ，o ri su s e dt ob eam o n i t o rs o f t w a r ed u r i n gm a k i n ga n e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：c a u d a lm o u n t i n g , t h r e el o o pc o n 仃o l ，v i s u a l i z a t i o ns o l t w a r e , o p e n g l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 签名： 月吩日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：监堑圭x o o6 年4 月憎日 导师签名：熬 2 。年4 月 2 0 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题研究目的及意义 我国石油机械正朝着大功率、高转速的方向发展，这对石油机械中各 种易损件提出了更高的要求。如何快速、准确地检测易损件的各种性能参 数从而得出较可靠的结论是石油科技工作者正努力攻克的关键课题之一。 石油钻机刹车块是石油钻机的关键性部件，也是主要易损件之一，它 在很大程度上影响到钻井工作的安全和经济性。但是国内外的钻机刹车试 验台并不多，而且其工作原理基本上与一般的汽车、火车、飞机刹车装置 所用的动态惯性制动试验台相同，并没有考虑石油钻机工况的特殊性即在 一次下放钻柱的过程中，刹车装置需要在一个相当长的时间内周期性地持 续制动【l j a 此外，对于一般重型钻机，刹车装置在每次刹车过程中都必须吸 收相当大的制动功。 石油大学机电工程学院摩擦学研究室于八十年代就成功地研制出“华 石z s s 0 1 型动态液力式钻机刹车试验台”。但是在实际工作时，发现该试验 台有一些缺点，同时还有一定的局限性。为解决该试验台的不足，同时为 扩大试验台的应用范围，中国石油大学( 华东) 机电工程学院应用摩擦学 研究室专门立项，自行研制了一台z m s 综合模拟刹车试验台，该项目得到 了中国石油天然气总公司择优扶持【2 j 。 z m s 综合模拟刹车试验台主要是以华石z s s 0 1 型动态液力式钻机刹车 试验台为基础，通过一系列的技术改造研制成功的。z m s 综合模拟刹车试 验台研制的一个重点就是其测控系统，主要包括主电机调速系统、液压站 控制系统：气压站控制系统、冷却系统和尾架位置控制系统等系统。由于 尾架位置控制系统设计不够成熟，尾架一直不能精确平稳的停靠在制动鼓 前的指定位置。 尾架位置控制系统的目标就是将尾架精确平稳的停靠在制动鼓前的指 定位置，完成刹车实验后再返回初始位置1 2 j 。尾架的位置很重要，如果控制 不好，会出现刹车时制动架与制动鼓远离无法实现刹车工况的情况，甚至 会因为制动架过分靠近制动鼓而压坏制动设备。旧的尾架位置控制采用可 编程控制器和行程歼关组成的开环开关控制，但是该尾架位置控制系统在 中国石油火学( 华东) 硕士论文第1 章前言 实际工作时，其缺点十分明显。由于电动机的制动、传动装置和尾架的惯 性等问题，尾架不能精确的、平稳的停靠在指定位置。简单的开关控制无 法满足实验的要求，因此对尾架位置控制系统进行重新设计显得尤为重要。 “z m s 综合实验台尾架位置系统设计”是针对旧的尾架位置开关控制无 法满足实验要求的现状，结合尾架位置控制的特点，重新设计尾架位置控 制系统。采用先进的控制策略，将系统设计成半闭环计算机自动控制系统。 本系统将作为一个模块，通过单片机与主控计算机的连接并入z m s 综合实 验台测控系统中。 1 2 摩擦磨损惯性试验机的研究现状 摩擦学是科学和工程学中最重要的领域之一，因为它既具有提高产品 的可靠性、延长其使用寿命及节约材料和能源的意义，又是当今最活跃的 交叉科学领域之一1 3 “。 在研究摩擦现象时，利用实际工况来探索摩擦学规律往往困难大，耗 时长，各种参数难以变更，而且在工作中经常会发现实验数据和实际工况 数据差距很大，所以我们大都采用摩擦磨损试验机来进行摩擦学研究。