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水压试验机控制系统算法研究 学科：控制理论与控制工程 研究生签字：徐茛 指导教师签字： 睥宝嗽 摘要 水压试验机是焊接钢管生产中重要的质量检测设备，其中水压与油压的平衡跟踪控制 是水压试验机控制系统的关键部分，它关系着整个系统的安全运行。现有的水压试验机控 制系统普遍采用p i d 控制算法，p i d 控制算法具有算法简单、易于实现、便于调试等诸多 优点，但实际过程中，水压试验机控制系统属于电液随动系统，它的非线性、滞后、时变 等的特性会影响系统的动态静态性能，普通的p i d 控制器难以完全满足控制要求。 本文以某型水压试验机控制系统为研究对象，在研究系统数学模型和现有算法的基础 上，将模糊控制引入其中，设计了基于水压试验机的模糊p i d 控制模型，实现系统控制 性能的优化，满足了实际应用的要求，同时也可作为进行其他相关研究的有利参考。文章 主要研究内容如下： 首先研究了水压试验机控制系统的组成结构，对各环节进行分析，建立了压力随动控 制系统的数学模型。 在此基础上，对水压试验机控制系统普遍使用的p i d 控制算法进行分析，设计了基 于本系统的p i d 控制器，利用m a t l a b 仿真工具对参数进行调整，得出一组控制效果较 为理想的p i d 控制参数，并对其动念性能进行了仿真研究。 随后描述了模糊控制的基本原理，并针对传统p i d 算法的不足，将模糊控制与常规 p i d 控制相结合，设计了基于水压试验机的参数自调整模糊p i d 控制模型，并仿真研究了 控制器的动态性能。仿真结果表明，该策略的控制效果优于常规的p i d 控制，对参数摄 动具有鲁棒性，对扰动输入具有良好的抑制作用。 最后设计了用p l c 实现模糊p i d 算法的程序。运行结果表明，该系统能稳定可靠运 行，取得了满意的控制效果。 关键词：水压试验机；p i d 控制；模糊p i d 控制；仿真；p l c s t u d yo na l g o r i t h mo fc o n t r o ls y s t e m f o rh y d r a u l i ct e s t e r d i s c i p l i n e ：c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：) ( 比ai s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t h y d r a u l i ct e s t e ri sa ni m p o r t a n tq u a l i t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n tf o rw e l d e ds t e e lt u b e t h e k e vp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e mi st h et r a c ec o n t r o lo ft h eb a l a n c eb e t w e e nh y d r a u l i ca n do i l p r e s s u r e ，w h i c ha f f e c t st h es a f e t yo ft h ew h o l es y s t e mo fh y d r a u l i ct e s t e r a tp r e s e n t ，p i d c o n t r o la l g o r i t h mi sw i d e l yu s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i ct e s t e r ，b e c a u s ei th a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha se a s yc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m ，e a s i l yr e a l i z e da n dd e b u g g i n g 。b u ti nt h ea c t u a l p r o c e s s ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i ct e s t e ri sa ne l e c t r o n i ch y d r a u l i cs e r v os y s t e mi nw h i c h t h e r ea r en o n l i n e a rf a c t o r s ，l a gf a c t o r sa n dv a r i a b l ep a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ed y n a m i ca n ds t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e m t h es i m p l ep i d c o n t r o l l e rc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fc