（机械设计及理论专业论文）静态压缩试验机计算机测控系统的研究与设计.pdf

x 祝如孑静态压缩试验机计算机测控系统的研究与设计中文摘要包装缓冲材料的静态压缩试验，包装件的压缩试验及堆码试验，是包装测试方面的重要试验部分，对研究材料和包装件性能有重要意义。实验室原有的包装压力试验机机械部分、液压部分功能尚且良好，但记录系统落后，操作也是人工进行。为改进试验机性能，本课题提出为试验机另外设计计算机测控系统。设计方案为硬件上为系统配置位移传感器、压力传感器、模数转换( a d )板、数字量输入输出板( i o ) 板、伺服电机及其驱动器，计算机则利用实验室原有的普通计算机；软件上则针对试验机设计全新测试控制软件。设计思想就是传感器信号通过a d 板模数转换，计算机通过访问a d 板获取转换结果，来达到对试验机系统进行测试的目的。同时，计算机处理所得数据，做出控制决策，通过i o 板向伺服电机发送指令，进而调节试验机状态。本课题深入研究了控制技术、接口技术，并结合当前市场情况，大胆采用了先进的硬件设备，保证了系统硬件的高精度和高可靠性。为了设计系统的软件部分，本课题使用了功能强大，使用方便的v i s u a lc + + 6 0 高级可视化计算机编程语言。由于试验需要，在编程方面深入学习了w i n d o w s 编程技术中的多线程技术和动画贴图技术。最终设计的数据采集功能模块和动态显示模块，既保证了实时数据采集的准确性，又保证了界面动态无闪烁刷新。试验的测试部分最终可以得到位移一时间曲线、速度一时间曲线、压力一形变曲线、应力应变曲线等结果。软件的控制模块根据模糊控制技术原理进行设计，实现思路简单，可以完成对压力机的恒速控制和恒压控制。软件另外集成包括历史记录查询，打印输出、曲线图形导出、自动保护在内的众多功能，而且界面友好，操作方便。静态压缩试验机计算机测控系统的设计成功，不仅使压力试验实现数字化，而且计算机控制功能使试验机不仅能够做恒速的静态压缩试验，而且可以做恒压的堆码试验。本课题所做的工作，在包装测试领域对试验设备升级，技术革新都有重要意义。并且，本课题方案在其它测试领域有广泛推广潜力。关键词：压力试验，包装测试，计算机，数据采集，多线程，模糊控制r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o ls y s t e mo fs t a t i cc o m p r e s s i o nt e s t e rt h es t a t i cc o m p r e s s i o nt e s to fp a c k a g ec u s h i o nm a t e r i a l ，t h ec o m p r e s s i o nt e s to fp a c k a g e da n dt h es t a c k i n gt e s ta r ei m p o r t a n tp a r to f p a c k a g et e s t , t h e ya r ea l s oi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ec a p a b i l i t yo f r n a t e r i a la n dp a c k a g e t h ec o m p r e s s i o nt e s t e ri nt h ep a c k a g el a bo fo u rc o l l e g ei so l d , b u ti t sp a r t so fm a c h i n ea n dh y d r a u l i cp r e s s u r ea r eg o o d h o w e v e r ,t h er e c o r ds y s t e mo f t h i s 1 a c h i n ei sb e h i n dt h et i m e s ，a n dt h em a c h i n ea l s on e e d sp e o p l et oo p e r a t eb yh a n d s o ，an e wp l a nt od e s i g nc o m p u t e rt 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 ew a sb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp l a n , d i s p l a c e m e n ts e n s o r , p r e s s u r es e n s o r , a dc o n v e r s i o nc a r d ，d i g i t a li oc a r d ，s e r v om o t o ra n di t sd i v e rw i l lb es e t w en e e d n tb u yan e wc o m p u t e r ；, t h eo l do n ei nt 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 