这 是一种简单而恰当的模式，而且各种参数还能做一定范围的变换，对整个 系统的内在因素即微观的机理方面都可以有所研究。 摩擦磨损试验机是一种利用摩擦学规律研究材料性能的试验设备。根 据设计原理的区别，可以分为摩擦磨损惯性试验机和一般摩擦磨损试验机。 摩擦磨损惯性试验机利用摩擦磨损理论，通过主轴旋转所产生的惯量和不 同摩擦副的选择，来模拟刹车制动时的各种工况，从而可以测试摩擦材料、 制动器或离合器等产品的性能。为了能在同一台试验机上模拟多种工况， 经常在主轴上安装多个飞轮，通过不同直径、质量的飞轮组合，以达到改 变主轴惯量的目的。摩擦磨损惯性试验台广泛应用在汽车、火车和飞机等 运输设备的制动试验中。 由于起步晚和结构复杂等原因，无论是从数量上还是从质量上惯性材 料试验机都落后于摩擦磨损试验机的发展，以至于在很多场合下不得不采 用摩擦磨损试验机来代苔惯性材料试验机进行摩擦磨损试验【7 1 。这种情况在 我国尤为严重，直到八十年代，国内还不能制造用于石油钻机和刹车块试 验的台架试验机而一直使用引起众多争议的前苏联6 0 年代的圆盘试验机。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 另外，各种各样的摩擦磨损试验机在刹车块试验中也被广泛适用，这都对 调整模拟实际工况的刹车块参数产生了很大的影响。近年来，由于我国交 通事业的发展，对制动材料的需求使惯性材料试验机有了一定的发展，出 现了一些我们自己设计的惯性材料试验机，其中一些还有很高的水平，这 可以我国自行研制的j f 7 5 型磨损试验机和吉林工业大学的王铁山、刘笑羽 等设计的离合器与摩擦片综合试验机为代表1 1 , 8 。 相比较而言，惯性材料试验机在国外的发展情况要好一些。1 9 5 8 年由 美国汽车工程师协会研制出c h a s e 试验机，用于特定情况下评价摩擦材料 的性能，可执行s a ej 6 6 1 a ，i s 0 7 8 8 1 试验规范，从而成为评价制动片质量 的一种快捷方法。该方法已得到广泛认可。k r a u s s 公司于1 9 6 5 年也研制成 功了克劳斯试验机，近年来在我国的应用日益普遍。该试验机由计算机控 制，具有优良的模拟性和数据重现性，且试验快速迅捷，经济可靠，使其 成为一种公认先进的摩擦性能测试设备。现在主要型号有：j f l 3 2 和j f l 4 0 等。另外，德国s h e n c k 公司制造的l b a 0 0 4 9 惯性式双制动试验台及其它 一些惯性试验机较有名气1 2 】。 大量文献资料表明，惯性试验机测控系统的发展严重落后当今科技发 展。国内很多正在服役的试验机仍采用仪表观测和手工操作相结合的方式 来进行试验：仪表上反映的数据不可避免的存在误差和干扰因素，不经处 理而直接使用就会造成系统误差：使用精度很低的函数记录仪来记录测量 数据，往往与实际工况偏差较大：数据的处理还需手工进行，费时费力， 而且经常存在人为误差，尤其是数据较多时。国外由于计算机技术发展较 早，在5 0 、6 0 年代就在试验设备上使用了计算机技术，对提高试验精度、 节省人力等起到了很大作用。但是大量文献资料表明，多年来计算机技术 在惯性试验机上的应用一直没有太大的变化，现在很多设备使用的还是3 8 6 或4 8 6 等低档微机，无论是从实验数据的实时采集速度还是数据的存储容 量、处理速度上，都不能和现在的计算机相比1 9 4 ”。 近年来微电子技术和信息技术的迅速发展，使工业生产由机械电子化 迈入了以机电一体化为特征的发展阶段。从系统的观点出发，在机械电子 技术深度结合的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自 动控制技术、传感测试技术、电力电予技术、接口技术与软件编程技术等 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 群体技术研究测控系统成为一种发展趋势。