（控制理论与控制工程专业论文）电液扭转材料试验机计算机控制系统的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 本论文按照与重庆长安公司所签订合同中注明的技术要求，深入研究了扭 转疲劳试验微机控制电液伺服系统。对系统的分析表明：被控对象参数的大范 围变化、多余力、试件扭转变形对负载流量的干扰以及摩擦力矩干扰是影响控 制精度的四个主要因素。本着科学的态度和认真负责的原则，笔者对多种控制 方案进行了详尽地讨论、研究、仿真、比较和验证，并结合工程实际的特殊要 求和相关经验，确定了最合适的一种多传感器信息融合控制方案。根据合 同中的规定，硬件组成方面我方负责双通道电液伺服放大器的设计，具体设计 与实现是通过p r o t e l 9 9 s e 电路板绘制软件来完成的。软件编程在v i s u a lc + + 6 0 编译环境下进行，该软件具有界面友好、操作方便的特点。考虑到工程项目实 时性的要求，编制了相应的动态链接库，对软件结构也进行了优化。 关键词： 电液伺服系统多余力 实时陛 动态链接库 多传感器信息融合 砥北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si st o d e v e l o p ，i m p l e m e n t a n da n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo ft h ef o r c ec o n t r o la l g o r i t h m sa sa p p l i e dt ot h ec o m p u t e r - c o n t r o l l e d d u a l - c h a n n e le l e c t r o - h y d r a u l i cs e l v os y s t e mu s e dt ot o r q u em a t e r i a lo nat e s t p l a t f o r m t h i sw o r k ，w h i c hc o m p r i s e sb o t he x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o ns t u d i e s ，i s b u i l du p o nt h et e c h n i c a lc o n t r a c ts i g n e dw i t hc h o n g q i n gc h a n g a nc o m p a n yl t d 1 1 1 ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h el a r g ev a r i a t i o no ft h eo b j e c tp a r a m e t e r s 。r e d u n d a n t f o r c e ，d e f o r m a t i o no ft h es p e c i m e na n dt h ed i s t u r b a n c ec a u s e db yt h ef r i c t i o n a l m o m e n ta r ef o u rm a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e g r e eo fc o n t r o la c c u r a c y i nas p i r i to f s c i e n t i f i ca t t i t u d ea n ds e r i o u sp r i n c i p l e ，w ed e t e r m i n et h a tt h em u l t i - s e n s o rd a t a f u s i o n c o n t r o lp r o g r a m m ei sm o s ta p p l i c a b l eo fm a n yp o s s i b l ec h o i c e sa f t e r e x h a u s t i v ed i s c u s s i o n , i n v e s t i l ；a t i o n , s i m u l a t i o n , c o m p a r i s o na n d v e r i f i c a t i o n a c c o r d i n gt oc o n t r a c tp r o v i s i o n sa n d r e l e v a n te x p e r t i s e ，i nt h ew o r ko f h a r d w a r ew e a r er e s p o n s i b l ef o rt h ed e s i g n i n go ft h e d u a l c h a n n e ls e r v oa m p l i f i e rw h i c hi s r e a l i z e dt h r o u g hp r o t e l 9 9 s e as o f t w a r ea p p l i e dt od r a w i n gp r i n t e dc i r c u i tb o a r d t h ep r o g r a m m i n gw o r ki sa c c o m p l i s h e di nt h ev i s u a lc + + 6 0c o m p i l 啦 e n v i r o n m e n t n l es o f t w a r eh a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n ds i m p l i f i e do p e r a t i o n i nv i e wo f t h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i cr e q u i r e db yt h ep r o j e c t ，s o m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s ， s u c ha sd y n a m i cl i n kl i b r a r y , i si na c t i o na n dt h es t r u c t u r eo ft h es o f t w a r ei sa l s o o p t i m i z e df o rt h es a m e r e a s o n k e yw o r d s ： e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m r e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c m u l t i s e n s o rd a t af u s i o n 3 r e d u n d a n tf o r c e d y n a m i cl i n kl i b r a r y 西北工业大学硕士学位论文 i i 论文背影 第一章绪论 扭转材料试验机是材料科学试验和研究的关键设备之一，被广泛应用于汽 车、航空、航天等工业部门。电液伺服系统具有高精度、快响应、高功率重量 比的特点，所以目前国内外的高性能扭转材料试验机大多采用电液伺服控制方 式。 微电子技术和计算机技术的发展推动了计算机的广泛应用。七十年代末八 十年代初，国外就已经出现了计算机测控的材料试验机，并形成产品系列，如 英国i n s t r o n 公司的i n s t r o n 8 0 0 0 系列，美国g r s 公司的a l p h a 系列，日本岛 津公司的a g a 系列等。从而实现了材料试验的自动化、智能化，大大减轻了试 验人员的劳动强度，提高了试验效率，扩充了试验范围，并使试验精度大幅度 提高。 我国对扭转材料试验机的计算机测控系统的研究起步较晚，八十年代中期 长春试验机研究所、浙江大学流体传动与控制教研室等单位才开始这方面的研 究。当时其重点主要着眼于对国外产品的分析和消化，真正形成产品( 技术成 熟的计算机控制系统) 的报道还不多。目前随着我国经济形势的蓬勃发展，工 业( 尤其是重工业) 部门对该产品的需求日益增大，而国外产品的价格一直居 高不下，对我国的技术封锁也比较严重，因此尽快开展这方面的研究并快速形 成产品显得十分迫切。 本研究课题结合重庆长安公司的产品开发计划，着重对扭转疲劳试验机计 算机控制系统进行研究。 扭转材料试验机的试验对象经常变化，从而使整个系统的参数经常变化， 且其变化范围很大。