（机械设计及理论专业论文）mg200摩擦试验机测控系统改进设计与研究.pdf

m g 一2 0 0 摩擦试验机测控系统改进设计与研究 魏宏信( 机械设计及理论) 指导教师：张金中( 副教授) 中文摘要 m g 2 0 0 摩擦试验机是进行材料摩擦学性能研究和评价的主要设备，试 验机原有机械部分功能尚且良好，但是计算机测控系统相对落后。为改进 试验机性能，本课题对试验机原有计算机测控系统进行改进设计。 系统总体设计方案包括硬件设计和软件设计。硬件部分以数据采集卡 为核心，配置相应规格的传感器及双闭环直流调速模块，计算机则利用实 验室原有的普通计算机；软件部分设计全新的测试控制软件，采用v i s u a l b a s i c6 0 可视化编程语言来开发试验机测控系统，所设计的数据采集功能模 块，保证了试验数据实时采集的准确性，软件的控制模块根据模糊p i d 控制 算法原理进行设计，完成对试验机直流电机转速精确控制，软件另外集成 试验报表自动生成，打印输出等众多功能，而且人机界面友好，操作方便。 通过联机调试和试验性能分析，可以看到，在进行材料摩擦学性能的 分析和评价上与原有系统相比，该测控系统具有良好的数据采集控制功能， 试验运行过程平稳、所得试验数据更加准确。 m g 2 0 0 摩擦试验机测控系统的设计成功，不仅使摩擦磨损试验实现数 字化，而且对开展摩擦学理论研究和开发性能优良的摩擦材料具有很高的 实用价值。 关键词：m g 2 0 0 试验机，摩擦磨损，直流电机，测控系统，模糊p i d 控制 t h e i m p r o v e m e n td e s i g na n ds t u d y o ft e s ta n dc o n t r o l s y s t e mf o rm g 一2 0 0f r i c t i o nt e s t e r w e ih o n g x i n ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db ya s s o c i a i ep r o f e s s o rz h a n gj i n - z h o n g a b s t r a e t m g - 2 0 0f r i c t i o nt e s t e ri sam a i ne q u i p m e n tf o rr e s e r c ha n de v a l u a t i o no f t h em a t e r i a lf r i c t i o nc a p a b i l i t y t h et e s t e ro f0 1 1 1 c o l l e g ei so l d ，b u ti t sp a r t so f m a c h i n ea r eg o o d h o w e v e r , t h ec o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi sb e h i n dt h e t i m e s s oan e w p l a nt od e s i g nc o m p u t e r t e s ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h em a c h i n e w a sb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp l a n ，t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do f h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r e s y s t e m t h ed a m s c o l l e c t sc a r di st h ec o r eo ft h eh a r d w a r e s y s t e m c o r r e s p o n d i n gs e n s o r sa n dt h ed o u b l ec l o s e dl o o pm o d u i eo ft h es p e e dc o n t r o l o f d ce l e c t r i cm o t o rw i l lb es e t w en e e d n tb u yan e w e o m p n t e r ，t h eo l do n ei n t h el a bi se n o u g h t h es o f t w a r eo f t h es y s t e m , w eh a v en o n ea n dm u s td e s i g ni t t od e s i g nt h es o f t w a r e ，w eu s ev i s u a lb a s i c6 0 ，w h i c hi sa na d v a n c e dc o m p n t e r l a n g u a g e 、v i t l lp o w e r f u lf u n c t i o n , a n di se a s yt oh a n d l e w i t ht h i ss o f t w a r e i t r e a l i z es a m p l ec o r r e c t l y o nt h eb a s i so