在这种情况下，一些大学和科 研单位研制出了比较先进的惯性材料试验机，如我国的j f 7 5 型试验机，采 用计算机自动程序控制，测试结果的分析、记录和处理均由计算机来完成， 可适用于许多新的标准；吉林工大的离合器与摩擦片综合试验台，采用计 算机检测与控制，自动化程度高，软件功能齐全，可适用于现有各种标准 中的各项摩擦磨损性能试验，是离合器和摩擦片研究、生产和使用单位较 理想的检测设备 1 2 - 1 6 j 。 但是，采用先进机电一体化技术的惯性材料试验机的数量和品种实在 是太少了，根本满足不了迅速发展的工业，尤其是一些特殊行业的需要。 1 3z m s 综合模拟刹车试验台研究现状 z m s 综合模拟刹车试验台的前身是由中国石油大学( 华东) 机电工程学 院摩擦学研究室于八十年代研制成功的“华石z s s 0 1 型动态液力式钻机刹 车试验台”。 华石z s s 0 1 型试验台将现场工况用2 ：1 比例模拟到室内，能够较好地 控制试验参数，测量的试验数掘也比较精确，避免了以前所进行现场试验 所可能受到的各种影响。和现场试验相比，重现性与可比性好，缩短了试 验的周期，而且也不必进行多种材料的选配试验，既经济又安全。该试验 机代表了当时我国在石油钻机刹车台架试验机研制方面的最高水平，在国 际上也处于较高水平【1 1 。 但是华石z s s 0 1 型试验台在现场应用时，出现了一些缺点和局限性。 首先，试验台的制动能力小，只能部分模拟钻机的工况，还远远不能满足 z j 6 0 、z j 8 0 甚至更深井钻机刹车副性能检测的需要；其次，惯量轮不分级， 且由于电机一偶合器在转速为零时不输出力矩，所以不能模拟刹停时悬持 钻柱对刹车带的影响：再者，测试系统较为陈旧、试验操作者劳动强度大， 数据处理误差大。所以，其整体模拟性受到限制，不能较为全面地反映现 场工况，满足不了石油机械发展的要求。 z m s 综合模拟刹车试验台的研制是9 0 年代后期进行的，主要是以华石 z s s o i 型动态液力式钻机刹车试验台为基础，通过一系列的技术改造研制 成功的。对华石z s s 0 1 型动态液力式钻机刹车试验台进行的技术改造包括： 更换了大功率的电机、对惯量轮分级以增加可模拟的工况；把原设计中的 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 偶合器一变速箱用一个可变速的液力变矩器代替，利用其液力传动的特点 实现了对刹停时悬持钻柱这一工况的模拟。 z m s 综合模拟刹车试验台研制的另一个重点就是其测控系统。由于华 石z s s 0 1 型试验台的测控系统，无论从测控方法还是精度上都十分落后， 不能满足试验要求，采用先进的测控手段，重新研制一个功能齐全的测控 系统就显得尤为重要。本试验台控制系统主要包括五个子系统：主电机调 速系统，液压站控制系统，气压站控制系统，冷却系统和尾架位置控制系 统。试验台测控系统的研制已完成，除了尾架位置控制系统没达到预期要 求外，其余测控系统在实际工作中取得了良好的效果【2 i 。 尾架系统由一个三相异步电动机驱动。电动机提供的动力先经过减速 器进行减速后再输给丝杠：丝杠与尾架螺纹配合，丝杠的顺、逆时针转动 带动尾架的前后移动；尾架的工作位置由行程开关来保证。系统组成如图 1 1 所示。 电动机 ，l 减速器一一7 图l - l 尾架系统组成框图 尾架位置控制采用可编程控制器和行程开关组成的开关控制，尾架的 移动可通过软件操作和按钮操作实现。软件操作可以实现尾架连续前移、 断续前移：尾架连续后退、断续后退；尾架停止移动。按钮操作可以实现 尾架电机的起动、停止。 但是该尾架位置控制系统在实际工作时，其缺点十分明显。采用行程 开关不能对尾架的实际位移量进行检测，则不能进行误差校正，由于异步 电动机控制方式的过于简单、传动装置和尾架还存在惯性等问题，尾架不 5 中国石油火学( 华东) 硕士论文第l 章前言 能精确的、平稳的停靠在指定位置。简单的歼环开关控制无法满足实验的 要求。 1 4 位置控制研究现状 位置控制是指转角位胃或直线移动位置的控制。位置控制按原理分为 点位控制和连续轨迹控制。点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点 与点之间的运动轨迹，也不在此过程中进行加工或测量，如数控钻床、冲 床、镗床、测量机和点焊工业机器人等。