h ei d e ao f t h i sd e s i g ni sl i k et h i s ：t h es e n s o r sg e tt h em e s s a g eo f t h em a c h i n ea n dp a s si tt ot h ea dc o n v e r s i o nc a r d ，t h e nt h ec o m p u t e rr e c e i v e st h er e s u 坨s ot h ec o m p u t e rg e t st h ec o n d i t i o no ft h em a c h i n e t h e nt h ec o m p u t e rd e a l sw i t ht h ed a t aa n dm a k e sd e c i s i o na n ds e n d sc o m m a n dt ot h es e r v od r i v e r , t h e nt h em o t o rt u r n sa n dt h em a c h i n em o v e so n i nt h i sp l a n ，w er e s e a r c ht h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dj o i n i n gt e c h n o l o g ya n du s et h ea d v a n c e dh a r d w a r e ，s ot h eh a r d w a r es y s t e mi sn i c ea n ds t e a d y t od e s i g nt h es o t t w a r e ，w eu s ev x s u a l 叶6 0 w h i c hi sa na d v a n c e dc o m p u t e rl a n g u a g ew i t hp o w e r f u lf u n c t i o n , a n d“i se a s yt oh a n d l e w es t u d yt h em u l t i - t h r e a dt e c h n o l o g ya n dd y n a m i cd i s p l a yt e c h n o l o g y ,a n dt h e nd e s i g ns o m ef u n c t i o n st or e a l i z es a m p l i n gc o r r e c t l ya n dd y n 帅i cd i s p l a yw i t h o u tt w i n k l e w i t ht h i ss o f t w a r e ，p e o p l ec a ng e td i s p l a c e m e n t - t i m ec u r v e s ，v e l o c i t y - t i m ec u r v e ，d i s t o r t i o n - p r e s s u r ec 1 k r v ea n ds t r e s s s w a i nc u r v e w ed e s i g naf u z z yc o n t r o lu n i ta n dr e a l i z ec o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o la n dc o n s t a n td i s p l a c e n l e n tc o n t r o lt ot h ec o m p r e s s i o nt e s t e r a l s o t h es o f t w a r ec a n 出o wt h eh i s t o r yd a t a , p r i n tt h er e p o r t , a n de x p o r tt h ep i c t u r eo f c u r v e ，a n dp r o t e c tt h em a c h i n ef i o md a m a g e 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 sf i i e n d l y ,a n dc a nb eh a n d l e de a s i l y t h es u c c e s s f u ld e s i g no f c o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e sd i g i t i z a t i o nf o rt h es t a t i cc o m p r e s s i o nt e s t e nw h a ti sm o r e ，t h ed e s i g nu 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 