就本研究课题而言，其试验对象是一系列不同型号的汽车 底轴，材质、应力都有所不同。所以对这种系统的控制有一定的难度；由于系 统负载基本上是一个弹簧质量谐振系统，而液压系统本身可视为一个欠阻尼系 统，再加上千摩擦的影响也比较严重，所以此类系统的稳定性比较差。由于本 6 西北工业大学硕士学位论文 课题要求的性能指标比较高，特别是对频宽和扭矩跟踪精度的要求，所以应该 慎重制定控制方案。 1 2 研究内容及意义 本论文共分以下几个部分： 第一章为绪论，主要介绍扭转材料试验机的发展与应用，简单介绍了本课题 中涉及的试验对象的一些特点 第二章介绍控制系统的构成，明确控制系统的性能指标，以及对控制对象 的技术要求 第三章通过对被控对象在本质认识的基础上建立数学模型，定性地分析了 影响系统性能指标的因素。对系统的分析表明：被控对象参数的大范围变化、 多余力、试件扭转变形对负载流量的干扰以及摩擦力矩干扰是影响控制精度的 四个主要因素。本章还着重讨论了多余力的问题，对于被动式加载系统，多余 力实质上是由于能量在施力系统和受力系统( 对于主动式加载系统，则是在旖力 机构和加载对象) 之间的耦合造成的适当降低施力系统和受力系统( 施力机构 和受力对象) 的机械连接刚度，给能量传递介质适当的泄放通路，引入速度前溃 等方法是减少乃至消除多余力的有效方法 第四章是本文的核心：几种控制方案的论证以及控制律的确定通过对可 能的控制策略的定性分析与比较确定了不同策略的优缺点本文除了介绍几种 传统的控制方法以外，主要是根据实验对象的特点着重介绍了多传感器信患融 合控制方案，该方案具有很强的实时性，很高的精度，能够满足伺服控制系统 的控制要求，能有效的控制克服被控对象参数大范围变化的影响，抑制摩擦力 矩，并能减小多余力 第五章介绍了计算机控制系统的测控软件的编制，重点对第四章提出的控 制方案的具体实现和一些实际问题的现场解决方案，确定了测控软件的流程和 结构 现今在市场上可以见到某些已经成功国产化的扭转材料试验机，并初步形 西北工业大学硕士学位论文 成了产品的系列化。这些产品的技术功能相对来说比较成熟，基本上可以满足 一般工业企业的生产需求。而对于重工业或技术性、研发性较高的企业或部门 来说，在市面上所能见到的扭转材料试验机中，无论是从产品功能，还是从功 率特性上都很少有达到需求与供给的理想平衡点的，这在一定程度上制约了这 些企业的产品改造、新品研发，限制了企业创新能力的发展。而在当今社会， 企业失去创新能力也就意味着失去了同竞争对手争夺市场的主动权，对企业的 持续发展自然是十分不利的。本论文就是在这种背影下完成，希望能够对我国的 试验机的发展起到一点积极的作用 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统的构成与技术要求 2 1 系统构成 本系统采用伺服阀控制摆动式液压伺服马达，而且马达轴直接和试件用联 轴节相联的传动方案相对于传统的齿轮箱传动，这样做的优点是大大减少了折 合到伺服马达轴上的转动惯量，从而有利于提高系统频宽和传动效率系统的具 体构成如图2 1 所示： 圈2 - i 系统的构成图 系统的机械和液压部分为电液伺服控制系统，通过电液伺服阀控制摆动式 液压伺服马达，力矩马达作为电液转换装置，将电信号转换为转子的角位移， 再以喷嘴挡板作前置放大，把角位移转换为较弱的液压控制油流，最后再利用 液压功率放大级转换较大的液压功率输出油流。 电液伺服系统的基本元件有：输入元件、反馈测量元件、比较元件、放大 和能量转化元件、执行元件以及控制对象。系统的核心是电液伺服阀，它的性 能直接影响甚至决定整个系统的性能，功用十分重大，所以特别对其进行说明： 电液伺服阀通过改变输入信号( 电气信号) 来对输出液流的参数( 流量和压力) 进 行连续、成比例的控制。它既是电液转换元件，又是功率放大元件。电液伺服 9 西北工业大学硕士学位论文 阀包括电力转换器、力位移转换器、前置放大器和功率放大器四部分 1 ) 电力转换器包括力矩马达或力马达，可把电气信号转换为力信号： 2 ) 力位移转换器包括扭簧、弹簧( 管) ，可把力信号变为位移信号输出： 3 ) 前置放大器可分为滑阀式、喷嘴挡板式( 双喷嘴或单喷嘴) 和射流管式三 种； 4 ) 功率放大器( 滑阀放大器) ，由放大器输出的液体具有一定的压力，驱动 执行元件进行工作。 电液何服阀典型结构示意见图2 2 。 