连续轨迹控制又分为直线控制和 轮廓控制。直线控制是指工作台相对工具以一定速度沿某个方向的直线运 动，在此过程中要进行加工或测量，如数控镗床、大多数加工中心和弧焊 工业机器人等。轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位置与 速度，通过联动形成一个平面或空问的轮廓曲线或曲面，如数控铣床、车 床、凸轮磨床、激光切割机和三坐标测量机等f l7 1 。 1 4 1 目前位置控制系统控制策略的分析与研究 在现代工业生产过程中，有许多生产机械要求能够对其位置进行精确 的控制，如在带材和板材工业加工过程中，生产的速度越来越快，要求的 效率越来越高，因而要求位置控制的机械能在最短的时间内到达给定目标 值，即走完预定的行程。问题是我们应按什么样的控制规律来调节控制电 机的速度，使生产机械在最短的时间内以要求的精度达到指定的位置。为 了达到要求的控制精度，必须解决在什么时候发出制动信号的问题，从而 保证机械行程无超调的、准确的停止在指定的位置。以上问题仅由位置控 制系统的控制策略所决定。因此，目前对位置控制策略的分析和研究是十 分必要的，下面介绍一下位置控制系统控制策略的种类 2 1 - 2 3 i 。 1 4 1 1 双模控制 在大偏差下采用开关控制，即采用极值控制以保证系统的快速性，而 在小偏差下采用线性控制以实现准确定位和跟随。开关控制实质是一种非 线性控制，而线性控制包括p ，p i ，p i d 或按采样系统设计的无波纹最少拍 的功能控制方式，所以这种控制器集中了非线性控制和线性控制的特点， 对于不同的拖动系统，无需改变控制器的形式，而只需重新整定参数即可。 但对于滞后系统由于偏差出现不及时，调节器会失去调节作用，造成系统 调节效果不佳。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 4 1 2 自适应控制 。 在工作过程中实现改变调节器的结构来适应负载参数的变化。自适应 控制系统有3 个主要部分组成：参数辨识、自适应调节和实时监控。这种控 制方法要保证系统具有最佳的跟踪和定位，必须建立系统的精确数学模型。 1 4 1 3 前馈控制 按照给定变化进行控制，当给定的变化出现，调节器立刻根据其性质 和大小对被控参数进行控制，使被控量能及时跟随给定值的变化，大大减 少控制的滞后。它的缺点是控制精度不高。 目前位置控制策略存在很多问题，通常的反馈控制系统的特点是调节 器必须在被控参数出现偏差后才对被控参数进行调节，从而补偿扰动对被 控参数的影响或促使被控量跟随给定量的变化。当扰动或给定量的变化已 发生，而被控参数尚未改变，调节器是不会产生校正作用的，所以这种控 制落后于扰动或给定量的变化，具有较大的滞后性。对于大滞后、时变、 非线性的复杂系统，有的参数未知或变化缓慢，有的存在滞后和随机干扰， 有的无法获得精确的数学模型。若使用上述传统的控制方法都达不到好的 控制效果，可能出现其动态特性中超调量较大、调节时间长、抗干扰能力 差等缺点，这就要求我们采取新的改进方法。 作为智能控制分支之一的模糊控制，具有鲁棒性强、易理解、操作简 单、响应快、易修正、不需系统模型的特点【2 ”。然而由于模糊控制器的精 度不太高，自适应能力有限，尤其在有扰动的情况下，系统会出现静差。 而p i 调节器由于积分作用的存在，能消除系统的静差。如果采用模糊控制 和p i 调节器共同使用，刚好使两者功能互补，可以增强抗扰动的能力和减 小静差，这也就是指采用模糊技术与常规的p i 控制算法相结合的控制方法， 这种控制方法我们也称为模糊一p i 控制形式。这种改进的控制方法的出发 点主要是因为模糊控制本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较 高的控制精度。而p i 调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差 控制为零，有着很好的消除误差的作用，因此把模糊控制和p i 调节器相结 合以增加稳态控制性能1 2 4 。2 5 1 。如图1 2 所示就是模糊p i 的系统控制图。