yp r o c e s ss t a t i cc o m p r e s s i o nt e s tw i t hc o n s t a n tv e l o c i t yb u ta l s op r o c e s ss t a c k i n gt e s tw i t hc o n s t a n tp r e s s u r e o u rw o r kh a sp o s i t i v ea n di m p o r t a n tm e a n i n gi nt h ef i e l do fp a c k a g et e s ta n db o a r dp o t e n t i a li no t h e rt e s tf i e l d k e yw o r d s ：p r e s s u r et e s t ；p a c k a g et e s t ；c o m p u t e r , d a t as a m p l i n g ；m u l t i - t h r e a d ；f u z z yc o n t r o l1 1 课题背景第一章绪论包装行业在我国近年来发展迅速，已经成为的一个重要行业。不断发展包装行业，重要的就是注重综合衡量包装的性能和包装的成本，以及对资源、环境的影响。设计合理的包装不仅是简单地完成保护产品，而且需要考虑社会综合投资效益，实际上已经成为关系国家经济可持续发展重要课题。设计合理的包装，需要在包装材料、结构等各方面进行优化，设计出有效的，绿色的包装。为了设计包装和检验设计的包装，必须进行科学的试验，通过实际测试来给出结论，服务于包装设计。为保护商品在流通的全过程中不因外界的冲击和振动而产生破坏，就必须设计缓冲防振包装。我们将商品、缓冲衬垫及包装容器整体称为缓冲包装系统。缓冲材料，作为包装中不可缺少的物品，在设计之前，就必须非常清楚地了解材料的性能，所以要进行材料的综合试验，其中就包括需要测定材料的静态缓冲系数。测定材料的静态缓冲系数，也就是包装材料的静态压力试验。试验通常在压力试验机上进行，主要测定缓冲材料的力一变形特性，由此可以求得缓冲材料的应力一应变曲线圈，进而通过计算得到材料的静态缓冲系数。对缓冲材料性能的评价，还应包括材料回弹性和蠕变性【2 j 等方面。缓冲材料的在受冲击和振动的情况下，具备的恢复原来尺寸和形状的能力，称为回弹性。缓冲材料在每次变形之后恢复原来的尺寸和形状，并呈不完全松散的稳定状态。回弹性差的材料在经过几次冲击作用后，结构尺寸发生变化的较大，导致材料的应力一应变曲线发生变化，影响材料的缓冲性能。另一一方面材料尺寸变小，使外包装容器内部产生空隙，容易产生二次冲击。蠕变是指缓冲材料在受到静外来作用下，随着时间的延长使变形相应增大的一种现象。蠕变现象也是材料在外力作用下产生的塑性变形而引起的。蠕变不仅与材料的性能有关，还与外力的大小、作用力时间长短以及环境的温度有关。包装件在流通过程中贮存时f 刚较长，缓冲材料产生蠕变是不可避免的，其结果也使材料的结构尺寸变小，从而在包装容器内部产生空隙，导致产品的破损率上升。对材料的回弹性和蠕变性的研究都是在压力试验机上进行的a包括纸箱在内的许多包装容器，在使用过程中都会受到外界的压力，所以容器本身都需要有定的抗压强度。为了测定其抗压强度，都需要做压缩试验，这也是在压力试验机e 进行的。缓冲包装件设计完成之后，需要做堆码试验。无论在仓库还是在运输途中，货物都要向上堆码，因此上面的货物对下面的货物都是有压力的。上面货物对最底层的货物的压力称为堆码载荷。为了保证底层货物不被破坏，包装容器的抗压强度必须大于堆码载荷，且要有一定的安全系数。对缓冲包装件，就需要做堆码试验。对上面提出的各种包装方面的实际情况，可以看到压力试验和堆码试验是包装测试领域不可缺少的基本试验。而我国目前包装测试领域的情况又是如何呢? 据实际调查所得到的信息，目前包装测试领域的设备和使用的技术都是比较落后的。很多的设备是我国上世纪8 0 年代、9 0 年代的产品，在机械性能方面或许还拥有其一定的价值，但是在测试、控制领域则已经大大的落后于其他领域了。当计算机测试控制系统走进许多行业的时候，包装测试领域还停留在比较低级的水平上。在测试方面，许多设备使用原始的机械记录装置，甚至没有记录设备，需要人手动完成；在控制系统方面，则使用的还是手动控制，好一些的用到了控制柜。这样的情况，已经远远不能满足当前科研的需要了。当然，随着我国加入w t o ，经济的全球化发展，在当前的市场上，出现了许多国外企业生产的设备，他们采用了一些先进的技术，也可以满足现在的试验的需要。但是，存在的一个重要的问题是价格的因素。一些本来并不是代表当前世界顶尖科技的设备，却有着其不菲的价格，这实际上是对我国工业、技术、经济的打击。这应该引起我们的思考，作为拥有现代经济观念和强烈民族责任感的中国技术人员，完全有能力，有信心做出具有创造性的成果。所以，开发拥有我国自主知识产权的，满足当前我国包装测试领域需要的技术和设备，是有非常积极的意义的。1 2 课题内容根据学校包装实验室的现有条件，对实验室的静态压缩试验机的分析论证，决定保留试验机的机械部分，设计配套的计算机测试控制系统，能够i l i o n 进行静态压缩试验和堆码试验，使之成为一个在教育教学、科学研究方面都实用的设备。