fc l a s s i cp i dc o n t r o la n dm z z yc o n t r o l ， f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o li sd e s i g n e d ，w h i c hi sa p p l i e di nt e s t i n gm a c h i n ef o r s p e e dc o n t r 0 1 a l s o ，t h es o f t w a r ec a l la u t o m a t i c a l l ys h o wt h ee x p e r i m e n t a t i o n r e p o r ta n de x p o r tt h ep r i n t ，e t c t h es o f t w a r ei sp o w e r f u la n di t si n t e r f a c ei s f r i e n d l ya n dc a nb eh a n d l ye a s i l y w eg o tt h e c o n c l u s i o n ，t h r o u g ht h em a c h i n ed e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t f u n c t i o na n a l y s i s ，t h ec o m p n t e rm e 踟e m e n ta n dc o n t r o ls y a e m sh a v eg o o d d a t ac o l l e c t sa n dc o n t r o lf u n c t i o n t h i ss y s t e mi sb e t t e rt h a no l do n ea ta l l c a p a b i l i t i e s t h ee x p e r i m e n tc i r c u l a t e sp r o c e s sm o r es t e a d ya n dt h ee x p e r i m e n t d a t am o r ea c c u r a t e t h es u c c e s s f u l d e s i g no ft e s ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rm g - 2 0 0f r i c t i o n t e s t e r w h a ti sm o r e ，t h ed e s i g no f u p g r a d e st h em a c h i n e ，a n dt h e ni tc a nn o to n l y c a r r yo u tt h ef r i c t i o n a la n dw e a r i n ge x p e r i m e n t sd i g i t a lb u ta l s oh a se x c e l l e n t p r a c t i c a lv a l u eo nt h e o r e t i c a ls t u d i e so ft r i b o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fg o o d f r i c t i o n a lm a t e r i a l s k e yw o r d s ：m g - 2 0 0t e s t e r ，f r i c t i o na n dw e a r ，d cm o t o r ，t e s ta n dc o n t r o l s y s t e m ，f u z z y - p i dc o n t r o 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：越2 口一6 年 “月2 口日 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：越垒重2 加石年午月 2 口 日 导师签名： 袭金辛z 彩年乒月砣日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 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。 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，所以采用对摩擦磨损试验机进行研究。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。 m g 2 0 0 摩擦试验机是用于对材料摩擦学性能试验的一种试验设备，在 进行材料摩擦学特性研究时，设计可靠准确的计算机测控系统显得尤为重 要。m g 2 0 0 摩擦试验机计算机测控系统的设计包括数据采集和控制部分， 硬件设计和软件编程部分；控制部分主要是实现试验机直流电机速度的准 确控制，它是数据采集和控制部分的核心，其性能的好坏直接影响试验机 稳定可靠的运行、测试结果的准确性与可靠性。通过对直流电机调速系统 进行分析，选用合适的控制算法实现直流电机速度精确控制，则是本课题 研究的重点。 