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 倒! ! ! 懈。 l几一 i 啊 l 图1 - 2 模糊一p i 的系统控制图 目前在一些行业中位置控制系统使用的还是开环且点动控制，这种控 制方法虽然实现起来简单，成本低廉，但是定位不准确、扩展性不高。为 了提高企业的生产效率和产品品质，有必要推广使用基于模糊一p i 控制的 位置控制系统。 1 4 2 位置控制中的计算机控制技术 计算机在控制领域的应用中，有力的推动了自动控制技术的发展，扩 大了控制技术在工业生产中的应用范围，使大规模工业生产自动化系统发 展到了崭新的阶段1 2 7 - 2 8 】。在控制系统中为了得到控制信号，要将被控参数 与给定值进行比较，然后形成误差信号。控制器根据误差信号进行控制调 节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零，从而达到使被控参数趋于或 等于给定值的目的。若将自动控制系统中的控制器的功能用计算机或数字 控制装置来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1 3 所示。 图1 3 计算机控制系统基本框图 计算机控制系统中，输入和输出信号都是数字量，因此，需要a d 转 换器，以及d a 转换器。在计算机控制系统中，数字控制器通常是利用计 算机软件编程，完成特定的控制算法。控制算法通常以差分方程、脉冲传 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 递函数或状态方程的形势表示。采用不同的控制算法，可以实现不同的控 制目标，得到不同的控制性能。因此，只要改变控制算法，便改变相应的 软件编程，计算机系统就可以完成不同的控制目标。 1 5 课题主要研究内容 “z m s 综合实验台尾架控制系统设计”的主要任务是按照半闭环控制方 式重新设计尾架位置控制系统，包括硬件设计和软件设计。 本文所研究的尾架位置半闭环控制系统由位置环、转速环和电流环组 成，位置环和转速环控制均有软件来完成，而电流环采用模拟结构。因此， 本论文研究的内容如下： ( 1 ) 尾架位置控制系统的改造。为了改善控制系统的性能，本论文将用 直流电动机替代异步电动机。 ( 2 ) 确立控制系统的总体结构和控制方案。选择传感器、单片机及其接 口电路，设计直流电动机p w m 控制的主电路、控制电路。控制系统采用 经典的三闭环控制结构，即位置环、转速环和电流环。 ( 3 ) 建立整个控制系统的数学模型，即系统动态特性的数学表达式。 ( 4 ) 对系统进行动态分析，设计控制系统的控制器，并在s i m u l i n k 环境 下进行了计算机仿真。通过仿真对比，选择一组合适的控制算法，并为算 法的计算机实现设计了软件结构。 ( 5 ) 开发尾架位置控制系统的可视化软件。本软件利用v i s u a lc + + 和 o p e n g l 技术开发，预留了数据接口。既可以用于控制系统设计阶段的可视 化仿真，又可以作为控制系统的监控软件。本论文首先完成三维动画演示 部分，三维动画采用s i m u l i n k 环境下的仿真数据驱动；其次，实现软件的 监控功能，完成位移与速度的采集与显示，完成位置环和速度环的软件程 序设计。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章尾架控制系统机械部分的改造 第2 章尾架控制系统机械部分的改造 z m s 综合模拟刹车实验台尾架位嚣控制系统是在原有系统的基础上改 装而成的。为了加快设计的进度和降低研发的成本，在满足工作要求的前 提下，对尾架控制系统原有部分的改造应尽可能的少。对系统机械部分的 改造主要是重新选择了电动机，用直流电动机代替三相异步交流电动机。 2 1 尾架位置控制系统简介 尾架安装在导轨上，与丝杠联结在一起。由电动机通过丝杠传动把能 量传递给尾架而使之前后移动。当实验台处于刹车工况或闲蜀时，安装在 尾架上的刹紧装置就把尾架固定在导轨上。在尾架上还有一个测扭梁装置， 可以把刹车时的摩擦力转化为易于测量的扭矩。