o n t r o lo b j e c tc o m p l e t e l y i nt h et h e s i s o n ec o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i ct e s t e ri st a k e na sr e s e a r c h i n go b j e c t ，a n d f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h es t u d yo fm a t h e m a t i c a l m o d e lo fc o n t r o l s y s t e ma n da l g o r i t h m sa l r e a d yu s e d t h ef u z z yp i dc o n t r o lm o d e l i ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e dt o o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo f c o n t r o ls y s t e m i tc a ns a t i s f ya p p l i c a t i o nr e q u e s t sc o m p e t e n t l ya n d c a l lp r o v i d ef a v o r a b l er e f e r e n c ei ni n t e r r e l a t e dr e s e a r c h t h em a i nr e s e a r c h w o r ka n d c o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r e s s u r e s e r v oc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e di n a c c o r d a n c e 、衍t l lt h ea n a l y s e so fc o m p o s eo ft h ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , p i dc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hc o m m o n l yu s e di nc o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i c t e s t e ri s a n a l y z e d ，a n d ap i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e du s i n gm a t l a b ，w h i c hp a r a m e t e r a d j u s t m e n ta n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei ss t u d i e db ys i m u l a t i o n t h i r d l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ff u z z yc o n t r o la l es t u d i e d ，a n da i m i n gt oo v e r c o m e t h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lp i d ，t h ei d e ao fc o m b i n i n gt h ef u z z yc o n t r o lw i t hp i d c o n t r o li s p r o p o s e d ap a r a m e t e r ss e l f - t u n i n gf u z z yp i dc o n t r o lm o d e li sd e s i g n e d ，a n di t sd y n a m i c p e r f o r m a n c ei ss t u d i e db ys i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o le f f e c tb yt h i s a l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h a to fn o r m a lp i dc o n t r 0 1 i th a st h er o b u s t n e s sf o rt h ep a r a m e t e r p e r t u r b a t i o na n df a v o r a b l ei n h i b i t o r ya c t i o na b o u t t h ed i s t u r b a n c ei m p o r t a tl a s taf