1 2 摩擦磨损试验机及其测控系统研究现状 摩擦学研究已从宏观发展到微观，从定性发展到定量，从分散研究发 展为系统综合研究，从静态研究发展为动态研究，从基本机理的研究发展 到对设备实际工作性能的预测，从而就要求研制适用子摩擦学研究、试验 的测试设备。 ( 1 ) 摩擦磨损试验机的分类“。1 按试样试验条件与实际工况的相似关系，可以设计或选用不同的试验 机来研究摩擦磨损的机理和规律，进行材料性能的评定与检验。 按实际摩擦副的接触形式可分为点接触、线接触和面接触。 按实际摩擦副的相对运动关系有滑动、滚动、滚动兼滑动、转动、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 往复运动以及冲击等。 按摩擦条件有一般的普通磨损试验机，快速磨损试验机、高温或 低温摩擦磨损试验机，高速或低速摩擦磨损试验机、定速摩擦磨损试验机、 定功率摩擦磨损试验机和真空摩擦磨损试验机等。 按摩擦副的试验功用有齿轮磨损试验机、滑动或滚动轴承磨损试 验机、制动摩擦磨损试验机和导轨摩擦磨损试验机等。 按磨损的类型有粘着磨损试验机、磨粒磨损试验机、接触疲劳磨 损试验机、微动磨损试验机、冲蚀磨损试验机、气蚀侵蚀磨损试验机和腐 蚀磨损试验机等。 ( 2 ) 国内外摩擦磨损试验机概况 国内外典型的摩擦磨损试验机有”“：四球试验机、梯姆肯试验机 m k e n ) 、法莱克斯试验机( f a l e x ) 、口试验机( l f w 二1 试验机) 、m m 1 0 0 0 摩擦磨损试验机、m d 2 4 0 定速式摩擦磨损试验机、m m 2 0 0 磨损试验机、 m s 3 往复式摩擦磨损试验机、h q 1 摩擦磨损试验机、s r v 快速磨损试验 机、斯考达试验机( s k o d a ) 、m g 2 0 0 高温摩擦试验机，m m 1 0 0 滚子式磨 损试验机等。生产材料摩擦磨损试验机的主要厂家有：美国f a l e x 公司、 日本神钢株式会社、日本东京试验机制作所、德国奥普蒂马尔( o p t i m q l ) 有限公司及国内的济南试验机制造总公司、宣化试验机厂和厦门试验机厂 等。 近年来，国内外部分研究学者根据研究需要自制了不同功能的试验机。 如：北京机械工业管理学院的崔周平、清华大学的张人佶等研制出真空摩 擦磨损试验机“j ；中科院金属研究所路新春等人研制了三种可以用于不同研 究目的并能长时间稳定工作的腐蚀磨损试验机稳态腐蚀磨损试验机、 暂态腐蚀磨损试验机及料浆冲蚀试验机州；国外s o e m a n t r is 等人研制了高 温磨料磨损试验机，f i s c h e ra 等人研制出了气氛可控的高温三体磨损试验 机，中山大学的何国仁、西安交通大学的刑建东、武文忠等人也在前人基 础上研制出高温磨损试验机和高温氧化三体磨损试验机隅。”“1 ；天津理工学 院的谢拱桐等人研制出w 型磨损试验仪“”；武汉汽车工业大学的柴苍修等 人研制出一种活塞环一环槽磨损试验机等“”。 ( 3 ) 材料摩擦磨损试验机测控系统研制现状 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 为了提高摩擦磨损试验测试水平，适应摩擦学基础研究和新材料开发 需要，部分高等院校和研究所的科研人员在原有试验机的基础上进行了部 分改进。如：清华大学的张人佶等人将微机( a p p l e 机) 应用于m t - i 型真空 摩擦磨损试验机上进行摩擦物理参数的采集与处理“”；西安公路交通大学 的李振芳、西安交通大学的桑可正等对原有m p x - 2 0 0 0 型盘销式摩擦磨损 试验机进行了改装，增添了加热及相应的控制和冷却系统“”1 ：杭州粉末研 究所的潘荣明、陈晋新对m m - 1 0 0 0 摩擦磨损试验机主动端轴系的主离合器 进行了改进，并设计了可控制自动加力装置代替原测静摩擦系数时的人工 扳转主轴“”；厦门大学的陈叔楦、厦门电池总厂的李世林分别用单板机和 s t d - i - 控机对m m 1 0 0 0 测控系统进行了部分改进等“”1 。 ( 4 ) 存在的不足及原因 从整体上看，摩擦磨损试验机水平发展缓慢，我国在研制摩擦磨损试 验机方面更是明显落后于我国经济建设的步伐。现阶段，各种材料摩擦磨 损研究单位及材料摩擦磨损性能检测部门所用的试验机主要还是2 0 世纪 七、八十年代的产品。其测试手段落后；试验数据的采集与后续处理工作 烦琐：精度不高；整机结构不合理；寿命和可靠性低：试验的重复性和再 现性差等。即使推出有新型号试验机，也只是在原有产品的基础上稍加改 进。由于摩擦磨损测试设各的落后，各种试验设备对测试参数及评价指标 存在着很大差异，缺乏统一实用的评价指标参数，这些都严重阻碍了我国 摩擦学基础研究的发展和工业技术的进步。造成这种现状的主要原因有： 试验机厂家的工厂设备陈旧、专业化水平低； 机械加工工艺落后、加工精度差； 专业测试技术落后： 技术储备少，影响了摩擦磨损试验机的更新换代； 多数厂家并不是以摩擦磨损试验机为主导产品。 1 3 计算机测控系统的发展情况及趋势 计算机测控系统就是利用计算机来实现生产过程的自动测试和控制的 系统，包括实时数据采集、实时控制决策和实时控制输出。 ( 1 ) 计算机技术的发展 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 计算机测控系统是计算机技术与控制技术结合发展的结果。计算机硬 件的发展经历了最初的电子管的计算机时代，小型计算机时代和微型计算 机时代。结构从单机方式发展到联机、网络方式。