盘式刹车时，刹车系统由 尾架上的制动钳和传动轴上安装的制动盘构成。带式刹车时，刹车系统由 刹车带和尾架上的带固定装置构成。尾架位置控制系统框图如图1 1 所示。 尾架在导轨上前后移动。当尾架到达预定位置时，可以使用尾架刹紧 装置将尾架固定在导轨上 2 1 。尾架刹紧装置结构图如图2 2 所示。 图2 1 尾架刹紧装置 从图2 - l 中可以看出，刹紧装置的预设状态是刹紧，无液压油提供给刹 紧油缸时，刹紧装置利用弹簧的压力把尾架牢牢固定在导轨上。 由于三相异步电动机的控制方式复杂，如果继续采用三相异步电动机 驱动，势必会影响尾架位簧控制系统的开发进度和成本。而直流电动机具 有良好的调速性能，相应快、过载能力强、调速范围宽、输出扭矩大，能 在大范围内实现精密的速度和位嚣控制，控制方式也比较简单，故本课题 选用直流伺服电动机驱动。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章尾架控制系统机械部分的改造 2 2 直流伺服电动机的选择 设计中用到的已知条件【2 】： 尾架的重量为w = 2 3 1 0 k g ，滚珠丝杠的基本导程：厶= 8 o m m ， 行程：s = 8 0 0 m m ，尾架的快速运动速度：。= 4 8 m m i n ， 减速器减速比：i = 3 ， 减速器转动惯量： 小齿轮，也l = 5 5 3 5 x 1 0 k g l t 1 2 ， 大齿轮，也2 = 2 2 4 2 x 1 0 k g i t l 2 。 2 2 1 计算电动机的负载 2 2 1 1 滚珠丝杠副的计算 滚珠丝杠副型号为f c 5 0 0 8 3 ，为内循环浮动反向器双螺母齿差预紧滚 珠丝杠副，公称直径蟊= 5 0 m m ，基本导程厶= 8 m m ，接触刚度 k 。= 1 4 5 2 n i u n ，转动惯量以= 0 0 3 7 6 4 k g m 2f 2 1 。综合导轨尾架丝杠的轴向 力为1 2 9 i ： p = t 豫( 2 1 ) 其中，= o 1 5 , - - 0 1 8 ，取0 1 8 ，重力加速度占取9 ，8 。 将上述参数代入式( 2 1 ) 中得， p = o 1 8 1 6 2 0 9 8 = 2 8 5 7 7 n 。 、 预紧力不应小于最大轴向载荷的必例，取只。；o 8 p = 2 2 8 6 1 n 。 2 2 1 2 转动惯量的计算【3 0 】 尾架质量折算到电机轴上的转动惯量： 以= ( 导) 2 w i 2( 2 2 ) 式中，z 为尾架质量折算到电机轴上的转动惯量，k g m 2 将数值代入式( 2 2 ) 中得， 州黔2 x 2 3 1 0 3 2 - 4 1 6 l 盹g m 2 。 丝杠折算到电机轴上的转动惯量： 中国石油火学( 华东) 硕士论文第2 章尾架控制系统机械部分的改造 以= 以f 2 ( 2 3 ) 式中，以为丝杠折算到电机轴上的转动惯量，k g m 2 。 将数值代入式( 2 3 ) 中得， ，。= o 0 3 7 6 4 3 2 - 4 1 8 1 0 。k g m 2 。 减速器折算到电机轴上的转动惯量： 以。易l + 以2 f 2( 2 - 4 ) 式中，。为减速器折算到电机轴上的转动惯量，k g m 2 。 将数值代入式( 2 4 ) 中得， j ，= 5 5 3 5 x 1 0 5 + 2 2 4 2 x 1 0 3 3 2 = 3 0 5 x 1 0 4 k g m 2 因此，负载的转动惯量为： 以2 + 以+ 也( 2 - 5 ) 式中，以为负载的转动惯量，k g m 2 。 将数值代入式( 2 5 ) 9 得， ，= 4 1 6 x 1 0 _ 4 + 4 1 8 1 0 3 + 3 0 5 x 1 0 _ 4 - 4 9 0 x 1 0 - 3 k g m 2 。 电动机的转动惯量为： 厶_ 2 1 6 x 1 0 k g m 2 。 尾架位置传动系统得总惯量为： 乒厶+ 以( 2 6 ) 式中，为尾架位置传动系统得总惯量，k g m 2 。 将数值代入式( 2 6 ) 中得， j = 7 0 6 x 1 0 k g m 2 。 2 2 2 直流电动机的选择 直流电动机是本系统控制的直接对象，它是将电信号转变为机械运动 的关键部件。