u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mp r o g r a mb a s e do np l ci sd e s i g n e d t h er u n n i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mw o r k sw e l la n dg a i n ss a t i s f i e de f f e c t k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct e s t e r ；p i dc o n t r o l ；f u z z yp i dc o n t r o l ；s i m u l a t i o n ；p l c 学何论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不 包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：i 余故 指导教师签名： 滤氢峨 日期：加旧7 备r 目6n 学位论文知识产权卢明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使 用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工 业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工 供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络上公布学位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学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：徐夏 指导教师签名： 啤芝t 次 日期：刎绎硼6 目 5 7 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 绪论 在焊接钢管，特别是输油输气管道的生产过程中，为了确保质量和消除部分焊接应力， 在经过在线自动测重、测温、测长、测厚、测径，并配有漏磁、超声波、磁粉检测探伤之 后，都要经过稳定可信的水压检验。在标准规定的不同型号、不同钢种等级的静水压试验 的压力值，及相应的保压时间下进行试验，能够发现钢管的原材料和焊缝上是否存在着某 些缺陷，并针对缺陷对此钢管做出相应的判级和返修。如美国石油学会管线钢管标准a p i s p e c5 l 标准和国标石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1 部分g b t 9 7 11 1 1 9 9 7 标 准中都明确规定，每根钢管应进行水压试验且不得有渗漏现象。对于尺寸不小于5 0 8 m m 的焊接钢管，试验压力保持时间应不少于1 0 s 。 对焊接钢管进行静水压试验的水压试验机作为检验焊接钢管产品质量的重要设备之 一，它通过向钢管内注水、加压、保压等工序来检测钢管管壁所能承受的压力是否达到要 求，是否有渗漏等其他缺陷。它是最直观，最接近钢管实际使用情况的一种检测设备，一 方面检查管线的质量，另一方面可以消除管线在成型过程中产生的残余内应力。同时，水 压试验机也是影响机组生产率的关键设备之一。如果水压试验机不能正常完成试压工作， 就会增加每根钢管的试压时问，造成钢管积压，影响生产工艺流程的畅通，使得生产效率 地下，甚至导致机组停机，影响正常生产，给企业造成经济损失。 本课题研究的水压试验机结构简图如图1 1 所示【l 】。 p 油( 主缸加压油路) 图1 1 水压试验机结构简图 两安i ：业人学硕+ 学位论文 整个系统的工作流程如下： 1 ) 钢管进入到工位后，由v 形起升机构( 定心托辊) 将钢管升到适当的高度，使钢管 的中心与推头的中心基本重合，钢管的端面采用胶圈端面密封，用辅助油缸推动钢管使钢 管准确地对准密封圈，两端与头架和尾架的推头紧密结合。 2 ) 开启低压水泵对钢管内壁进行冲洗，完成冲渣。 3 ) 启动副油泵和主油泵，开动往复缸封堵管子并启动电液比例加载系统给活动端堵 头预加载预密封力一般为o 3 0 5 m p a 。在工控机上输入钢管的管号、材质、规格、试验水 压值和保压时间等。 4 ) 开启低压水泵充水，头架和尾架的放气阀均打开，将钢管内的空气排出到钢管外， 当有清水从放气阀排出时，关闭低压水泵，将放气阀关闭，开启高压水泵给钢管充高压水， 同时p l c 控制电液比例加载系统通过主液缸加压使作用在管子堵头上的压力随着水压上 升逐步增大，做增压试验。 5 ) 当达到预先设定的压力值时，系统保压1 0 , - 一1 5 s 。 6 ) 保压时间到，打开放气阀使管内卸压，电液比例加载系统随之卸荷；同时在工控 机上完成保压数据保存进数据库。 7 ) 打开充液阀，让往复缸带动堵头离开管端，然后移动管子，下降托辊，将管子移 出水压试管机，并进入下一根管子的检测。 在进行钢管水压试验过程中，钢管两端既要受到管内高压水的压力，即水压，又要受 到加压油缸的轴向支撑压力，即油压，必须要求加压油缸施加在管端上的力在试压过程中 要随着管内水压值的增大或减小按一定的比例关系增加或减小，使得油水压力总是处于平 衡状态。