这套计算机测试控制系统的在测试方面，实现如下功能：信号数据的采集与显示功能信号的分析、处理功能缓冲材料、包装件性能分析功能试验的自动引导功能试验故障的自诊断、多媒体报警及故障排除引导功能试验历史记录查询功能试验报告的自动生成功能2多种信息输出功能在控制方面，则能够实现试验机的恒速、恒压控制，并且带有自动保护功能，防止意外操作导致设备损坏，保护人身安全。根据需要还提供了程序文件的破坏后自动恢复功能，试验数据的压缩功能、备份功能。特别设计安全机制数据加密、用户管理还为数据、信息安全提供了另外的一重保障。作为一个开放性系统设计，程序另外还配置了功能扩展接口。浚设计，全面的满足了包装静态压力试验、堆码试验的需要，对教育教学，科学研究都有比较大的实用价值。1 3 论文内容分布本文采用先陈述主要运用到的技术，后表述总体设计的方式来阐述论文。首先是对包装件压力试验和堆码试验的研究探讨，引出本课题的设计要点。接着，对课题主要应用到的计算机测控技术和接口技术进行了介绍。这两部分作为课题设计的基础理论，详细陈述了计算机测试、控制系统的硬件结构、原理、使用方法等。为设计试验机测控系统的软件部分，使用到了v i s u a lc 十+ 6 0 高级计算机编程语言，同时陈述了在系统设计中运用到的关键性w i n d o w s 编程技术。最后，本文对整个课题设计进行总体介绍，表述系统硬件部分的设计和软件部分的设计，并详尽的说明软件部分的功能和使用步骤及实现的方法。第二章包装件压力试验和堆码试验在中华人民共和国国家标准里，详细地规定了运输包装件基本试验 3 】，包括了压力试验和堆码试验。了解标准中规定的内容，是正确进行试验的前提，也是进行试验设备本身相关的设计的第一步工作。2 1 压力试验g b4 8 5 7 4 - - 8 4 中详细规定了对运输包装件进行压力试验的方法。并指出这种试验是用于评定运输包装件在受到压力时的耐压强度及包装对内装物的保护能力。( 1 ) 试验原理：将试验样品置于试验机两水平压板之间，然后均匀施加压力，直到试验样品发生破裂为止，或者直到负载或压板位移达到预定值为止。( 2 ) 试验设备：压力试验机：压力试验机用电动机驱动，机械传动或液压传动，压板型式要能使一个或两个压板以1 0 + 3 n m g m i n 的相对速度进行匀速移动，对试验样品施加压力。压板应平整，当压板水平放置时，板面的最低点与最高点的高度差不超过l m m ；压板的尺寸应大于与其接触的试验样品的尺寸，两压板之间的最大行程应大于试验样品的高度。压板应坚硬，当把试验机最大的负载定额在7 5 施加在压板中心1 0 0 1 0 0 l o o m m的硬木板上时，压板上任何一点的变形不得超过l m m 。此木块应有足够的强度承受这一负载而不发生破裂。下板须始终保持水平，在整个试验过程中，其水平倾斜角度要保持在千分之二以内。上压板应牢固地安装，并且在整个试验过程中，其水平倾斜度应保持在千分之二以内；或者上压板中心位置安装在一个万向接头上，使其能向任何方向自用倾斜。记录装置记录装置所记录地负载误差不得超过施加负载地2 。压板的位移误差为1 m m 。( 3 ) 试验步骤对准备好的试验样品进行编号，并进行温湿度预处理，然后进入试验。平面压力试验记录试验场所温湿度。将试验样品按正常运输时的状态置于下压板中心部位，使上压板和试验样品接触。先加2 2 0 n ( 约2 2 k g f ) 的初始负载，以使试验样品与上下压板接触良好。调制记录装置，以此作为记录的起点。以1 0 3 m m m i n 的速度均匀移动压板距离。应加压到下列情况之一：a 压缩负载达到极限值，试验样品出现破裂；b 试验样品尺寸变形或压缩负载达到预定值。预定值由有关标准规定。按相关标准规定检查包装及内装物的损坏情况，对结果进行分析。作出试验报告。试验报告包含下列内容：a 试验样品的数量；b 详细说明：包装容器的尺寸、结构和材料规格；附件、缓冲衬垫、支撑物、固定方法、封口、捆扎状态及其他防护措施：c 内装物的名称、规格、型号、数量等；d 试验样品和内装物的质量，以k g 汁；e 预处理的温度、相对湿度和时间；f 试验场所的温度和相对湿度；g 试验设备、仪器的说明；h 每个试验样品进行试验时承受压力和变化的曲线图或数据表；i 记录观察到的任何可以帮助正确解释试验结果的现象；j 记录试验后的检查结果；k 提出试验结果分析报告；1 说明所用试验方法与本标准的差异；m 试验日期，试验人签字，试验单位盖章。对角或对棱的压力试验需要对包装运输件作对角和对棱的耐压试验时，须采用上压板不能自由倾斜的压力试验机。对角压力试验，需备有带1 2 0 。圆锥孔的金属附件一对，该附件孔的深度不超过3 0 m m 。对棱压力试验，需备有直角沟槽的金属附件一对，其沟槽的深度与角度应不影响试验样品的耐压强度。将金属附件装置在上下压板中心相对称的位置上，以保持试验样品试验时角或棱的位置。试验步骤与平面压力试验相同。2 2 堆码试验g b4 8 5 7 3 8 4 中详细规定了运输包装件进行堆码试验的方法。堆码试验用于评定运输包装件在堆码时的耐压强度，及对内装物的保护能力。