采用现代的微型计算机 和网络技术，已经产生了众多的分级型控制系统、分散型控制系统，对工 业的发展具有巨大的促进作用。计算机软件发展则经历了最初的汇编语言 时代，后来发展的b a s i c ，p a s c a l ，f o r t r a n ，c 语言时代，然后过渡到现在的 v i s u a lb a s i c ，v i s u a lf o x p r o ， v i s u a lc + + ，b o r l a n d c + + 等各种可视化模 块化的高级编程语言。当前，还出现了一些基于网络编程的高级语言，这 也是计算机网络化发展的必然趋势。本课题根据需要，采用v i s u a lb a s i c6 0 高级可视化计算机编程语言来编写系统所用的软件系统。 ( 2 ) 计算机测控系统发展趋势 计算机测控系统的发展前景是诱人的，在这个领域有着非常广阔的研 究开发天地。 推广应用成熟的先进技术 广泛应用智能调节器，发展以总线、现场总线技术等先进网络通信技 术为基础的d c s ( 分散型控制系统) 和f c s ( 现场总线控制系统) 控制结构，并 应用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展。 大力研究发展智能控制系统 经典的反馈技术、现代控制和大系统理论下建立的控制系统都建立在 精确的系统数学模型基础上，而实际上往往无法获得精确的数学模型：另 外，为了提高控制性能，控制系统本身变得非常复杂，增加了成本，降低 了可靠性。人工智能的出现和发展，促进自动控制系统向更高的层次发展， 即智能控制。智能控制是使用机器模拟人的智能，能够在无需人的干预下 自主地驱动智能机器实现其目标。 a 分级递阶智能控制系统 分级递阶智能控制系统是在研究学习控制系统的基础上，并从工程控 制论的角度，总结人工智能与自适应、自学习和自组织控制的关系之后而 逐渐形成的。分级递阶智能控制系统是根据分级管理系统中“精度随智能 提高而降低”的原理而分级分配的。这种分级递阶智能控制系统由组织级、 协调级、执行级三级组成。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 b 模糊控制系统 模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。一方面模糊控制提供 一种实现基于知识( 规范) 的甚至语言描述的控制规律的新机理：另一方面， 模糊控错4 提供了一种改进非线性控制器的替代方法，这种非线性控制器一 般用于控制含有不确定性和难以传统非线性控制理论处理的装置。 c 专家控制系统 专家控制系统所研究的问题一般都具有不确定性，是以模仿人类智能 为基础的。工程控制论与专家系统的结合，形成了专家控制系统。 d 学习控制系统 学习是人类的主要智能之一。用机器来代替人类从事体力和脑力劳动， 就是用机器代替人的思维。学习控制系统是一个能在其运行过程中逐步获 得被控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下 进行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动控制系统。 e 神经控制系统 基于人工神经网络的控制简称神经控制，是智能控制的一个崭新研究 方向，由于神经网络具有一些适合于控制的特性和能力，现代神经网络技 术和计算机技术的发展为神经控制提供了基础。虽然目前由于神经控制的 硬件尚未真正解决，目前无法肯定神经网络控制理论及其应用研究将会有 什么样的突破性成果，但是神经控制确实是一个很有希望的研究方向。 随着计算机技术和控制技术的发展，应用自动控制理论和智能控制技 术来实现先进的计算机控制系统，必将推动科学技术的进步和提高工业自 动化系统的水平。 1 4 试验机目前存在的问题 目前，m g 2 0 0 摩擦试验机在我国的科研和生产单位中使用较为广泛， 长期以来一直作为材料摩擦学性能试验的主要设备之一，主要完成材料摩 擦学性能试验。 试验机计算机测控系统主要实现材料摩擦磨损试验过程的实时数据采 集和控制；在试验过程中实时显示摩擦力、摩擦系数、转速、温度和位移 等量，并对直流电机转速进行实时控制，使试验机达到稳定可靠的运行。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 中国石油大学应用摩擦研究室所用的m g - 2 0 0 摩擦试验机于1 9 8 3 年出厂， 至今已有二十几年的时间，原有的测控系统则比较陈旧、试验操作者劳动 强度大，试验数据不准确而且数据处理误差大，这些方面主要表现在： 摩擦力和摩擦系数采集不准确，出现严重的零漂现象； 速度控制不准确，误差较大，在不同的速度范围内上下波动严重； 其接线复杂，维修不便，且控制方式单一、不灵活： 测试精度低；自动化程度不高，人工劳动强度大，数据测取和处理 困难等。 以上几个方面的问题对整个试验机摩擦性能产生了极大的负面影响， 以致造成试验结果误差较大，不能真正反映试验材料的摩擦学特性，不能 满足对材料摩擦学特性的对比分析和评价的要求。 基于对上述问题的分析，我们将设计一套新的计算机测控系统，由于 原来的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。 1 5 本课题的研究内容及创新点 “m g 2 0 0 摩擦试验机测控系统改进设计与研究”的基本思想是通过 对试验机原有测控系统的不足进行分析，建立m g - 2 0 0 摩擦试验机计算机 测控系统的整体设计方案。