（电路与系统专业论文）桩与复合地基静载荷多点自动检测系统.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果- 除文中已经注明弓i 用的内容楚本论立刁k 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：舅选日论文作者签名：企奎：鱼 日期：丝! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燃导师签名：篡盟日期：塑兰二! 五： 山东大学硕士学位论文 摘要 在当前的建筑工程中，桩基与复合地基等基础应用非常广泛，相应地，其检 测业务也越来越多，对检测手段和技术的要求也越来越高目前检测地基基础承 载力所使用的最重要的检测方法之一是静载荷检测为了改善静荷载检测的检测 手段和质量，提高检测精度和工作效率，同时又能确保检测人员的人身安全，本 人把计算机自动控制技术引入到静载检测之中，研制设计了一套完整的多点自动 采集与控制系统，可以适应各种桩基础与复合地基基础的静载荷自动检测 本文详细论述了桩基与复合地基静载荷检测的特点、各种检测规范的要求以 及静载荷多点自动检测系统的控制算法，硬件和软件设计、调试及现场应用等内 容，并通过将本检测系统与当前国内其它桩基静载荷检测系统相比较，指出了本 系统性价比高、多点在线检测、适用范围广等等特点 本文重点对本自动检测系统的软硬件设计进行了深入的研究，并结合实际工 程应用，与传统的人工检测手段进行了比较。从时间和经济效益以及安全性等角 度论证了该自动检测系统的优越性 本文还对该系统的进一步完善和后续研究进行了简单介绍 关键词：桩基复合地基静载荷自动检测与控制便携式工业控制计算机 山东大学硕士学位论文 a b s l r a c t t h ep i l e sa n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n sa e a p p l i e dt om a n yc u r r e n t l y b u i l d i n g sw i d e l y , a c c o r d i n g l y , t h e r ea r em o r ea n dm o r et e s t i n g sa b o u tt h e p i l e sa n dc o n m p o s i t ef o u n d a t i o n s ，a n dt h e s et e s t i n g sn e e db e t t e ra n db e t t e r i n s t r m n e n t sa n dt e c h n i q u e s n o wt h ep i l ea n db a s es t a t i cl o a d i n gt e s ti s o n eo ft h em o s tm e t h o dt od e c i d et h el o a d i n g - b e a r i n gc a p a c i t y i no r d e rt o i m p r o v et h ei n s t r u m e n t sa n dq u a n l i t yo ft h et e s t i n g ，a n di m p r o v et h e t e s t i n g sp r e c i s i o na n dw o r ke f f i c i e n c y , a n de n s u r et h et r i e r sf r o md a n g e r , t h ec o m p u t e ra u t o m a t i ct e s t i n gi su s e di nt h es t a t i cl o a d i n gt e s t a n i n t e g r a t e dm u l t i d o ta u t o m a t i cs a m p l i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e d , i tc a l lf u l f i lt h es t a t i cl o a d i n gt e s tf o ra l lk i n d so fp i l e sa n dc o m p o s i t e f o u n d a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nt r e a t i s e dt h et r a i to ft h et e s to fp i l e sa n dc o m p o s i t e f o u n d a t i o n s ，t h ed e m a n d si nc r e t c r i o n sa n dt h ec o n t r o l l i n gp r i n c i p l e ，t h e d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，d e b u g g i n g ，a p p l i c a t i o n f o