( 1 ) 试验原理：将试验样品放在一个水平平面上，上面施加负载。( 2 ) 试验设备：试验设备应满足下列要求：水平平面应平整坚硬。当其面积在1 m 2 以内时，任意两点高度差不超过5 m m 。如为混凝土地面，其厚度应不少于1 5 0 r a m 。加载平板加载平板放与负载与试验样品之间，板面尺寸校试验样品顶面各边至少大出1 0 0 m m 。平板应坚硬，要足能承受负载而不变形。负载和加载平板也可以是一个整体。测量偏斜的手段( 如有必要作测定时) ：所有测试偏斜手段的误差，应精确到l m m 。安全装备在试验时应注意所加负载的稳定和安全，为此，必须提供一套稳妥的试验设备，并能在一旦发生事故的情况下，保证负载受到控制，以便防止对附近人员造成伤害。( 3 ) 试验步骤对准备好的试验样品进行编号，并进行温湿度预处理，然后进入试验。记录试验场所温湿度。将试验样品按预定状态置于水平平面上，加载平板置于试验样品的顶面中心位置，然后，再将作为负载的重物在不造成冲击的情况下放在加载平板上，并使它均匀地加载平s板接触。重物与加载平板地总重量与预定值的误差应在2 之内。负载重心与加载平板上面的距离，不得超过试验样品高度的5 0 。如果试验特殊加载时，可将合适的仿模放在试验样品的上面或者下面，也可以根据需要上下都放。负载应保持规定的持续时间为2 4 h 或直直包装件压坏。试验期间按预定的测试方案记录试验样品的变形，必要时，也可以随时对试验样品的变形情况进行测定。去除负载，并按有关标准规定检查运输包装件及内装物的损坏情况，并分析试验结果。做出试验报告。试验报告包括下列内容：a 试验样品的数量，放置的状态；b 详细说明：包括容器尺寸、结构和材料规格、衬垫、支撑物、固定方法、封口、捆扎状态以及其他防护措施；c 内装物的名称、规格、型号、数量等；d 试验样品和内装物的质量，按k g 计；e 预处理的温度、相对湿度和时间；f 试验场所的温度和相对湿度；g 总负载( 以k g 计，包括加载平板的质量) ，以及样品承受负载的持续时剧；h 试验样品偏斜测量点的位置，及在什么试验阶段上进行这些偏斜的测量；i 所用仿模的形状和尺寸；j 试验设备的说明；k 试验结果的记录，及观察到的可以帮助萨确解释试验结果的任何现象；1 试验结果分析；m 说明所用试验方法与本标准的差异；n 试验日期、试验人签字、试验单位盖章。( 4 ) 堆码高度及其持续时间( 参考)本参考提供下列数值，供堆码试验时确定运输包装件载荷及其持续时间参数时选用。采用本参考件的量值时，应按运输包装件的实际流通情况( 如储运方式、装卸环节等)选择合适的堆码高度及其持续时间。试验时相同条件不少于三次。表2 1 堆码高度及其持续时间表基本值适用范围储运方式持续时间及其高度持续时间及其高度公路l 天，2 ，5 m1 7 天，1 5 3 。5 m铁路l 天，2 5 m1 7 天，1 5 3 5 m水运1 7 天，3 5 m1 天4 周，3 5 7 m储存1 7 天，3 5 ml 天4 周，1 5 7 m62 3 试验要求分析对试验标准进行分析，可以得到进行压力机的计算机测试控制系统设计所需要的众多要求。在试验设备方面，试验室已有压力试验机，虽然已经使用多年，但机械、液压部分性能仍然很好，可阻继续使用。但是由于其记录系统、控制系统已经落后，所以必须重新设计开发。通过综合论证，新的试验系统需要考虑如下方面：( 1 ) 需要安装合适的传感器、编码器等设备。对采用液压驱动的压力机，测量压力需要安装测量液压的压力传感器，测量位移需要安装位移传感器；对于采用机械加压的压力机，测量压力需要采用机械应变片式等测量机械压力的力传感器，对位移的测量则可以通过机械传动部分安装的光电编码器来间接测量得到。并且，所有用到的传感器、编码器，都必须有足够的精度，才能保证使用的需要。试验标准的要求为配套的器材的选型提供了依据。( 2 ) 控制系统需要能够实现压力试验机的恒速及恒压控制。这是控制设计需要考虑的最重要的一个部分，硬件系统、软件系统必须满足很高准确性和及时性。( 3 ) 试验要求提出了试验的步骤，在软件设计上必须完成完全配套的设计，方便操作使用。( 4 ) 软件系统需要设计保护功能，绝对控制设备不能发生超压、超距的情况，避免因为错误指令或其它意外情况导致的设备损坏和人身安全问题。当设备运行到规定的压力、位移极限时就应通过保护程序停止设备的前进，发出报警信号，禁止任何继续加压前进的操作。( 5 ) 软件系统应该具备直观、实时的显示和完备的数据处理、输出功能。( 6 ) 软件系统应该具备完善的数据库管理系统和安全防护机制。基于上述对试验要求的全面分析，把握设计的全局，为下一步工作做好准备。第三章计算机测控技术3 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。在我们的课题中，则利用计算机来实现静态压缩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，可以参考下面的原理图，图3 - - l 。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。