然后对测控系统核心：直流电机调速系统和测 控算法进行研究，通过分析比较选择适合本系统的控制算法；从硬件和软 件两部分来设计试验机计算机测控系统，最后通过联机调试和试验性能分 析来验证该系统的正确性和实用性。 本文的研究工作的主要内容如下： ( 1 ) 在查阅、分析了相关领域资料的基础上，简要介绍摩擦磨损试验 机测控系统的研究现状及目前存在的问题； ( 2 ) 建立m g - 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计方案。确定系统硬 件结构和软件设计流程； ( 3 ) 在计算机测控系统研究的基础上，对该系统核心部分：直流电机 速度控制系统和测控算法进行研究，确定适合本系统的最优控制算法： ( 4 ) 采用数据采集卡、调速模块及相关的传感器组成系统硬件部分； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 应用图形化编程软件v i s u a lb a s i c6 0 完成测控软件设计，实现对各试验数 据，包括摩擦力、摩擦系数、位移、温度、转速等的实时数据采集，进行 试验数据处理分析，并对直流电机转速进行有效控制，得出试验结果； ( 5 ) 在以上理论和实践的基础上，采用m a t l a b 中s i m u l i n k 工具箱进 行动态仿真，最后通过联机调试和试验结果分析来验证该测控系统的可行 性。 本课题的研究创新之处在于： ( 1 ) 把模糊自适应p i d 控制算法运用到m g - 2 0 0 摩擦试验机计算机测 控系统中，实现对试验机直流电机速度的实时控制； ( 2 ) 构建以p c i 8 3 3 3 为核心，辅以8 2 5 4 定时器的数据采集控制系统。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章m g - 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计 第2 章m g 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计 m g 2 0 0 摩擦试验机( 以下简称m g 2 0 0 试验机) 作为材料摩擦学性能 试验的主要设备，在科研、教学和对外服务方面起着举足轻重的作用。然 而，由于其落后的计算机测控技术和手段又严重影响了这些工作的开展。 为此，结合中国石油大学应用摩擦研究室现有的m g 2 0 0 试验机实际情况， 在分析试验机的摩擦磨损性能、研究原有计算机测控系统的基础上，进行 m g - 2 0 0 试验机摩擦磨损试验过程计算机测控系统的改进和设计乜0 1 。 2 1 计算机测控系统概述 计算机测控系统就是利用计算机来实现生产过程的自动测试和控制的 系统。在本课题中，则利用计算机来实现m g 2 0 0 试验机的测试和控制。 ( 1 ) 计算机测控系统的工作原理 为了说明计算机测控系统的工作原理o “，可以参考下面的原理图，如 图2 1 所示，在计算机测控系统中，由于计算机的输入输出都是数字信号， 因此需要a d ，d a 转换器。计算机控制系统的工作原理可分为以下三个步 骤： 图2 1计算机测控系统工作原理 实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和 输入。 实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按给定的控 制规律，决定将要采取的控制操作。 实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号， 完成控制任务。 上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对 被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章m g - 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计 ( 2 ) 实时的要点 实时，就是指信号的输入、计算、输出都要在一定的时问范围内完成， 即计算机根据被控对象的输入信息，以足够快的速度进行控制，超出这个 时间范围，就失去了控制的时机，控制也就没有意义了。本课题所设计的 测控系统，也同样必须满足这样的条件，达到及时采集传感器的数据，进 行分析处理，然后及时向直流电机发出控制指令，进而调整试验机的状态。 2 2m g 2 0 0 试验机计算机测控系统总体方案设计 2 2 1m g 2 0 0 试验机简介 ( 1 ) 用途 m g 2 0 0 试验机主要进行材料摩擦学性能试验，可以完成材料摩擦学性 能的评价与检验，广泛运用于各摩擦材料生产厂家及科研院所研究，是检 验产品质量、评价摩擦材料的重要 设备。该设备常用来测定摩擦材料 的摩擦系数、磨损率。 ( 2 ) 工作原理 该试验机采用机械加载，立式 圆环试件端面摩擦的方式。其中， 转动试件装在主轴端。直流电动机 通过皮带传递摩擦离合器带动主轴 旋转，由预调压力砝码对摩擦面做 正向加压，上试件为试验件，装在 试样夹头里，和加压主轴固定在一 起；下试件为对偶件，与旋转主轴 固定，其工作原理如图2 - 2 所示。 