rt h es y s t e m d e t a i l e d l y , a n dt h i ss y s t e mi sc o m p a r e dw i t hn o w a d a yo t h e rp i l es t a t i c l o a d i n gt e s ti no u rc o u n t r y , i t ss t r o n g p o i n ti sp o i n t e do u t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s u c ha si t sa b i l i t y , o n - l i n et e s t d i n ga n daw i d ea p p l i c a t i o nr a n g e t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e d d e e p l yt h ed e s i g no f t h i s s y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 。t h i ss y s t e mi sc o m p a r e dw i mt r a d i t i o n a lm a n u a l t e s tm e t h o d si np r a c t i c a lp r o j e c t , a n di t sa d v a n t a g ei sd e m o n s t r a t e di nt i m e a n d e c o n o m y b e n e f i ta n ds e c u r i t y t h i sd i s s e r t a t i o nm m t i s e db r i e f l yw h i c hw o r k sn e e d st ob ed o n el a t e r k e y w o r d s ：p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n s s t a t i cl o a d i n ga u t o m a t i c t e s ta n dc o n t r o l l i n gp o r t a b l ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r 3 山东大学硕士学位论文 符号说明 q 抗压荷载( k n ) s 位移( 珊) 也单桩竖向抗压极限承载力( k n ) u 上拔荷载( i ( n ) 6 - 桩顶上拔量( r a m ) i g t 时间对数 l g q 荷载对数 u ( t ) p i d 调节的控制量 e ( t ) p i d 调节的偏差 t 。积分时问常数 “微分时间常数 6 一比例带 l 【p 比例增益 t 采样周期 b 积分分离阀值 d 。被采样信号的上限角频率 k i 积分系数 k 微分系数 k t 被控对象的放大系数 t t ”被控对象的时间常数 t 纯滞后时间 v 。饱和压降 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 一、引言 随着社会的进步和经济的发展，我国基础建设的步伐大大加快，住宅小区、 办公楼及各种高层建筑林立而起，在当前的建筑工程中，桩基与复合地基等基础 应用非常广泛为了保证工程质量，对这些基础进行一定的检测尤为重要静载 荷检测作为国家现行规范中规定的检测方式之一，具有检测结果直观准确，可靠 性强等优点，建筑桩基技术规范 ( j g j9 4 - 9 4 ) 中规定：对初步设计的静载荷检 测可为设计提供依据，对工程的检测可确定是否满足设计要求因此，静载荷检 测的应用非常广泛，在保证工程质量方面也显得相当重要但由于当前使用的检 测仪器、设备大多为人工手动操作，检测手段相对落后，工作效率低人为因素 对测试结果有较大影响，容易造成失误由于检测人员手动加载，加载过程中( 特 别是在堆载方式下) 有可能发生意外，难以保证人身安全因此，如何改善静载 检测的检测手段和质量，提高工作效率，同时又能确保检测人员的人身安全，成 为我们工程检测人员需要迫切解决的新的技术课题 根据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 、建筑地基基础设计规范( g b j 7 8 9 ) 及建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 - 9 1 ) 等多种标准规范的要求，对桩基、复合 地基，地基土等各种基础都应做静载荷检测，以确定其承载力，为设计和施工验 收提供可靠依据因此，静载荷检测是各种建筑基础工程所必需的检测方法之一 本论文利用当前先进的自动控制和计算机技术，实现了计算机控制下的多点自动 加荷、自动采集、自动处理，保证了检测的数据质量，保证了检测人员的人身安 全，也改进了检测仪器与设备，提高了检测工作的效率和水平使静载检测更有 效，更可靠，从而使静载检测业务更深入更广泛地开展下去 二、现状与发展 桩基和地基基础检测的方法有很多种，特别是目前应用较多的桩基础，在其 承载力方面可以用静载荷检测方法检测，也可以用动载荷方法检测静载荷方法 是一种传统的检测方法，其优点是检测结果直观、比较准确可靠但其缺点也很 ， 山东大学硕士学位论文 明显，就是检测时闯较长，检测成本较高，而且具有一定的危险性因此，如何 改进静载荷检测，在保证检测结果准确可靠的前提下加快检测进程，节约检测时 间和费用，保证检测人员人身安全，成为国内外有关单位和人员研究的一个方向 目前国内外有一些单位在从事这项研究并研制了一些产品，这些产品都采用了 自动化检测技术。