根据尾架的快速运动速度和减速器减速比的要求，初选b 4 直 流伺服电动机，然后进行转矩计算，验证其是否满足要求。 b 4 直流伺服电动机的主要参数【2 9 】：输出功率为0 4 k w ，额定转矩为 2 7 n m ，最大转矩为2 3 n m ，最高转速为2 0 0 0 r m i n ，转子惯量为 o 2 1 6 x 1 0 k g m 2 ，机械时间常数为2 0 m s 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章尾架控制系统机械部分的改造 下面进行直流伺服电动机转矩计算。 快速启动时所需力矩：a 仁 毛一+ 肼，+ j 】l 厶 ( 2 7 ) 快速移动时所需力矩： 仁m ，+ 厶 ( 2 - 8 ) 式中， 毛。为以最快的速度启动时折算到电机轴上的加速力矩，n m ； m ，为折算到电机轴上的外部载荷产生的摩擦力矩，n n l ： 弘为由丝杠预紧所引起的折算到电机轴上的附加摩擦力矩，n m 。 ( 1 ) m o 。的计算 m o 驴乏净= 等挚庐等竿，( 2 - 9 ) 式中，为传动系统启动所允许的最快加速时间，f ：( 3 4 ) ，t u = 2 0 m s 为 电动机机械时间常数，t = 0 0 8 s 。 将数值代入式( 2 9 ) 中得， m o 。5 1 6 6 2 6n m 。 ( 2 ) m ，的计算 肘，f o l o 三：l 。w g l o 三 ( 2 i o ) o 2 ；, r r i2 ：r r i 式中，r = 0 8 。 将数值代入式( 2 1 0 ) 中得， mt 2 1 ，8 0 2n - m 。 ( 3 ) 屹的计算 心：掣。! 地。；( 2 - 1 1 ) h r i o i 式中，为丝杠预紧时的传动效率取0 9 。 将数值代入式( 2 1 1 ) q h 得， m o = 0 2 0 4 n m 。 所以，电动机允许的最大加速度启动时所需力矩： m = m d 一七mf + m ，= 1 8 6 3 2 n m 。 快速移动时所需力矩： 1 3 生旦型盔堂! 堡垒! 堡主堡奎第2 章尾架控制系统机械部分的改造 m m j + m 0 2 2 0 0 6 n m 。 由以上分析计算可知，所需最大力矩肘。发生在快速启动时。由伺服 电动机工作特性得知，尾架快速启动所需的加速度取决于伺服电动机所能 提供的最大转矩。本系统选用b 4 型伺服电动机的最大转矩为2 3 n 肌，连续 转矩为2 7 n m ，因此能满足系统的需求。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章尾架位置控制系统总体方案与硬件设计 一! 1 5 中国石油人学( 华东) 硕士论文第3 章尾架位置控制系统总体方案与硬件设计 程开关的位置布置如图3 - 2 所示。 导轨 量量量量量量鲎备：富量羞一 行程开关2行稃开关3 图3 - 2 行程开关布置图 当尾架向着制动鼓方向移动时，如果触到行程开关1 ，行程开关1 就向 可编程控制器发送信息，使电动机停止转动，从而使尾架停止移动。在远 离制动鼓的轨道的另一端也安装着一个行程开关2 ，它的作用是限制尾架移 动的另一个极端位置。考虑到行程开关1 出现问题的时候，电动机不会及 时停止，尾架会与制动鼓过分接触，这样会压坏制动设备，所以在行程开 关l 的外侧再安装一个起保护作用的行程刀：关3 。行程开关主要作用是将机 械位移转变为电信号，构成行程控制或机械动作的程序控制。行程开关由 机械部件运动来直接操动。 理论上，此控制方案能实现尾架的位置控制。但是此方案在实际工作 中，效果很不理想。采用行程丌关不能对尾架的实际位移量进行检测，则 不能进行误差校正，而尾架驱动系统存在惯性问题，所以无法保证尾架能 精确的停靠在制动鼓前，甚至有时会压坏制动设备，有时又会远离制动鼓 致使刹车试验无法进行。采用异步电动机而不进行控制，使得整个尾架驱 动系统很不稳定，严重影响各部件的工作寿命。 开关控制方案的缺点显而易见，因此为了提高尾架位置控制的精度和 平稳性，本论文对尾架位置控制系统重新设计，使其成为半闭环的位置控 制系统。