图2 - 2m g 2 0 0 试验机工作原理示意图 ( 3 ) m g 2 0 0 试验机摩擦磨损试验规范 m g 2 0 0 试验机进行材料摩擦学性能试验时，需按下述步骤进行： 按照其标准加工出标准试样，包括试验件和对偶件； 按操作要求装夹试件，根据不同摩擦材料，按要求的正压力和力补 偿系数设定电机转速和试验温度进行摩擦磨损试验； 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章m g 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计 当电阻炉温度达到一定值时，直流电机启动，计算机测控系统开始 工作，整个摩擦磨损试验进行，测量并记录转数、摩擦力、摩擦系数、位 移、温度，累计到设定转数停机； 试验完毕，读取平均摩擦力和摩擦系数等实时采集量，进行试验数 据分析处理； 生成试验报告表并打印。 2 2 2m g - 2 0 0 试验机计算机测控系统要求 针对m g - 2 0 0 试验机的现状与不足，并结合实际的摩擦磨损性能及试 验要求，对其测控系统的要求为； m g - 2 0 0 试验机测控系统设计选型要先进，经济合理。 按照试验规范要求，完成试验机直流电机转速的实时采集和控制， 使电机转速在1 0 0 3 0 0 0 转分的范围内变化，在3 0 万转数间，能在定转数 下自动停车。 完成试验数据( 如摩擦力、摩擦系数、位移、摩擦温度、转数等) 的计算机在线采集和动态显示。其中摩擦力的变化范围为：0 2 0 0 0 n ，由 拉力传感器测定后的显示记录精度为l 。 具备对试验数据的分析处理、存储管理、试验报表自动生成和打印 等功能。 具有友好而实用的人机界面。 系统应具有较高的可靠性、抗干扰性与可维护性，使系统能够稳定 可靠地运行。 2 2 3 技术途径的选择及测控方式的确定 ( 1 ) 技术途径的选择 m g - 2 0 0 试验机是对材料进行摩擦学性能试验和评价的主要设备，其计 算机测控系统的设计开发必须结合摩擦磨损试验规范；同时，为适应材料 摩擦学性能研究的需要，又应具备一定的灵活性。因此，测控系统的应用 软件必须自主开发；由于测控系统的硬件具有通用性，其所需硬件选购从 市场上选购。 ( 2 ) 系统测控方式的确定 i o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章m g - 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计 通过对试验机工作原理、摩擦磨损试验规范和测控系统的要求等进行 分析，主要完成试验过程中实时数据采集控制与数据处理等工作。其中， 对直流电机速度控制系统进行研究，通过分析研究几种不同的测控算法， 来实现对直流电机转速的有效控制。试验过程的控制属于顺序控制，用来 实现电阻炉温度和直流电机转速的实时控制，因此，本系统测控结构方式 为数据采集处理系统( d a s ) 。 2 2 4 数据采集控制系统的组成及其总体结构 数据采集控制系统由硬件和软件两部分组成。其中，硬件包括计算机、 数据采集卡、信号调理装置、双闭环直流调速器、传感器和工作用电源等。 软件包括试验数据的采集程序、分析处理程序、存储管理打印程序等。通 过硬件与软件的密切配合，共同完成材料摩擦磨损试验。其中，数据采集 控制系统应用软件的开发工具选择为m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 ( v b ) 根据材料摩擦磨损试验过程的要求，m g - 2 0 0 试验机计算机数据采集控 制系统的总体结构如图2 3 所示。 主轴转速 摩擦力 摩擦温度 位移 光电转换器卜+ l 力传感器卜- + 数 t 温度传感器b 据 计 采 算 i 位移传感器卜+ 集 机 i 主轴电机i + 一 卡 i电阻炉卜一 图2 - 3m g 2 0 0 试验机计算机数据采集系统总体结构图 在数据采集过程中，试验参量( 摩擦温度、摩擦力、位移、主轴转速) 通过传感器及信号调理装置，转变为可供数据采集卡接受的标准模拟信号 后送入，数据采集卡将送来的标准信号转换成数字信号，送入计算机进行 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章m g 2 0 0 试验机计算机测控系统总体设计 处理( 包括显示、存储、分析和打印等) ；对于实现温度和主轴转速实时控 制，通过设定的试验温度和设定转速与送入计算机的数字量进行比较，采 用合适的控制算法构成闭环控制系统进行控制，按试验规范完成材料的摩 擦磨损性能试验。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 第3 章直流调速系统及控制算法研究 直流电机速度控制是m g 2 0 0 试验机计算机测控系统的核心部分，它 的控制性能直接影响试验机稳定、可靠的运行精度、摩擦磨损性能的好坏 以及摩擦系数的评定等等。直流电气传动具有调速性能好，控制精度高， 线路简单，控制方便，过载能力强，能承受频繁冲击负荷等优点；直流电 机具有良好的起动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平 滑调速。所以直流电动机广泛地应用于自动控制要求较高的生产部门。 p i d 控制原理简单，易于实现，鲁棒性较强，是应用最广泛的控制算法， 其局限性是超调量大，无法实现非线性系统的精确控制；模糊控制引入了 逻辑推理，有较强的自适应能力，对非线性等复杂系统有良好的控制效果； 把p i d 控制和模糊控制结合后产生的模糊自适应p i d 控制不但能实现精确 控制，而且具有较强的适应性，可以更有效的实现人的控制策略和经验， 是一种控制性能极优的控制算法，本章在研究常规p i d 控制、模糊控制的 基础上，重点研究模糊自适应p i d 控制。 