其质量和性能基本上能够满足静载检测的要求。但价格都比较 高，而且它们有一个共同的缺点，就是一台主机只能每次控制一个检测点，只有 当这个检测点检测结束后，才能进行下一个点的检测而规范要求在一个工程中 傲静载荷检测不能少于三根桩或三个检测点，多的可能有二十多个点，目前市场 上的这些检测仪器不能够同时进行多点检测，也就不能加快检测进程，节约检测 时间在桩基和地基的静载荷检测当中采用计算机技术和自动化技术，改善检测 手段，提高检测的效率和水平，应当是今后的发展趋势随着社会的发展、工程 建设规模的增加，我们的工程基础检测任务也会大大增加，对检测技术的要求也 会越来越高，鉴于上述情况，本人提出了。桩与复合地基静载荷多点自动检测系 统”的研究开发，这套系统的研制，适应了当前的建筑工程中桩基、地基静载荷 检测的需求，具有良好的应用前景 图1 1 ，桩基的静载荷检溅现场 三、本文的研究方法 针对静载荷检测的特点和要求，考虑到目前静载荷检测的状况t 结合我们长 山东大学硬士学位论文 期进行静载荷检测的实践经验，本论文利用计算机采集和控制技术，设计研制了 桩基与复合地基静载荷多点自动检测系统利用该系统，我们可以实现静载荷检 测的自动化。从根本上改变了传统的测试环境，提高了检测结果的准确性和可靠 性，并保障了检测人员的人身安全同时针对静载荷检测的特点，设计出多点同 时检测的方案。即可同时进行三棵桩或三个点复合地基的检测，而且在检测过程 中当某一检测点完成时，可在不影响其它正在进行的检测点的情况下，更换另一 检测点进行检测，从而实现了多点循环检测，加快了检测速度，提高了检测效率 四、基本工作简介 一 桩基和复合地基的静载荷检测环境较为复杂和恶劣，检溯时间长要求精度 高，流动性大，检测人员的工作强度高，为了克服传统静载荷检测的种种缺点， 提高检测的效率和质量，本文设计研制了一种价格便宜，功能齐全，且能同时检 测多点，无须停机就能循环检测的在线检测仪器这套系统的研制过程基本包括 总体设计、硬件选择设计和软件编制调试等阶段首先我们设计了该系统的总体 研究方案，这套系统包括主机、数据采集和控制模板、传感器三大部分，利用位 移和压力传感器采集数据，利用a d 转换模板将数据转换为电信号传输到微机， 利用微机进行数据处理和分析，实现p i d 自动调节，通过控制模板来控制千斤顶 加载、补载其次，在系统硬件的选择和设计方面，针对静载检测的特点，本着 性能可靠稳定，价格适中的原则。尽可能选择满足检测要求，又便于现场安装， 价格较低的部件主机选用结构牢固性能可靠的便携式工业控制计算机。数据采 集和控制部分采用高精度、高分辨率、1 2 位3 2 通道光隔a d 接口卡、1 2 位4 通 道光隔d a 接口卡、变频调速器、光隔离数字量输出卡和继电器板，可同时配接3 个压力传感器，2 9 个位移传感器，同时控制三组千斤顶的加载、扑载，并使之具 有手动自动转换等功能传感器方面，选用一种新型的高精度导电塑料直滑式位 移传感器，满足价格低，精度高，抗干扰能力强等要求，压力传感器选用不锈钢 全封闭传感器，可靠性强，静动态特性好，价格也较便宜第三，在软件的设计 编制工作中。本着直观、简洁、易学好用的原则，本文利用、，b 语言，编制了基于 w i n d o w s 操作系统的全中文操作平台，能够及时跟踪提示，自动计算，自动处理数 7 山东大学硕士学位论文 据，自动绘制曲线。自动生成报告的检测记录表格，并具有位移计调整、数据断 电保护等功能最后，对系统进行调试修改完善其功能。并结合实际工程。进 行应用对比，给出工程应用实倒 i 山东大学硕士学位论文 第二章静载荷检测的方法和特点 桩基和地基的静载荷检测主要用来检测单个桩基或地基的承载力，根据建筑 工程中上部的不同，每种基础的设计承载力大小不一，小的几十吨。大的有几千 吨包括抗压、抗拔、水平等静载荷检溅方法，考虑到我们所设计的检测系统应 能够应用于各种检测过程中，因此，下面将对这些检测的方法和特点一一进行简 要描述。 一、单桩竖向抗压静载荷检测 l 、适用范围：主要用来检测单桩竖向抗压承载力，当埋设有测量桩身应力、 应变、桩底反力的传感器或位移杆时，可测定桩的分层侧阻力和端阻力或桩身截 面的位移量 2 、对设备仪器及安装的某些要求：检测的参数主要包括荷载和位移，荷载 测量可用放置在油压千斤顶上的荷重传感器直接测量：或采用并联于千斤顶油路 的压力表或压力传感器测定油压，根据千斤顶率定曲线换算荷载传感器的测量 误差不应大于1 ，压力表精度应优于或等于0 4 级。对于沉降的测量宜采用位移 传感器或大量程百分表，其测量误差不大于o 1 f s ，分辨力优于或等于o 0 1 r a m 。 