i t 一算机控制系统的工作原理可分为以下三个步骤：圈3 1 计算机测控系统的工作原理f i g 3 1o p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ec o m p u t e ro b s e r v e sa n dc o n t r o ls y s t e m a t i c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，并按已定的控制规律，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。( 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间范围内完成，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，然后及时向伺服电机发出控制指令，进而调整试验机的状态。3 ，2 计算机测控系统的组成完整的计算机控制系统由计算机和生产过程两大部分组成。计算机，包括软件部分和硬件部分。生产过程根据实际情况包括被控制对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。图3 2 给出了计算机测控系统的组成框图。c p u m e m 卜_ 模拟量输入( a 1 ) 通道卜一_ 1 测量变遗卜内被人_ 机接ai ”永一模拟量输出( a o ) 通道f - 一执行机构t - - -控总时系统芰持顿k 呻残一数字量输八( d 1 ) 通道卜一一电气开关卜一氯磁盘适配嚣k _一数字量输出( 。o ) 通道卜一叫电气开关 _ 一图3 2 计算机测控系统的组成框图f i g 3 - 2c o m p o s i t i o no ft h ec o m g u t e ro b s e r v e sa n dc o n t r o ls y s t e m图中所示系统采用采用了直接数字控制方式。计算机首先通过模拟量输入通道( a i )和开关量输入通道( d i ) 实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，通过模拟输出通道( a o ) 和开关量输出通道( d 0 ) 直接控制生产过程。直接数字控制方式是生产过程中应用最普遍的方式。3 2 1 测控计算机的硬件系统测控计算机的硬件部分包括主机( c p u 、r a m 、r o m ) 板、内部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。( 1 ) 主机板主机板由中央处理器( c p u ) 、存储器( r a m 、r o m ) 等部件组成的主机是计算机的核心a在控制系统中，主机主要进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。( 2 ) 总线内部总线是计算机内部组成部分进行信息传递的公共通道，它是一组信号线的集合。常用的内部总线由i b mp c 总线和s t d 总线。外部总线是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线由r s 0 - 2 3 2 c 和i e e e 一4 8 8 通信总线。( 3 ) 人机接口人机接口包括了标准的p c 键盘、鼠标、显示器、打印机等人机交换设备。( 4 ) 磁盘系统磁盘系统可以配通用的软磁盘和硬磁盘。( 5 ) 通信接口通信接口是工业控制机构和其它计算机或智能外设通信的接口，常用r s 一2 3 3 c 和9i e e e 一4 8 8 接口。( 6 ) 输入输出通道输入输出通道是工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。包括模拟量输入( a i ) 通道、模拟量输出( a 0 ) 通道、数字量( 开关量) 输入( d i ) 通道、数字量( 开关量) 输出( d o ) 通道，它们的作用如下：一是将生产过程中的信号变化成主机能够接受和识别的代码，二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。3 2 2 测控计算机的软件系统测控计算机的软件系统就是其程序系统，主要包括系统软件和应用软件。系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。m s d o s 和w i n d o w s 就是常用的操作系统软件。另外还有一些别的操作系统。应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。包括过程输入程序、过程处理程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、显示打印程序和其它功能子程序。比如本课题设计的测控系统软件就属于应用软件的范围，实现了包括对试验机的测试和控制功能在内的众多功能。计算机测控技术随着硬件技术的发展和实际需要的提高，对软件系统也提出了更多更高的要求。只有计算机测控系统的硬件和软件相互配合，才能发挥出它们的优势。