如果油压过大就有可能使钢管变形，甚至使一些薄壁管压弯，如果油压过小，管 内的高压水就会从管端渗漏，达不到试压目的，甚至可能喷出高压水，破坏密封，伤害现 场人员的人身安全，发生严重事故。 因此，选择合适的控制算法控制油压快速准确地跟随水压变化，保证钢管两端轴向力 的平衡，是控制水压试验机正常安全运行的关键。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 控制系统硬件的发展 钢管水压试验方法作为钢管材质检验方法之一，在2 0 世纪5 0 6 0 年代开始被广泛应 用和推广，它具有直观、简单、操作者经过简单培训即可上岗等优越性。7 0 年代起，国 际上输气管道进行水压试验不仅普遍，并向高层次发展，将管道整体试压强度准确地提高 到管道屈服强度11 0 ，使管道的各种缺陷在试压过程中充分暴露。近代水压试验的液压 技术日臻完善，一次水试压试验就可以对管道潜力有全面了解，无须进行二次试压。1 9 9 5 年以后，随着科学的发展和技术水平的提高，对静水压试验机提出了更高更新的要求，常 见的如首先可试压力至少不低于a p i 规范所规定的试验压力，保压压降不得大于1 等。 2 1 绪论 传统的水压试验机控制系统采用继电器控制，随着对工业自动化程度和可靠性要求的 提高，目前国内外已开始普遍采用p l c 控制的水压试验机控制系统，与传统的继电器控 制相比，p l c 控制具有多方面的优点。 传统的水压试验机控制系统采用继电器控制，随着对工业自动化程度和可靠性要求的 提高，目前国内外已开始普遍采用可编程控制器p l c 实现设备工作的自动化控制，配以 工业控制计算机与p l c 通讯来完成数据与操作指令通讯、信息存储( 包括试验曲线，数据 等试验参数显示存储) ，以及工作过程的动画曲线等的水压试验机控制系统。与传统的继 电器控制相比，p l c 控制具有多方面的优点。 1 ) 从控制方法上看，继电器控制系统的控制逻辑采用硬件接线，采用继电器机械触 点的串、并联的硬接线等组合成控制逻辑，连线多、组合复杂、体积大、功耗大，另外， 继电器的触点数量有限，所以使得继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而 p l c 的控制逻辑以程序的方式存放在存储器中，用编程的方式来实现对设备的控制，要 改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功 耗小，而且p l c 所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数 量可以是无限的，p l c 系统的灵活性和可扩展性好。 2 ) 从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低， 机械触点还会出现抖动问题。而p l c 通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度 快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。 3 ) 从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制， 时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而p l c 采用半 导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据 需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且p l c 具有计数功能，而继电 器控制系统一般不具备计数功能。 这些优点都为运用先进控制算法，实现更加稳定、准确、快速的控制提供了基础。另 外，从可靠性和可维护性上看，由于继电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械 磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而p l c 大量 的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，p l c 还具有自诊断功 能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为 现场调试和维护提供了方便。 目前，国内现有的高品质水压试验机系统大都引进国外，如国内大型专业无缝钢管生 产厂上海宝钢集团公司钢管分公司成套引进的德国d e m a g 水压试验机。国内水压试验 机的设计生产单位主要有中国重型机械研究院等。 这些水压试验机系统都属于典型的电液控制系统，由上位机监控系统、p l c 控制部 分和液压执行机构组成，在p l c 控制的水压试验机系统中，进行钢管水压试验时，油压、 水压的实时变化信号经压力变送器检测，送给p l c 一个电信号，经p l c 内部程序处理运 西安下业大学硕士学位论文 算后，输出通过放大板将相应的电压值加在比例溢流阀或伺服阀上，控制阀的开口，进而 控制油压，使油压跟随水压值做相应的变化，保证油水压力平衡。 1 2 2 控制算法的发展现状 目前我国对水压试验机控制系统的算法研究还非常少，对于水压试验机系统中油压对 水压的随动控制，现有的控制系统普遍采用的是工业控制中广泛采用的常规p i d 控制器。 