1 力矩马达；2 射流管3 反馈弹簧4 滑阀阀芯 图2 2 射流管式电流伺服阀 电液伺服阀的特性： i 静态特性 1 ) 负载流量特性( 压力一流量特性)伺服阀的负载流量曲线表示稳定 下，输人电流f 、负载流量q 和负载压降p 三者之间的函数关系。电液伺服阀 的额定压力p ，是指保证按规定的性能正常工作的最大供油压力。伺服阀可以 在额定压力以下工作，但供油压力过低，会破坏其正常工作性能可利用压力一 流量特性曲线来确定阀的负载压力、负载流量和消耗功率间的关系，从而为伺 服阀和伺服系统选定最佳工作点，确定伺服阀的型号和估计伺服阙的规格，使 之与所要求的负载流量和负载压力相配。 西北工业大学硕士学位论文 2 ) 空载流量特性空载流量特性( 简称流量曲线) 是空载输出流量与输入 电流成回环状的函数关系。由该曲线可得出下列性能参数：额定空载流量、额 定电流、流量增益、线性度和滞环。 3 ) 零区特性 零区特性有重叠、零位偏移( 零偏) 、零位漂移( 零漂) 等特 性。零漂是由于供油压力变化和工作油温变化而引起的零位变化，一般用使其 恢复零位所需加的电流值与额定电流值之比来衡量。在开环系统中，伺服阀的 零漂使负载偏移并离开它的指定位景。由于存在零漂，在没有闭环时很少用伺 服阀来控制负载的位置。零偏是由于制造、调整、装配的差别，控制线圈中不 加电流时，滑阀不一定位于中位，以使阀恢复零位所需加的电流值与额定电流 值之比来衡量。如果伺服阀有零偏，则在控制器回零后液压缸会沿某个方向移 动。 4 ) 压力增益特性压力特性曲线是输出流量为零( 将两个负载口堵死) 时， 输入载压力对输入电流得的变化率就是压力增益。提高零位压力增益，对减小 不灵敏区、提高精度有作用，但对稳定性起相反作用。伺服阀的压力增益越高， 伺服系统的刚度越大，克服负载能力越强，系统误差越小。压力增益低，表明 零位泄漏量大，阀芯和阀套配合不好，从而使伺服系统的响应变得缓慢而迟钝。 5 ) 内泄漏特性额定压力下，负载流量为零时，从进口到回油口得内部泄 漏流量随输入电流的变化曲线称为内泄漏特性。对于新阀，可用泄漏曲线评价 阀的制造质量：而对于旧阀，则可用来判断阀的磨损程度。 2 动态特性 1 ) 频率响应电液伺服阀的频率响应是，输入电流在某一频率范围内作 等幅变频正弦变化时空载流量与输入电流的复数比。频率响应用幅值比( d b ) 和 相位滞后即相位差( 。) 与频率的关系表示。 2 ) 频宽( 幅频宽和相频宽)伺服阀通常以幅值比为一3 d b 时的频率区间作 为幅频宽，以相位滞后9 0 。的频率区间为相频宽。频宽是伺服阀动态响应速度 的度量。根据系统执行元件的频率选择伺服阀的频宽，伺服阀的频宽应高于系 统执行元件一负载环节的频宽。频宽过低会限制系统的响应，过高会使高频干 扰传到负载上去，一般伺服阀的频宽在2 0 2 0 0 ( h z - - 3 d b ) 】 西北工业大学硕士学位论文 3 动力学模型 本文以液压压力机精确控制压印深度的电液伺服系统为研究对象，采用阀 控非对称液压缸，其物理模型如图所示。 伺服阀的流量方程为 q h = k 。x k 。p l k 卸q 脚牿( b + 蚴 k = 一蒜1 + 打 图2 - 3 电液伺服系统物理模型 取活塞向上运动( y o ) 为负；活塞向下运动( y o ( 2 3 ) “【c 2 a 8v l o a d i c o n ( i d rm a i n f r a m e ) ： 将i d r 姒i n f r a m e 改为i d c s y s i c o n 后，重新编译执行，系统图标 将变为用户自定义图标，此处作者选择“昏”。 西北工业大学硕士学位论文 ( 5 )系统外观设计 功能：使系统具有美观的界面，突出本设计的特色。 实现方法： 1 ) 改变对话框背景色和文本颜色。在类视图中双击垦丛曼! 璺曼! ! 韭p 0 ，找 到i n i t i n s t a n c e ( ) 类，添加阴影部分代码： b o o lc m s f c s y s a p p ：i n i t l n s t a n e e 0 c m s f c s y s d l gd l g ： m - p m a i n w n d = & d i g ： s e t d i a o g b k c o l o r ( r g b ( 1 2 8 ，1 2 8 ，0 ) ，r g b ( 1 2 7 ，2 5 5 ，2 1 2 ) ) ： 设冠对话框背景色和文本颜色 2 ) 设置示波窗口背景。