对于直径或边宽大子5 0 0 m m 的桩，应在其两个方向对称安装4 个位移测试仪表， 直径或边宽小于或等于5 0 0 m m 的桩可对称安装2 个位移测试仪表 3 、检测过程： 3 1 、加卸载方式：加载应分级进行，采用逐级等量加载；分级荷载宜为最大 加载量或预估极限承载力的1 1 0 ，其中第一级可取分级荷载的2 倍。卸载也应分 级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2 倍，逐级等量卸载加、卸载时应使 荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级 荷载的1 0 3 2 、数据采集方法：对于慢速维持荷载法，数据采集应在每级荷载施加后， 按第5 、1 5 、3 0 、4 5 、分钟来采集桩顶沉降和维持的荷载压力，以后就每隔3 0 9 山东大学硕士学位论文 分钟采集一次如果在某一级荷载作用下，每一小时内的桩顶沉降量不超过 o i m m ，并连续出现两次( 从分级荷载施加后第3 0 分钟开始，按1 5 小时连续三 次每3 0 分钟的沉降值计算) 。则该级的桩顶沉降速率达到相对稳定标准就可以 施加下一级荷载了卸载时，数据采集为每级荷载施加后，按第1 5 、3 0 、6 0 分钟 采集桩顶沉降量，一小时后即可卸下一级荷载在卸载至0 后，应采集桩顶残余 沉降量，按第1 5 、3 0 分钟，以后每隔3 0 分钟采集一次的方法来采集，维持时间 为3 小时。 3 3 、终止加载条件：当出现下列情况之一时，可终止加载 a 、某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5 倍。 b 、某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2 倍，且 经过2 4 小时尚未达到相对稳定标准 c 、已达到设计要求的最大加载量 d 、当工程桩作锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值 e 、当荷载沉降曲线呈患变形时。可加载至桩顶总沉降量6 0 - 8 0 m m ，特殊情 况下，可根据具体要求加载至桩顶累计沉降量超过8 0 m m 。 4 、检测数据： 检测数据主要包括时间、压力和位移，应对数据进行整理，绘制必要的数据 表格和相关的检测曲线，包括检测数据原始记录表、压力一沉降数据汇总表、锚桩 上拔观测数据表、荷载沉降( q - s ) 曲线、沉降时间对数( s i g t ) 曲线、沉降 荷载对数( s 1 9 q ) 曲线，需要时还可绘制一些辅助分析曲线。利用这些表格和曲 线，按照规范规定的方法来确定单桩竖向抗压极限承载力值。 二、单桩竖向抗拔静载荷检测 该种检测方法用于检测单桩的竖向抗拔承载力它对检测仪器设备的要求基 本上同单桩竖向抗压承载力检测一样，数据采集的过程与方法也基本相同，它的 终止加载条件为以下几种情况之一； l 、某级荷载作用下，桩顶上拔量大于前一级上拔荷载作用下上拔量的5 倍 2 、按桩顶上拔量控制，当累计桩顶上拔置超过l o o m m 时 l o 山东大学硕士学位论文 3 、按钢筋抗拉强度控制，桩顶上拔荷载达到钢筋强度标准值的0 9 倍 4 、对于验收抽样检测的工程桩。达到设计要求的最大上拔荷载值 现场检测完毕后同样要对检测数据进行整理，绘制上拔荷载桩顶上拔量( u 6 - ) 关系曲线和桩顶上拔量时间对数( 6 一l g t ) 关系曲线及对应的数据表格 根据这些效据曲线，按照规范规定的方法判定单桩竖向抗拔极限承载力 三、单桩水平静载荷检测 该种检测方法适用于桩顶自由时的单桩水平静载荷试验，用于检测单桩的水 平承载力对检测仪器设备的要求、数据采集的过程和方法基本上同单桩竖向抗 压承载力检测，其终止加载条件为以下几种情况之一： l 、桩身折断 2 、水平位移超过3 0 - - 4 0 m m 3 、水平位移达到设计要求的水平位移允许值 四、复合地基静载荷检测 该检测方法用于确定单桩复合地基和多桩复合地基的承载力，对检测设备仪 器的要求与上述检测方法相同加载方式为平均分8 1 2 级加载，最大加载压力 不应小于设计要求的2 倍，每加一级荷载前后均采集荷载承压板沉降量一次，然 后每半个小时采集一次当一个小时内沉降董小于0 i m m 时，即可加下一级荷载 当出现下列现象之一时可终止加载试验： l 、沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起 2 、承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6 0 o 3 、当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2 倍 卸载时卸载级数为加载级数的l 2 ，等量进行，每卸一级，间隔半小时，采 集回弹量，待卸完全部荷载后问隔三小时采集总回弹量 现场检测完毕后要对检测数据进行整理，检测数据主要包括时间、压力和位 移，需要绘制检测数据原始记录表、压力虢降数据汇总表、压力一沉降( q - s 曲 线、沉降压力对数( s - l g q ) 曲线等利用这些表格和曲线，按照规范规定的方 法来确定复合地基承载力特征值 山东大学硕士学位论文 第三章、系统的设计研究 一、总体方案的设计 l 、简述： 根据上面介绍的各种静载检测方式的方法和特点。