p i d 控制算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、直观、理论发展成熟， 设计使用简单方便，被广泛应用于工业过程控制。当计算机技术发展后，数字p i d 控制 器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。 常规p i d 控制器作为一种线性控制器，是按照偏差的比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 和微分( d i f f e r e n t i a l ) 的线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。采用p i d 控制算法在 大多数情况下可以得到较为满意的控制效果，但在使用中也暴露出一些问题【z 儿引。如文献 【2 】中d e m a g 水压试验机的“7 6 号故障报警”：油压对水压的跟踪误差太大超出了一定的 范围则必然引起排气头向前或向后的位移。这个位移量通过磁尺检测，并经a d 转换后 进入p l c ；一旦这个位移量超过了所容许的范围( 向内2 0 c m 或向外8 c m ) ，则会出现7 6 号报警，紧急中断工作过程。d e m a g 水压试验机是进口设备，系统的数学模型、控制参 数都不为中方所知，要排除并减少7 6 号报警的出现难度很大。 电液控制系统属于具有非线性，不确定性的系统，如电液伺服阀或比例阀的压力一流 量特性、液压动力机构的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性；而不确定性因素 则包括外来干扰力、温度变化、油源压力和流量脉动等。因此用经典的控制和现代控制方 法有时难以达到令人满意的效果。为了得到准确快速响应，各种控制策略被广泛的研究。 多年来，从传统的p i d 控制、自适应控制到变结构控制、智能控制等诸多新颖的控制手 段得到了不断的发展和完善。 1 ) 由于系统中被控对象受不确定的干扰信号的作用以及被控对象本身模型的不准 确，采用传统的控制方法，系统往往难以有较好的响应。以l q g 最优控制为代表的现代 控制理论完全依赖于被控对象的数学模型，当数学模型准确时，所设计的控制器才能满足 控制性能的要求。实际的液压系统常受到时变不确定信号的干扰，其数学模型也不准确， 难以获得理想的控制效果。 2 ) 自适应控制最早是由美国m i t 提出的所谓参数优化模型参考自适应控制。当前应 用最成熟的主要有2 类，一是自校正控制( s t c ) ；二是模型参考自适应控$ 1 j ( m r a c ) 4 j 。自 适应控制系统的最大特点是被控对象能自动适应工作环境及自身参数在一定范围内的变 化( 即不确定性) ，使系统始终保持在优化状态下工作。自适应控制理论的发展是控制理论 的一大进步，它改变了控制系统只能在事先确定的各参数状态下工作的局限性。但它在使 用过程中也存在一些弊端，如对于s t c ，由于要进行大量的辨识计算，对于响应很快的 系统进行实时控制很难；而对于m r a c ，主要的困难是选择一个合适的参考模型以及要 按李雅普诺夫稳定性理论或波波夫超稳定性理论来设计自适应律。 4 l 绪论 3 ) 变结构控制是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构，使系统按 照滑模规定的规律运行的一种控制方法，其在电液控制系统应用较广泛的是滑模控制 ( s l i d i n gm o d ec o n t r 0 1 ) 。v s c 系统与传统的控制系统相比，具有控制规律简单，可以协调 动态和稳态性能间的矛盾，特别是其滑动模态( s m ) 对系统参数变化和外部干扰具有完全 不变性，其主要缺点是由于频繁切换而存在较严重的抖动现象，另外，它也不宜应用于采 样周期较长的控制系统。 4 ) 智能控制是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的， 具有不确定性、高度的非线性和控制任务非常复杂的系统。一些难以用数学解析式表达的 液压系统，用自然语言却能很简明扼要的表达系统的特性，建立起一个语言模型。智能控 制不再是单一数学解析型，而是包括有数学解析和知识推理型。与经典控制和现代控制相 比，智能控制一个突出的特点是研究的主要目标不再是控制对象，而是控制器本身；描述 系统特性的是一个简明扼要的语言模型而不是数学模型。这一特点充分发挥了人的智能， 使人在人与机器中占住了主动的地位。智能控制已经成为当前控制策略研究和应用的热 点。 此外，人们也将上述控制算法进行有机的结合，形成复合控制算法，克服单独使用上 述各种方法的不足，起到扬长避短的效果。 1 3 论文的主要内容 本论文以某型水压试验机控制系统为研究对象，研究工作主要是对水压试验机控制系 统的分析、数学建模以及确定适用于该系统的控制算法进行研究和仿真，以及算法在p l c 控制中的实现。论文的章节安排如下： 第一章首先介绍了课题研究的背景和意义，综述了水压试验机控制系统的发展、现状 和电液控制系统的主要控制算法，并介绍本文的研究内容和结构安排。 第二章根据水压试验机控制系统的构成原理，建立了系统的非线性数学模型，表明控 制对象可近似为一个一阶惯性纯滞后的非线性系统，并根据数学模型和系统特性探索合适 的控制算法。 