本设计以4 个框架控件作为数据采集显示和控制波 形输出的窗口，只需分别设置4 个框架控件背景即可。编写雠s f c s y s 系统的成员 函数v o i dc m s f c s y s d i g ：d r a w c t r l 0 实现示波窗口背景设置。框架一背景设置 关键代码如下： c w n d4 p w n d l = g e t d l g i t e m ( i d c f r a m e s 1 ) ：获取框架控件1 指针 c d c * p d c l = p w n d l 一 g e t d c0 ：获取当前设备环境指针 p d c l 一 s e t b k c o l o r ( r g b ( 4 7 ，7 9 ，7 9 ) ) ： c b r u s hb k b r u s h l ( h s r o s s ，r g b ( 0 ，1 8 0 ，1 0 0 ) ) ：定义画刷变量 p w n d l 一 g e t c l i e n t r e c t ( r c c l i e n t l ) ： p d c l 一 f i l l r e c t ( r c c l i e n t l ，& b k b r u s h l ) ： 其余类似，详见程序清单。 设置好的m s f c s y s 系统主界面如图5 2 6 所示 西北工业大学硕士学位论文 m 5 - 2 - 6 设置好的m s f c s y s 系统主界面 ( 6 ) 其他设计：系统时间显示模块 功能：显示系统时间。 实现方法：通过调用函数g e t c u r r e n t t i m e0 获取系统时间，设置时钟周期 为l s ，每个时钟周期改写编辑框控件i d c e d i t t i m e 上显示的时间。实现代码如 下： c t i m et i m e ： ti m e = c t i m e ：g e t c u r r e n t t i m e ( ) ： c s t r i n gs t r = t i m e f o r m a t ( ”h ：m ：s ”) ：将时间写入字符串。 s e t d l g l t e m t e x t ( i d c _ e d l l - t i m e ，s t r ) ；以新的时间改写。 实现的效果见下图( 图8 6 ) ： 图5 2 - 7 时间显示效果图 2 控制信号发生模块设计 70 西北工业大学硕士学位论文 该模块是系统实现的核心环节，也是m s f c s y s 系统开发成败的关键。结合实 际需要，拟定设计”方波”，”三角波”，”正弦波”，”阶跃”，”脉冲波”五种波形发 生模式，下面对分别对各波形的实现方法进行阐述。 ( 1 ) 方波 功能：产生方波信号，并可调节其频率，幅值。 实现方法：以时间为x 坐标，用户设定的幅值为y 坐标，按照方波的发生规 律，x 轴对应的时间进行等长增加时，y 轴对应的幅值以两个恒定值持续显示一 段时间后交替变化，实现代码如下： v o idc m s f c s y s d i g ：o n t i m e r ( u i n tn l d e v e n t ) n c o u n t 3 + + ；时钟周期数( 用以确定幅值变化方向) i f ( x 3 = 9 1 1 ) 在显示区域内 x 3 = x 3 + o u t o f f s e t x ：确定当前点x 坐标值 d c m o v e t o ( x 3 一o u t o f f s e t x ，y 3 ) ：移动到起始点 d c l i n e t o ( x 3 ，y 3 ) ；绘制到当前点 i f ( n c o u n t 3 2 ) 确定幅值变化方向 y 3 = 4 3 5 + a 3 ：幅值增加 e l s e y 3 = 4 3 5 - a 3 ：幅值减小 j d c l i n e t o ( x 3 ，y 3 ) ：以新幅值进行绘制 ) e l s e n 在显示区域内，进行其他操作 7 】 西北工业大学硕士学位论文 f ) ) 下面是控制信号类型设置为方波时的波形图( 图5 2 8 ) ： 图5 - 2 8 方波波形图 ( 2 ) 三角波 功能：产生三角波信号，并可调节其频率，幅值。 实现方法：以时间为x 坐标，用户设定的幅值为y 坐标，按照三角波的发生 规律，x 坐标等长增加时，y 坐标对应的值从原点出发，以一定斜率到达波峰( 波 谷