我们知道所需要采集的参 数主要是压力和位移利用采集到的压力与位移数据，按照设定的时间要求。经 过数据处理后来控制液压油泵为了保障检测过程准确、安全我们所研制的系 统应该具备各种必要的功能，如能够自动加载、补载，自动计算整理数据、绘制 实时曲线、检测过程中自动手动转换数据断电保护必要时对位移传感器进行 调整等除此之外，系统还应运行稳定，便于携带，安装方便，抗干扰能力强， 适应各种恶劣环境总之，系统应该具有可以同时进行多点检测、价格低、功能 强、使用简单方便等特点在最初的研究过程中，曾经考虑了几个方案，比如选 用单片机进行数据采集和控制，或者用笔记本电脑作为控制主机，还曾考虑用组 态软件来编制数据采集与处理及控制程序，对于数据采集和控制方案，还曾考虑 过同时检测两点，仅利用开关量输出控制电动油泵，实现自动加载和补载等等， 但是上述方案要么不能实现多点同时在线检测的各种功能，要么不能满足运行稳 定，适应恶劣环境的要求，均不符合我们检测的实际需要因此经过综合考虑， 我们设计了和j 用工业控制计算机进行数据采集与处理及自动控制的总体方案，也 就是以便携式工控机为开发平台研制多路采集控制转换器，利用位移和压力传 感器采集数据，针对不同的检澍类型，采甩嚣关量输出和模拟量输出两种控制方 式，利用改进的数字p i d 算法实现p i d 控翻翱用擂语言编制系统的数据采集处 理和控制软件，实现多点智能检测 系统的总体设计框图如图l 所示： 山东大学硕士学位论文 图3 1系统总体框图 2 、桩基检涓( 以抗压检测为例) 测控点的分布及管线结构： 根据规范的要求和建筑工程的需要，一个工程至少需要检测三棵桩或复合地 基，因此本系统设计了可同时在线实时检测三棵试桩，对于每棵试桩，一般有9 - - 1 1 个检铡点，1 个控制点，其中包括试桩上的4 个位移点w 3 s ，每棵试桩对应有4 棵或6 棵锚桩，每棵锚桩有1 个位移点删，每棵试桩桩顶有一组液压千斤顶， 用1 个液压油泵向千斤顶中打入液压油，所以有1 个液压油泵至千斤顶的油管液 压油的压力点p s ，控制点为1 个液压油泵的电机每棵试桩所对应的检测点与控 制点的分布如图下所示； 油泵电机 液压油压力p s 试桩位移1 n s 锚桩位移删 图3 2 每棵试桩对应的测控点分布图 山东大学硕士掌位论文 3 、检测装置和执行机构： 检测装置中，对于位移的检测曾经考虑了很多种位移传感器，比如差动变压 式位移传感器、光栅位移传感器等，这些传感器从精度和线性及分辨率等方面均比 较好，基本能满足检测要求，但价格较高，如果大量使用费用较大，而且在恶劣 环境中( 如阴雨天气，强干扰等) 使用的可靠性难以保证经过综合考虑和多方 考察，我们采用了一种高精度全封闭导电塑料直滑式直线位移传感器，其输入量 程为o 5 0 m m 。输出信号为o + i o v ，能很好地满足检测的需要对于压力的检测， 采用了n s - f 防腐型压力传感器，其量程为o l o 叫p a ，输出信号为o 5 v 执行机构为d 骼型电动油泵。额定压力为4 0 8 0 m p a ，流量0 8 l m i n ，电机 功率为1 5 k w 。油泵通过油泵控制器来控制对于电动油泵的控制，可分两种情 况：一种是简单的对油泵启动控制，另一种是控制油泵电机的转速，它可以根据 控载实际的要求，通过自动改变电机频率，将电机转速调整在0 至最高转速之间， 从而实现对液压油大小流量的自动控制根据实际检测经验，在大吨位桩基静载 荷检测中使用第一种检测方式，在几百吨以下的小型桩基和复合地基静载荷检测 中常用的是后一种方式 4 、控制规律： 在桩基检测的加载、补载过程中，通过电动油泵向液压千斤顶中的输入液压 油，通过压力传感器采集到液压油压力，然后经过主机计算处理后输出控制量 最初，我们仅使用开关量定值控制来控制电动油泵的启动停止，后来在现场调试 过程中发现这种控制方式对于大吨位桩基的静载荷检测比较适用。但对于几百吨 以下的小吨位桩基与复合地基的静载荷检测则不能满足要求，由于每一级的分级 荷载较小，上述控制方式很容易出现加载或补载过大的情况，而规范中要求每级 荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的1 0 ，因此，我们需要确定 新的控制规律通过实际操作和离线分析。我们认为被控对象具有大惯性和纯滞 后特性，而且在不同加载补载和卸载阶段特性参数变化大。因此我们必须根据 这特点来确定控制规律 在检测过程的加载和补载阶段所给定的压力值基本上呈折线形状，为了适应 压力给定值为折线的情况，在恒压段采用增量型p i 控制算法，在加载阶段采用 1 4 山东大学硕士学位论文 p i d 控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点，在控制软件设计中提供 了施密斯( s m i t h ) 预估控制算法 5 、控制系统主机和过程通道模板 对于本系统的主机，我们曾首先考虑了单片机。但是由于采集控制点数较多， 而且在检测过程中还要有数据分析处理、绘制显示曲线、打印、传感器调整等各 种功能，用单片机实现多点自动检测比较困难后来又考虑使用笔记本电脑容 易实现各种功能，但是不太适用于在恶劣的检测环境经过综合比较分析，最终 选用了浪潮公司生产的便携式工业控制计算机，它具有普通笔记本计算机的各种 基本功能，带有p c i 总线扩展槽。