3 1 直流电机速度控制系统 3 1 1 直流电机转速控制要求和谓速指标 任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺都有一定的要求。对于 m g 2 0 0 试验机的主轴转速变化范围为1 0 0 3 0 0 0 转分，而直流电机无级变速 误差2 ，在3 0 万转数间，可以在设定转数下自动停机。所有这些要求，都 是生产设各化了的技术指标，经过一定地折算，总可以转化成电力拖动系 统的稳态或动态的性能指标，作为设计的依据。 在一般意义上，对调速系统转速控制要求大致有三方面阢2 4 州： ( 1 ) 调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地( 有级) 或 平滑地( 无级) 调节转速。 ( 2 ) 稳速以给定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰 下不允许有较大的转速波动。 ( 3 ) 加、减速频繁起制动的设备要求尽快的加减速以提高生产率。 一般情况下，调速和稳速在各种场合下都能碰到，调速系统的稳态性 能指标主要有： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 ( 1 ) 调速范围d 生产机械要求直流电动机提供的最高转速甩。和最低转速，。之比口q 做调速范围，用字母d 表示： d ：堡n 堡 ( 3 一1 ) 。 其中：和。一般都指电机额定负载时的转速。 ( 2 ) 静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的 转速降落。与理想空载转速，之比，称作静差率s ，用百分函数表示为： s ：垒2 x 1 0 0 ，2 0 ( 3 - 2 ) 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。并 且，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意 义。调压调速系统中调速范围、静差率与额定速降之间有定的关系。在直 流电动机调压调速中，常以电动机额定转速为最高转速，若带额定负载时 转速降为。，则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即 s ；a n o ( 3 3 ) m m 于是，。= n o m , o - a n 。删= 垒 一吮。= 毕，而调速范围为： d ；鳖：鳖( 3 4 ) 啊m n。 将上式代入式( 3 4 ) ，得 d ；坠兰 琢。( 1 一s ) ( 3 - 5 ) 对于同一个调速系统，它的特性硬度或。，值是一定的，因此，由式 ( 3 5 ) 可见，如果对静差率的要求越严，要求s 越小时，系统能够允许的 调速范围也越小。 控制系统的动态性能指标分为跟随性能指标和抗干扰性能指标两类： ( 1 ) 跟随性能指标 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 上升时间f ，：在典型阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上 升到稳态值岛所经过的时间。 超调量盯：输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比 口：! ! 二垒1 0 0 ( 3 6 ) 气 调节时间：从开始到输出稳定下来的一段时间，一般我们用误差带 2 5 的来表示输出稳定。 ( 2 ) 抗扰性能指标 是指控制系统在稳定运行中受到干扰，经历一段动态过程后，总能达 到新的稳态。 动态降落血。 系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，在过度中引起的输 出量最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值g 。的百分数表示， 系统动态降落后又重新恢复，达到新的稳态值c 。2 ，用( g 、- q ：) 表示静差。 恢复时问 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值瓯：之差 进入某基准量g 的5 ( 或蛇) 范围内所需要的时间，( g 称为抗扰指标 中输出量的基准值) 。 对调速系统来说，动态指标以抗扰性能为主。对于不可逆调速系统则 主要要求一定的转速抗扰性能。对于其跟随性，只要求没有超调，过渡过 程慢些没有关系，有时还故意限制加速度，使起制动过程更平缓。 3 1 2 直流电机调速方法 直流电动机的转速与其它参量的关系为。5 2 ”： 玎：丝二生：生一丝：”血 ( 3 7 ) c c 垂c t 争c c 争 、 式中，胛为电动机转速： 玑为电枢电压； l 为电枢电流； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 如为电枢回路总电阻； e 为由电机结构决定的电势系数； 西为励磁磁通。 由式( 3 - 7 ) 可见，直流电机的调速可以有四种方式：改变电枢电压u a ： 改变励磁电压( 即改变励磁磁通矿) ：改变励磁回路电阻r ，；改变电枢 回路总电阻髟。这四种调速方法的特点如下： ( 1 ) 改变电枢电压。 