3 3 计算机测控系统的发展情况及趋势3 3 1 计算机技术的发展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 mf o x p r o 、v i s u a l c + + 、b o r l a n dc + + 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，采用的是m i c o r s o f t 开发的v i s u a lc 十+ 6 o 高级可视化计算机编程语言来编写系统所用的软件系统。3 3 2 计算机控制系统的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。l o( 1 ) 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。( 2 ) 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。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。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，模糊控制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。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。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。神经控制系统基于人工神经网络的控制简称神经控制，是智能控制的一个暂新研究方向，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。3 4 模糊控制技术根据对试验机性能的研究和对计算机控制理论的研究，本课题最终决定选择模糊控制方法来设计控制系统部分。采用模糊控制方法，思路简洁，控制方法也相对容易实现，是选用的主要原因。模糊控制理论 8 1 是由美国学者z a d e hl a 于1 9 6 5 年首先提出。它是以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略。它属于智能控制的范畴，目前已经成为人工智能领域中的一个重要分支。英国的m e m d a n ieh 教授在1 9 7 4 年研制成功第一个模糊控制器，展示了模糊控制技术的应用前景。模糊控制技术是由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科相互渗透结合的一门科学技术。其中模糊控制器是模糊控制系统的核心，其性能的优劣取决于模糊控制器的机构，所采用的模糊规则、合成推理运算以及模糊控制决策的方法等因素。模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个部分。模糊化接口模糊控制器的确定量输入必须经过模糊化接口模糊化后转换成一个模糊矢量才能用于模糊控制，具体可按模糊化等级进行模糊化。知识库知识库由数据库和规则库两部分组成。数据库存放的是所有输入输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值，若论域为连续域，则为隶属度函数。规则库就是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提高控制规则。模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作经验来建立的，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系差连接而成，如i f - t h e n 、e l s e 、a l s o 、a n d 、o r 等。关系词经过翻译，才能将模糊规则数值化。推理机推理机是模糊控制器重，根据输入模糊量和知识库( 数据库、规则库) 完成模糊推理，并求解模糊关系方程，从而获得模糊控制量的功能部分。模糊控制决策也就是模糊决策，是人们在控制生产过程中的经验总结。这些经验公式可以写成：“如a 则b ”型，也可以写成i fat h e nb 。“如a 则b 否则c ”型，也可以写成i fat h e nbe l s ec 。“如a 且b 则c ”型，也可以写成i faa n dbt h e nc 。对于更复杂的系统，控制语言可能更复杂。最简单的单输入单输出控制系统如下所示：里婴网丽羔堑al：lb则控制决策可用“如a 则b ”的语言来描述，即若输入为a ，则输出b 为b 1 = a 1 。r = a i 。( a x b )( 3 一1 )双输入单输出的控制系统表示如下：论域xa论域yb其控制决策可以用“如a 且b 则c ”型控制语言来描述。若输入为a ，、b - 则输出c ，为c i = ( a t b 1 ) 。r = ( a i x b l ) 。( a x b c )( 3 2 )清晰化接口通过模糊决策得到的输出是模糊量，要进行控制必须经过清晰化接口将其转换成精确量。