可直接插入p c i 总线性输入输出板卡。而且这 种工控机具有牢固、耐高低温、抗震动、防水、防尘、防爆、防电磁辐射等特点， 很适合在野外恶劣环境中使用，能够满足静载荷检测的需要 过程通道模板包括a d 板、d a 板和i 0 板，我们选用北京中泰公司的中泰 p c i - 8 3 1 9 光电隔离模拟输入接口卡，作为系统的模拟量输入通道，选择中泰 p c i - 8 4 0 7 光隔离开关量输出接口卡，并与p s - 0 0 2 继电器接口板直接配套使用， 作为开关量输出通道，选择p c i - 8 3 2 2 高速光隔模拟输出接口卡。作为系统的模 拟量输出通道 6 、控制系统的软件 控制系统的软件主要包括：采样、滤波，标度变换、控制输出、中断、计时、 报表、图形，曲线显示、参数输入及调整、报警、打印等等功能，我们曾经使用 工控机常用的组态软件来开发这些程序，但很快发现利用组态软件不能很好地实 现数据表格显示和曲线绘制等功能，因此我们决定使用、，b 语言来编制软件，、，b 是一种可视化编程语言，可在w i n i ) o w s 操作系统中编制全中文界面的各种软件， 使用方便，操作直观，完全能满足我们的需要 对数字p i d 控制算法的描述 ( 一) 、致字p i d 控制器的设计 根据偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 进行控制，简称为p i d 控制，是 控制系统中应用最为广泛的一种控制规律用计算机实现p i d 控制，不是简单地 1 5 山东大学硕士学位论文 把模拟p i d 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使p i d 控制更加灵活，更能满足使用过程中提出的要求 i ，模拟p i d 调节嚣 在工业控制系统中，常常采用如下图所示的p i d 控制，其控制规律为 “彬= r r e ( o + 毒i p f j ) 出+ r o 孚_ ， ( 1 ) 图3 3 模拟p i d 控制系统 对应的模拟p i d 调节器的传递函数为 d ( s ) = 笔薯= k ，( 1 + 击+ s ) ( 2 ) 其中，届为比例增益，彤与比例带6 成倒数关系，即彤= j ，乃为积分时间常 数，五为微分时间常数。，f 砂为控制量，e f 纱为偏差 比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差， 届的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分 控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积 分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振 荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统 的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 2 、数字p i d 控制器 在计算机控制系统中，p i d 控制规律的实现必须用数值逼近的方法当采样 周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟p i d 离散化变为 差分方程 ( 1 ) 数字p i d 位置型控制算法 为了便于计算机实现，必须把式( 1 ) 交换成差分方程，为此可作如下近似 山东大学硕士学位论文 f p ( t ) d t 粪死( f ) 掣。掣 式中，为采样周期，七为采样序号 由式( 1 ) 、( 2 ) 、( 4 ) 可得数字p i d 位置型控制算式为 ( 3 ) ( 4 ) 啡) = 昂湫崤t 髻k ( f ) + 殇丛与盟】(5)i i - 0 、u 7 式( 5 ) 表示的控制算法提供了执行机构的位置u ( k ) ，所以被称为数字p i d 位 置型控制算式 ( 2 ) 数字p i d 增量型控制算法 庙式( 5 ) 可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e 亿) ， 不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序。为此可对式( 5 ) 进行改进 根据式( 5 ) 不难写出u ( k - - i ) 的表达式，即 ”( k - d k p e ( k d + 彳t k “i 1 ) + t de ( k - d _ ；：e ( k - 2 ) ( k - i ) = k p e ( k ” 一d + “i 1 ) + j ij - o ( 6 ) 将式( 5 ) 和式( 6 ) 相减，即得数字p i d 增量型控制算式为 a u ( k ) = u ( k ) - u ( k - 1 ) = k r 【e ( t ) 一e ( 七一1 ) 】+ 蜀e ( t ) + k d 【p ( 女) 一2 e ( k 1 ) + e ( 七一2 ) 1 其中，k ，；称为比例增益； 0 蜀= 巧号称为积分系数： x 。