相当于改变机械特性的起始点的大小，而厅则不受影响，在一定的 负载下，增大即可增加转速栉，采用改变电枢电压调速的系统称为调压 调速系统。它是最常使用的调速方案。 ( 2 ) 改变励磁电压u ， 相当于改变励磁磁通痧，该调速系统称为调磁调速系统。增大励磁电压 巩使得励磁磁通增大，转速将降低，但电机的工作磁通一般都接近饱和 状态，所以增磁的余地是不大的。若减小u l 使得减弱，则可使转速升高。 庐减弱，与血都将增大，这表明转速升高，机械特性将会变软。 此外，减弱磁场，将使电机的电磁转矩m 。减小，若负载转矩不变，则 必然导致电枢电流l 增加，进而导致机械特性变软和发热加重，这些都是 弱磁升速的缺点。因此，通常只在额定转速以上才采用调速的方法。 ( 3 ) 改变励磁绕组回路的电阻r ， 也可以改变励磁磁通矿，因而可以改变电动机的转速，也属于调磁调速 系统。这种调速方法的优点是由于励磁回路电流很小，只有额定电流的 1 3 ，所以不仅调节电阻非常轻便，而且调节电阻上所引起的能量损耗 也很轻微，故简单而经济。用这种方法来调速，最高转速与最低转速之比 为4 ：1 左右。调速范围的大小受下面因素决定：由于励磁绕组本身固有的电 阻及磁路饱和的影响，磁通不可能过分增加，转速也不可能过分降低：如 果转速过高，转子上的结构部件将承受不住巨大的离心力而损坏，转速过 高时，电机换向将发生困难，所以电机的转速不能过高。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 ( 4 ) 改变电枢回路电阻矗 实际上是在电枢回路中串接一附加可变电阻r ，利用电枢电流l a 在r 上的压降，使转速降低。这种调速方法的机械特性软，而且很不经济，电 枢电流会在调速电阻尺上产生很大的铜耗，因而降低了电动机的效率，一 般较少采用。但由于它无需很多设备，在调速比不大( 2 ：l 以下) 的小功率 调速系统中，仍有应用。 考虑到各种调速方法的特点，工业应用场合中通常使用改变电枢电压 调速，即调压调速系统。我们采用调压调速来实现直流电机的速度控制。 3 1 3 直流电机数学模型 在电力拖动控制系统中，直流电动机通常以电枢电压为输入量，以电 动机的转速为输出量。假设电动机补偿良好，不计电枢反应、涡流效应和 磁滞的影响，并设励磁电流恒定，得直流电机数学模型为关系为田。” = 易警+ 毛兄+ e 胛 ( 3 8 ) 式中，仉为电枢电压； l 为电枢回路电感； 厶为电枢电流： 比为电枢回路总电阻； e 为由电机结构决定的电势系数，单位为雨蒜： n 为电动机转速。 忽略粘性摩擦，转矩平衡方程式为： h = ，塑d t = 罢鲁 ( 3 - 9 ) 式中，t = 巳l a 为额定励磁下的电磁转矩： ，为电动机轴上( 包括负载折算过来的) 转动惯量； 瓦= c 。i l 为包括电机空载转矩在内的负载转矩，t 为负载电流； g d 2 为电力拖动系统部分折算到电动机轴上的飞轮惯量。 当磁通不变时，有 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 1 ：2 q 厶( 3 - 1 0 ) 式中，c m ：；：丝e 为电动机额定励磁下的转矩电流比。 d 7 t 整理得到直流电机的微分方程 乃已窘+ 乙鲁击叱 ( 3 - 1 1 ) 式中，乃为电枢回路的电磁时问常数，乃= 争； 1 k 瓦为机电时间常数，l = 差邕= 甄g d 2 r d ； n 为电动机转速。 进而，我们可得直流电动机的电压和转速间的传递函数为： 哪) 2 蒜 ( 3 - 1 2 ) 以上各式是直流调速系统控制算法建模的基础，根据m g 2 0 0 试验机 所用z 2 3 2 型直流电机参数来确定各不同的控制算法。根据上式可以看出 直流电动机可以近似认为具有两个惯性环节的系统。直流电动机的动态结 构图如图3 1 所示。 图3 - 1直流电机的动态结构图 3 1 4 s i m u l i n k 下直流电机仿真模型的建立 ( 1 ) 直流电机基本参数的确立 本测控系统的核心部分：直流电机速度控制部分所用电机为z 2 3 2 型直 流电动机，有关z 2 3 2 直流电机的一些基本参数为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章直流调速系统及控制算法研究 u t = 1 8 0 v - i ；= 2 6 5 a ，n | = 3 0 0 0 r r a i n ，l = 0 3 h ，r 2 0 2 2x 2 ， g d 2 = 2 2 4 5 ，c “= 3 0 , o i * c e ，p = 4 k w 作用在电枢上的电磁转矩疋： 疋= c r 妃m ) c ，：p n , 2 忍7 电枢电动势：e = u - i r = 1 8 0 - 2 6 5 x 0 2 2 = 1 7 4 2 ( v ) 电磁功率：只= e l = 1 7 4 2 x 2 6 5 = 4 6 1 5 5 ( w ) 机械角速度：f 2 = 吾也= 0 1 0 4 7 3 0 0 0 = 3 1 4 ( t a d s ) 电磁转矩：t2 告2 1 4 7 ( n ) 徽输出牦= 告= 等_ 1 2 7 ( n m ) 额定励磁电流：i = i u = o 5 4 ( a ) 额定电枢电流：，州x o i 2 6 5 - 0 5 4 = 2 5 9 6( a ) 额定运行时的电磁功率：只= 日“= 1 7 4 2 x 2 5 9 6 = 4 5 2 6 8 ( w ) g = 吾= 纂一o s