第三章介绍了p i d 控制的基本原理，根据系统数学模型设计了p i d 控制器，对其进 行仿真，并对仿真的结果进行了分析。 第四章简述了模糊控制的基本原理，将模糊控制与p i d 控制相结合，实现系统在控 制过程中对p i d 参数的自调整。最后经过仿真研究对比，证明所设计的控制算法响应速 度快、准确性高、鲁棒性强，是一种较好的控制方案。 第五章首先介绍了p l c 的工作原理和s 7 3 0 0 的编程环境，然后由p i 。c 的软件编程 来实现模糊p i d 控制算法。编程语言采用语句表的形式，模糊控制器的实现采用查表法。 并介绍了系统的实际运行情况。 第六章对全文进行了总结。 两安工业大学硕十学位论文 2 水压试验机系统概述 2 1 水压试验机系统的主要结构 水压试验机系统由水压试验机主机、辅助装置、液压( 包括油压、水压) 系统、和电气 控制系统等构成。 1 ) 水压试验机主机【5 1 1 6 水压试验机主机结构图如图2 1 所示，由充水端卡头、排气端卡头、移动小车、框架 梁等组成，充水端卡头可以小范围移动，满足钢管前端进入充水端卡头的密封圈；排气端 卡头安装在移动小车上，在驱动装置的作用下在框架梁上可以前后运动，满足不同长度钢 管试压时钢管后端进入排气端卡头的密封圈。当钢管进入试压中心时，充水端卡头和排气 端卡头从两端分别套住钢管，预密封增压器增压，钢管两端的密封圈封紧管端周围，充水 阀、排气阀分别打开，大量乳化液进入被试钢管内腔并把气体从排气阀排出，当钢管内空 气排净后，排气阀、冲水阀关闭，增压器向被试钢管内增压。压力通过数字压力计检测， 达到设定压力后进行保压、计时，到达设定的保压时间后卸压，密封圈在弹性的作用下胀 开，充水端卡头和排气端卡头分别后退，被试钢管内的乳化液经开口处自由流出。 充水阀充水端卡头气端卡头排气阀移动小车框架梁 图2 1 水压试验机主机结构图 充水端卡头由充水阀、增压器、卡头及卡头移动装置组成，为了满足快速充水的要求， 在水压系统中配置了充液罐。 移动小车由液压装置驱动，通过齿轮、齿条机构实现往复运动，可以根据钢管长度前 后移动，主要由车体、小车驱动装置、排气阀、卡头、卡头驱动装置及锁键定位装置组成。 移动小车行走装置、卡头行走装置和锁键装置均安装在小车上。 框架梁主要由大梁主体、操作维修平台、起吊装置、机罩和操作室组成。大梁主体用 6 2 水压试验机系统概述 来承受试压时产生的轴向力，采用对称工字梁框架结构，试压时受力中心在工字梁的对称 中心，满足设备使用高刚度的要求。在主体工字梁上设有多个调节孔位，以满足钢管长度 变化时的试压要求。梁上设有导轨和齿条，满足排气小车和排气端卡头在其上运行。操作 维修平台、起吊装置和机罩使卡头更换方便，提高工作时的安全保护。操作室设有大视野 防弹玻璃窗户，方便清楚观察前后试压卡头问设备的运行状况，既方便操作，又保护操作 人员安全。在操作台正前方设有压力表，直接显示试验压力。 2 ) 辅助装置 辅助装置主要包括以下几个部分： 1 9 、在各工序间传递钢管的步进送料机构。 b 、冲洗测长装置。测长装置用来冲洗钢管内残屑、氧化皮及对齐管端，并测量钢管 的长度。 c 、升起对中装置。升起对中装置由升起装置和央紧对中装置组成。保证钢管直径变 化时能顺利进入试压中心，并对钢管进行央紧，保证钢管试压的安全要求。 d 、控水装置。由升起装置和吹水装置组成。钢管试压完毕后送到空水工位，由空水 装置将钢管一端抬起进行空水。为满足快节奏的生产要求，在管子抬起端增设吹水装置， 用高压气流将滞留在钢管内的水迅速吹出，实现快速排空。 3 ) 液压系统 水压系统由高压水站和低压水站组成，包括l 台4 0 0 m 3 h ，3 7 k w 低压水泵和电机、 1 台7 5 l m i n 、4 5 k w 高压水泵、循环水池、清水池、各种控制阀及其它辅助组件。系统 要求试压介质( 水) 的最高压力为2 0 m p a ，水压系统最高水压可达2 5 m p a 。该系统在低压卸 荷阀、充水阀、电磁换向阀等控制阀以及增压器的控制下完成冲渣、低压充水和增水压、 保压和卸水压等工序。 液压系统由主液压站和副液压站、各种控制阀及液压辅件组成，包括额定流量 1 0 0 l m i n 和2 5 l m i n ，额定压力分别为1 2 m p a 和3 2 m p a 的液压泵2 台。电机、加热器、 液位计、磁性滤油器、先导式溢流阀、电接点温度表、电接点压力表等液压辅件。液压系 统专为电液比例加载系统和2 0 多个工作油缸提供液压油。由电液比例系统控制的主液压 站主要完成对被试钢管活动堵头的加压，以保证当水压增大时加在活动堵头上的力能随之 增大。副液压站和辅助控制系统主要完成被试管的定位( 移动和升降) 、低压充水和卸荷、 放气和集气管动作、往复缸的动作、机架和插销的移动等系统功能。 4 ) 电气控制系统 电气控制系统以西门子s 7 3 0 0 p l c 为控制核心，它负责实现各种控制算法，控制各 个现场可执行元件的动作，接受现场传感器的检测信号，传送实时数据给上位机，接收上 位机的各种参数设置和控制指令等任务，从而实现系统整体自动协调动作，完成钢管的水 压试验。 上位机是一台研华i p c 6 1 0 工控机，负责现场数据的实时显示、保存和查询。对压力 7 两安工业大学硕十学位论文 曲线进行实时描绘，直观地显示给操作人员。在试验过程结束时会对每根试验管的保压情 况进行分析，根据生产工艺要求自动判断保压是否合格，并根据需要对试验管的记录及判 定结果进行显示、及时打印或存储。 