= 足，争称为微分系数 为了编程方便，可将式( 7 ) 整理成如下形式 血 ) = q e e ( k ) + q i e ( k - d + q 2 e 一2 ) ( 8 ) ( 7 ) 1 7 肌铲础专争1 嚣争 图3 4 数字p i d 位置型控制示意图 如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于 上次控制量的增加，此时控制器应采用数字p i d 增量型控制算法如下图所示 图3 5 数字p i d 增量型控制示意图 增量型算法和位置型算法相比，具有以下优点： “ ( 1 ) 增量型算法不需要傲累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样 值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小而位置型算法要 用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差 ( 2 ) 增量型算法得出的是控制量的增量，倒如阀门控制中，只输出阀门开 度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会 严重影响系统的工作而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大 ( 3 ) 采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换 ” 4 、数字p i d 控制算法流程 一 下图( 图3 6 ) 给出了数字p i d 增量型控制算法的流程图。利用增量型控制 算法。也可得出位置型控制算法，即 。 “( 七) = 甜( 七一1 ) + 球( 幻= u ( k - i ) + q o p ( 置) + 吼e ( k - 1 ) + q 2 e ( k 一2 ) ( 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 式( 9 ) 便是位置型控制算式的递推算法，其程序流程和增量型控制算法类 似，稍加修改即可 图3 6 数字p i d 增量型控制算法流程 ( 二) 数字p i d 控制器的改进 如果单纯地用数字p i d 控制器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果因 此必须发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势，才能在控制 性能上超过模拟调节器 1 、积分项的改进 ， 在p i d 控制中，积分的作用是消除残差，为了提高控制性能，对积分项可采 取以下四条改进措施 ( 1 ) 积分分离 在一般的p i d 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有 较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下。往往会产生较大的 超调和长时间的波动特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严 重为此，可采用积分分离措施，即偏差e 例较大时，取消积分作用；当偏差p f ? 妙 山东大学颈士学位论文 较小时才将积分作用投入亦即 当l e 倒l ，时，采用p d 控制； 当lp 缈l ，时。采用p i d 控制 积分分离阀值，应根据具体对象及控制要求确定若，值过大，则达不到积分分 离的目的；若，值过小，则一旦被控量，f 无法跳出各积分分离区，只进行p d 控制，将会出现残差为了实现积分分离，编写程序时必须从数字p i d 差分方程 式中分离出积分项，进行特殊处理 ( 2 ) 抗积分饱和 因长时间出现偏差或偏差较大，计算出的控制量有可能溢出，或小于零。所 谓溢出就是计算机运算得出的控制量，俐超出d a 转换器所能表示的数值范围。 如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算p i d 差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就 是积分饱和当出现积分饱和时。势必使超调量增加，控制品质变坏作为防止 积分饱和的办法之一，可对计算出的控制量u 例限幅，同时，把积分作用切除掉 ( 3 ) 梯形积分 在p i d 控制器中。积分项的作用是消除残差为了消除残差，应提高积分项 的运算精度为此，可将矩形积分改为梯形积分，其计算公式为 伽= 瑚e ( i ) + 2 e ( i - 1 ) 丁 ( 1 1 ) ( 4 ) 消除积分不灵敏区 由式( 7 ) 知。数字p i d 的增量型控制算式中的积分项输出为 a u l ( k ) = k l e ( k ) = k p t e ( k ) ( 1 2 ) 由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的数的精度，计算机就作 为。o 一将此数丢掉从式( 1 2 ) 可知，当计算机的运行字长较短，采样周期t 也短，而积分时问乃又较长时，4 o 俐容易出现小于字长的精度而丢数，此积分 作用消失，这就是积分不灵敏区 为了消除积分不灵敏区，通常采用以下措施： 增加a d 转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度 山东大学硕士学位论文 当积分项4 嘶阮) 连续n 次出现小于输出精度，的情况时，不要把它们作为 。