根据给定的位移信号使尾架作相应的移动，并对尾架定位的精度 和速度加以控制。 3 1 1 位置控制方式分类 位置控制系统按控制方式可以分为开环控制系统，闭环控制系统，半 闭环控制系统。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章尾架位置控制系统总体方案与硬件设计 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控 制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制系统结构简单， 成本低，但是开环控制系统的控制精度低，系统的抗干扰性能差。 闭环控制系统装有测量反馈装置，在工作中随时检测移动部件的实际 位移；对给定的控制信号和测量反馈测得的实际位置信号进行比较，根据 误差值不断控制运动，进行误差修正，直到位置误差消除为止，结构图如 图3 - 3 所示。 感器 图3 - 3 闭环位置控制系统框图 采用闭环控制系统可以消除由于机械传动部件的精度误差给加工精度 带来的影响，从而得到很高的精度。但是，由于许多机械传动传动环节的 摩擦特性、刚性和间隙等都是非线性的，它们包含在位置环内，直接影响 控制系统的调节参数，很容易造成系统的不稳定，使闭环系统设计和调整 都相当困难。 为了排除机械传动环节的非线性对系统稳定性的影响，大多数位置控 制系统采用半闭环控制系统。半闭环控制系统的检测元件安装在电动机或 传动部件的顶端，也就是反馈信号取自电动机轴而不是最终运动部件，结 构图如图3 - 4 所示。 图3 4 半闭环位置控制系统框图 1 7 f 呷硅 申 1 一 回 二 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章尾架位置控制系统总体方案与硬件设计 在大多数情况下，半闭环控制系统的闭环环路内不包括机械传动环节， 因此可获得稳定的控制特性，由于采用了高分辨率的测量元件，又可以获 得比较满意的精度。 3 1 2 位置控制系统总体控制方案的确定 三种控制方式各有优缺点，因而在选择控制方式时，应综合考虑各方 面的因素，根据不同的应用场合和条件，选择合适的控制方式。 尾架位置控制系统不采用闭环控制系统，因为，一是直线位移检测装 置的价格较高，安装及调整比较复杂，且不易保养，二是闭环系统对尾架 的结构及传动链的要求较严格，尾架驱动系统现有的机械结构根本无法满 足，三是闭环控制系统的精度可达到o 0 1 r a m _ _ o 0 0 5 m m ，用在尾架位置 控制上有些浪费。而半闭环控制系统，结构简单，安装方便，同时兼顾了 开环和闭环系统的优点，对于尾架位置控制来讲完全能够满足需要。 由于异步电动机的控制方式复杂，整个控制系统的价格也将随着提高。 而直流电动机具有良好的调速性能，响应快、过载能力强、调速范围宽、 输出扭矩大，能在大范围内实现精密的速度和位置控制，控制方式也比较 简单。故本课题选用直流电动机驱动，采用半闭环控制，对尾架位置控制 系统进行重新设计。 3 2 尾架位置控制系统的硬件设计 3 2 1 尾架位置控制系统的硬件组成 本尾架位置控制系统用1 6 位的8 0 c 1 9 6 k c 单片机做系统的控制器，以 替换可编程控制器。速度检测和位置检测共同用一个检测器，即与电机轴 同轴相连的光电编码器。光电编码器产生反馈脉冲信号，反馈脉冲信号经 过单片机处理后，完成位移和转速的测量。直流电动机采用p w m 控制， 功率放大器为双极模式的h 型。单片机的输出通过1 2 位d a 转换器 d a c l 2 1 0 转换成模拟电压，作为控制信号送到p w m 功率放大器，以驱动 伺服电动机。最后，整个单片机控制系统还需要跟上位微机通讯，完成尾 架位置控制系统的监控。本节主要介绍位移、速度检测回路、电动机驱动 电路的硬件设计。系统硬件的原理简图如图3 5 所示。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章尾架位置控制系统总体方案与硬什设计 p g 图3 - 58 0 c 1 9 6 k c 控制的半闭