触摸屏主要完成系统的压力参数、被试钢管参数等的输入和设定，同时，在触摸屏上 也能实时显示水压油压的变化曲线及其变化的棒型图，并显示保压时水压值的设定值。 工控机和p l c 之间的通信通过专用的p c p p i 电缆来实现，p l c 和触摸屏之间的通 讯是通过r s 4 8 5 4 2 2 专用电缆实现。 2 2 水压试验机控制系统分析 2 2 1 控制系统组成和原理 在进行钢管水压试验过程中，钢管两端既要受到管内高压水的压力，即水压，又要受 到加压油缸的轴向支撑压力，即油压，在这一过程中必须保证钢管轴向力的平衡，因此必 须控制加压油缸施加在管端上的力在试压过程中要跟随管内水压值的增大或减小按一定 的比例关系增加或减小，使得油水压力总是处于平衡状态。根据受力平衡关系： s u = p 水s 水 ( 2 1 ) 可得，= k p( 2 2 ) 式中，凡水压试验机工作油缸内压力，单位m p a ； 水压试验机工作油缸横截面积m m 2 ； r 水压试验压力，单位m p a ； s 钢管内径横截面积，单位m m 2 ； k = s 水s 油 ( 2 3 ) 试压时，由增压缸按照规定的压力和时间对钢管进行水压的升压和保压，同时压力变 送器测得实际试验压力，进行数学运算得出额定平衡压力即油压，控制系统控制平衡缸输 出相应的油压跟踪额定平衡压力，并以实际平衡压力和额定平衡压力的压差作为系统的负 反馈信号，以保证试压时焊管轴向力的平衡。水压油压平衡控制系统的框图如图2 2 所示。 i 抠 区吲一 p ： 厂_ = = ! ! l 油乐力l 图2 2 水压油压平衡控制系统的框图 8 2 水压试验机系统概述 显然，是一个典型的电液比例随动调节系统，组成系统的主要元件有。 1 ) 指令元件。它是给定控制信号的产生与输入的元件。在有反馈信号存在的情况下， 它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。在本系统中为经过计算后的水压值经 d 转换后的信号。系统的a d 、d a 转换由p l c 的模拟量输入输出模块s m 3 3 4 和模 拟量输出模块s m 3 3 2 实现。 2 ) 比较元件。它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控 器的输入，进行比较的信号必须是同类型的。本系统中的比较在p l c 中进行。 3 ) 比例放大器。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大( o 8 0 0 m a ) ，而p l c 的d a 模块可输出的最大控制电流仅为2 0 m a ，不足以推动电磁铁工作。所以要对控制 信号进行功率放大，而且偏差信号的类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求。比 例放大器的作用是对输入的信号进行加工、整形和放大，使达到电一机械转换装置的控 制要求。比例放大器是电液比例阀的重要组成部分，其性能及可靠性对整个电液控制系 统起着十分重要的作用。传统的比例放大器主要有两种形式，一种是用可控硅实现控制； 另一种则是用双极性晶体管对输入信号予以放大，然后再在其上叠加颠振信号。前者的 主要问题是控制精度差、抗干扰能力弱，后者的主要缺点是电路复杂、可靠性差。在本 例中使用的是v - i 变换驱动板。 4 ) 比例溢流阀。它把经过放大后的电信号转换成与其电量成比例的力或位移。这个 输出力或位移改变了液压放大级的控制液阻，经液压放大作用，把不大的电气控制信号 放大到足以驱动系统负载。本系统使用比例溢流阀将电信号转换为输出压力，配套的比 例放大板供给比例阀线圈电流，外部只需供给放大板0 1 0 v 的范围内电压，即可获得 0 3 2 m p a 液压压力值。 5 ) 检测反馈元件。对于闭环控制需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量 的实际值，得出系统的反馈信号。本系统选用麦克m p m 2 8 0 型压力传感器，配合m p m 4 8 2 型压阻式压力变送器( 0 4 0 m p a ) ( 4 2 0 m a ) ，可与输入模块相连实现压力的检测。它们负责 实时检测水路系统和油路系统的压力，将它们转换为电信号传送到p l c ，等待进一步处 理。 2 2 2 控制系统模型的确立 数学模型是动态系统中各物理量之间关系的数学描述，通常分为两大类：1 ) 参数模型 如微分方程、传递函数和状态方程等；2 ) 非参数模型如脉冲响应函数、阶跃响应曲线和频 率特性曲线等。建立数学模型原则上有两种方法：机理建模和系统辨识。机理建模是根据 已知的系统结构和数据，从基本的物理和化学定律出发，用演绎法来建立系统的数学模型。 而系统辨识是根据观察、测量或记录所得到的系统输入和输出数据，用拟合法估计出被识 系统的数学模型。在工程实践中，往往是将上述两种方法结合起来使用。首先根据被识系 统的己有知识，用演绎法确定或选择系统模型的结构。然后根据实验观测所得到的数据， 估计出被识系统的各项参数【7 1 。在了解研究水压试验机系统组成和原理的基础上，根据图 o 两安】：业人学硕十2 乎位论文 2 2 对各个环节进行分析，建立系统的数学模型，为进一步分析系统特性、进行控制方法 设计及仿真提供数学依据。 1 ) d a 环节 系统的d a 环节由模拟量输出模块s m 3 3 2 ( 5 h d 0 1 ) 实现。