零”舍掉，而是把它们一次次累加起来，即 毋= 血朋 ( 1 3 ) 问 直到累加值s 大于r 时，才输出品。同时把累加单元清零，其程序流程凰如下图 所示 图3 7 消除积分不灵敏区程序流程 2 、徽分项的改进 ( 1 ) 不完全微分p i d 控制算法 标准的p i d 控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏， 容易引起控制过程振荡，降低调节品质尤其是计算机对每个控制回路输出时间 是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时问内执 行器达不到应有的相应开度，会使输出失真为了克服这一缺点，同时又要使微 分作用有效，可以在p i d 控制输出串联一阶惯性环节，这就组成了不完全微分p i d 控制器，如下图所示 山东大学硕士学位论文 因为 图3 8 不完全微分p i d 控制器 一阶惯性环节历，妙的传递函数为 d ，。喃 ( 1 4 ) 川= 髟m f ) + 毒伽胁t d 掣】( f ) 2 髟) + 万船( f ) 西+ = 茅】 弓毫 啡两，( f ) 所以 。 弓掣+ =髟敞，)+砉肪(，)dru(o+ 警j ( 1 5 )弓亍+ 5 髟) + 百肛( ，+ = 茅j ( 1 5 ) 对上式进行离散化。可得不完全微分p i d 位置型控制算式 材( 七) ；倒( 七一1 ) + ( 1 - a ) u ( 七) ( 1 6 ) ，、i ，r ，r 喜。，n 甲亭( 鼻卜f ( 七1 ) 1 式中 “( 硒唁2 ( 7 娲坠亨2 】 。l r ，+ r 与标准p i d 控制算式一样，不完全微分p i d 控制器也有增量型控制算式，即 “( 七) = a r u ( k 1 ) + o 一口) 封( 七) ( 1 7 ) 式中厶( = 盖j e ( k ) - e ( k 1 ) 】+ 蜀# ( j ) + k d 【酗) 一2 p ( 量一1 ) + e ( 七一2 ) x f ；kp ； ， k o = 巧孕 称为积分系数： 称为微分系数。 仨= ) 、数字p 功控错器的参致整定 1 、采样周期的选择 ( 1 ) 、首先要考虑的因素 香农采样定理给出了采样周期的上限根据采样定理，采样周期应满足 山东大学硕士学位论文 r ! i n 、 其中。为被采样信号的上限角频率采样周期的下限为计算机执行控制程序和 输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在乙与l ，之间选择采样周期， 既不能太大也不能太小，r 太小时，一方面增加了计算机的负担，不利于发挥计 算机的功能；另一方面。两次采样问的偏差变化太小，数字控制器的输出值变化 不大因此，采样周期，应在乙和。之问即 乙蔗乙 若选择采样周期在，和z 之间，则系统可以稳定工作，但控制质量较差，因为 这时不满足采样定理，丢失了部分信息若采样周期选择在7 k 和，之间，满足 采样定理，可以得到较好的控制质量 ( 2 ) 其次要考虑以下各方面的因素 给定值的变化频率：加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应 越高这样给定值的改变可以迅速得到反映 被控对象的特性：若被控对象是慢速的，采样周期一般取得较大；若被控 对象是较快速的系统时，采样周期应取得较小 执行机构的类型：执行机构动作惯性大。采样周期也应大一些，否则执行 机构来不及反映数字控制器输出值的变化 控制算法的类型：当采用p i d 算式时。积分作用和微分作用与采样周期， 的选择有关选择采样周期，太小，将使微分作用不明显因为当，小到一定程 度后，由于受计算精度的限制，偏差e c k ；始终为零。 2 、按简易工程法整定p i d 参数 简易工程法是一种简单易行的p i d 参数整定方法，它的最大优点在于，整定 参数时不必依赖于被控对象的数学模型而一般情况下，准确的数学模型是很难 得到的，简易工程法简单易行，适于现场应用 ( 1 ) 扩充临界比例度法 扩充临界比例度法是对模拟调节器中使用的临界比饲度法的扩充用来整定 数字控制器参数的步骤是： 选择一个足够短的采样周期，具体说就是选择采样周期为被控对象纯滞后 丝 山东大学硕士学位论文 时间的十分之一以下 用选定的采样周期使系统工作这时，数字控制器去掉积分作用和微分作 用只保留比例作用然后逐渐减小比例度艿，( f - 古) 直到系统发生等幅振 荡记下发生振荡的临界比例度瓯及系统的临界振荡周期瓦， 选择控制度所谓控制度就是以模拟调节器为准，将直接数字控制器( 简 称d d c ) 与模拟调节器的控制效果相比较控制效果的评价函数通常用误差平方 积分f 一( ，柚表示 控精觥 根据选定的控制度查下表，求得凡取乐磊的值 ( 2 ) ，扩充响应曲线法 用扩充响应曲线法整定t 和取乐五的步骤如下 数字控制器不介入控制系统，让系统处于手动操作下。将被调量调节到给 定值附近，并使之稳定下来然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间，被控对象时间常数，以及它