通常有三种方法，即选择隶属度最大的原则、加权平均原则、中位数判决法。3 5 模糊控制器设计设计一个模糊控制系统的关键是设计模糊控制器，这样就需要选择模糊控制器的结构，选择模糊控制规则，确定模糊化和清晰化方法，确定模糊控制器的参数，编写模糊控制的算法程序。本课题所使用的模糊控制器，就是在下面的理论指导下设计完成的。3 5 1 模糊控制器的结构设计在单输入输出系统中，一般可设计成一维或二维模糊控制器。在极少许情况下才有设计成三维控制器的要求。这里所说的控制器维数，通常指输入变量的个数。一维模糊控制器这是一种最简单的模糊控制器，其输入输出均只有个。假设模糊控制器输入变量为x ，输出变量为y ，此时的模糊规则( x 一般为控制误差，y 为控制量) 为1 3r li f x i s a it h e n y i s b io rr 2 ：i f x i s a nt h e n y i s b n这里，a - ，a n 和b ，b n 均为输入输出论域上的模糊子集。这类模糊规则的模糊关系为r ( x ，y ) = u a x b i( 3 - 3 )二维模糊控制器二维模糊控制器的输入变量有两个，而控制器的输出只有个。这类模糊规则的般形式为r i ：i fx li sa ：a n dx 2i sa ；t h e nyi sb i这里，a ：、a ；和b i 均为论域上的模糊子集。这类模糊规则的模糊关系为) = u 。( a i 。擘) 。号1( 3 4 )l = jl 一qj在实际系统中，x 一般取为误差，x ：一般取为误差变化率，y 一般取为控制量。3 5 2 模糊规则的选择和模糊推理( 1 ) 模糊规则的选择模糊语言变量的确定一般，一个语言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，可得到的控制效果就越好。当然，过细的划分会使控制规则变得非常复杂，因此需要视具体情况而定。如误差等的语言变量的语言值一般取为 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大) 。语言值隶属函数的确定语言值的隶属函数又称为语言值的语义规则，它有时以连续函数的形式出现，有时以离散的量化等级形式出现，连续的隶属函数描述比较准确，而离散的量化等级简捷直观。模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立常用经验归纳法和推理合成法。所谓经验归纳法，就是根据人的控制经验和直观推理，经整理、加工和提炼后构成模糊规则的方法，它实质上是从感性认识上升到理性认识的一个飞跃过程。推理合成法是根据已有的输入输出数据对，通过模糊推理合成，求取模糊控制规则。1 4( 2 ) 模糊推理模糊推理的一般形式为一维形式i fxi sat h e nyi sbi fxi sa it h e nyi s ?二维形式i fxi saa n dyi sbt h e nzi sci fxi sa 1a n dyi sb it h e nzi s ?3 5 3 清晰化清晰化的目的是根据模糊推理的结果，求得最能反映控制量的真实分布。目前最常用的方法就是：最大隶属度法、加权平均原则和中位数判决法。3 5 4 模糊控制器论域及比例因子的确定任何系统的信号都是有界。在模糊控制系统中，这个有限界一般称为该变量的基本轮运，是实际系统的变化范围。对两输入单输出的模糊控制系统为例，设定的误差基本论域为 _ 一1e 。；【，le 。| ，误差变化率的基本论域为 一ie e 。l ，ie e 。| ，控制量的变化范围为 u ，1 ，fu 。，。| 。类似地，设误差的模糊论域为e = - - i ，一( 卜一1 ) ，0 ，1 ，2 ，f l误差变化率地论域为e c = 一m ，一( m 一1 ) ，o ，l ，2 ，m 控制量所取地论域为u = - - i i ，一( n 1 ) ，0 ，1 ，2 ，n )若用n 。、a 。、a 。分别表示误差、误差变化率和控制量地比例因子，则有a 。= t je m a xj( 3 5 )a 。= m e c m a x i( 3 6 )q 。= n l u m a x i( 3 7 )一般说来，a 。越大，系统的超调越大，过渡过程就越长；o 。越小，则系统变化越慢，稳态精度降低。a 。越大，则系统输出变化越小，系统变化越慢；若n 。越小，则系统反应越加快，但超调增大。3 5 5 编写模糊控制器的算法程序第一步：设置输入、输出变量及控制量的基本论域，即e e 一ie 。i ，ie m | ，n 。 1e c 。，1e c 。 ，u 一l u 。 ， u 。_ 。预置量化常数d 。、n 。、n 。、采样周期t 。第二步：读取a d 转换数据；第三步：计算e 和o 。，并判断是否已超过上( 下) 限值，若已超过，则将其设定为上( 下) 限值。第四步：按给定的输入比例因子n 。、u 。量化( 模糊化) 并由此查询控制表。第五步：查得控制量得量化值清晰化后，乘上适当的比例因子a 。若u 已经超过上( f )限值，则设置为上( 下) 限值。第六步：启动d a 转换，作为模糊控制器实际模拟量输出。3 5 6 双输入单输出模糊控制器设计一般的模