它具有4 个输出通道，精 度为1 2 位，可选择+ 1 0 v 、1 v - 5 v 、0 v - 1 0 v 的电压输出或+ 2 0 m a 、4m a 一2 0m a 、0m a - 2 0 m a 电流输出，根据上文所述比例溢流阀对输入信号的要求，这里选择0 v - 1 0 v 的电压输 出。模块的转换时间为最大0 8 m s ，稳定时间为o 2 3 3 m s ，都非常短，可看做比例环节。 模拟量输出模块单极性输出模拟值的表示如表2 1 所示【8 1 。可以看出，0 v - 1 0 v 对应的数据 字为0 2 7 6 4 8 ，因此： k 删= 1 0 2 7 6 4 8 = 3 6 1 7 1 0 4 ( y ) ( 2 4 ) 表2 1 单极性输出模拟值的表示 2 ) 比例放大器和比例阀环节 如图2 3 所示，比例溢流阀先导阀为锥阀式结构，在稳态工作时应满足以下方程式 9 1 ： fal 则 图2 3 比例溢流先导阀锥阀式结构图 1 0 2 水压试验机系统概述 a 、阀口出流方程式 驴锄d x s i n 嫱p s 式中： g 流过先导压力阀的流量 c l 一阀的流量系数 x 阀芯的位移量 矿锥阀阀芯的出流角 p 油液密度 b 先导阀阀腔内所控制的液压力 b 、阀芯的力平衡方程式 f = 三4d 2 以一c 刀d s i n 缈b 石乃 l s 1 s j 式中： ( 2 5 ) ( 2 6 ) f 比例电磁铁输出力 r ，阀芯、衔铁等运动部分的运动摩擦力 c 、比例电磁铁的吸力方程式 f = f | + f 8 = c l ? i z q - 、) 式中： 吒比例电磁铁的锥面力 r 占比例电磁铁的底面力 l f 比例电磁铁的吸力系数 若忽略了摩擦力及通过阀流量等的影响，则由力平衡方程式和吸力方程式可得出阀控 制压力只与控制电流j 间的关系为： p ：上：冬，：4 s 竺d 2 n d 2 ( 2 8 ) 4 一 上式表明比例溢流阀的稳态特性，即其输出的控制压力与输入的控制电流近似地存在 抛物线关系特性，忽略摩擦力、液流力的影响，则阀输出控制压力完全由输入的控制电流 的大小决定，比例溢流阀控制压力只与控制电流，间的关系近似地存在抛物线关系。但实 际上只与控制电流，问的实际比例系数不仅与摩擦力、液流力有关，还与阀结构、系统卸 油回路背压等因素有关，使得整个系统具有了复杂的非线性特性1 0 。13 1 。 对非线性系统，人们通常采用微分方程或非线性算予方程来描述，根据相关文献和经 验可知，本环节可描述为一阶纯滞后非线性对象【1 4 】【1 5 】，由于研究对象的丁和f 随时间变化 很小，故可将其看作与状态无关的参数，这种情况下的非线性系统的常微分方程为： 两安。l ：业人学硕十学位论文 t d y ， 。t ) + y ( ，) ：k 似h ( f f ) ，肌：o ，1 ，2 ， ( 2 9 ) “l 式中k ( m ) 与工作点有关，不同的非线性系统的工作区域不同，斜率也各不相同，各 工作区间的增益k ( 聊) 也不同，若知道增益则非线性系统的微分方程便能够得出，于是可 以看作每个区间上的线性对象，可以采用线性对象所采用的算法。因此，在现场对系统的 性能曲线进行了精确的标定，对于非线性特征，采用分段线性化的方式，分段线性化的划 分表如表2 2 所示。 表2 2 分段线性化的划分表 p l c 控制数据字与比例溢流阀输出压力之间的关系如图2 4 所示。 - ： i- ： ： -髟 。7 。 。 一 一z 一 ： 一，： 近似为线性对象后，各区间上的传递函数可表示为： 1 2 筋 侣 他 乱罨r巡丑摧 2 水压试验机系统概述 k 一。 一e 。 乃+ 1 ( 2 1 0 ) 式中k 由图2 4 的曲线在各区间中分别确定，其他参数的确定采用阶跃响应法，一阶 滞后系统的阶跃响应曲线如图2 5 所示，过响应曲线的拐点p 作切线，交时间轴于b 点， 交其稳态值的渐近线y ( o o ) 于a 点，a 点在时间轴上的投影为c 点，则o b 为滞后时问t ， b c 为过程的时间常数丁。 y ( o o y ( o 图2 5 一阶滞后系统的阶跃响应曲线 经反复试验确定，t 0 4 ，f 0 6 。即 g = 熹p 曲。6 s (211)04s + 1 、 3 ) 压力反馈环节 系统采用的m p m 4 8 2 型压阻式压力变送器将压力信号转换为4 2 0 m a 电流信号输出， 量程可调，同时将输出信号经过液晶显示器现场实时显示压力数据。系统的工作压力是 1 5 2 0 m p a ，考虑到运行中可能产生的情况，将压力传感器的量程定为2 5 m p a ，视为比例 环节： k f b = 1 6 2 5 = 0 6 4 ( m a m p a ) ( 2 1 2 ) 1 = k 船p + 4 ( m a )( 2 1 3 ) 4 ) a d 环节 在a d 环节中，首先通过模拟量输入输出模块s m 3 3 4 ( 0 c e 0 1 ) 的输入通道将压力变 送器的输出信号转化为数据字。输入电流范围为0 - 2 0 m a ，与模块s m 3 3 2 ( 5 h d 0 1 ) 相似， 相应的数据字为0 - 2 7 6 4 8 ，可看作比例环节： k 肋= 2 7 6 4 8 2 0 = 1 3 8 2 4 ( m a 。1 )( 2 1 4 ) 昂= 1 k 爿d( 2 1 5 ) 油压的给定值以m p a 为单位给出，而经过s m 3 3 4 转换所得是0 -