（安全技术及工程专业论文）接触网零件疲劳试验机数字控制.pdf

ab s t r a c t i n o r d e r t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f o r i g i n a l a n a l o g c o n t r o l l e r , t h i s p a p e r s t u d i e d f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e f o r c a t e n a ry , t h a n k s t o a d v a n t a g e o f d i g i t a l c o n t r o l a n d t h e d e v e l o p m e n t o f m o d e m c o n t r o l t h e o ry . a c c o r d i n g t o c h a r a c t e r s o f f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e , d i g i t a l c o n t r o l a l g o r i t h m i s p r e s e n t e d a n d i m p l e m e n t e d i n a n e x a m p l e t e s t i n g m a c h in e . d u e t o r e q u i r e m e n t s o f u s e r , d i g i t a l c o n t r o l l e r h a s a c c o m p l i s h e d c o n t r o l l a b l e p r o c e s s e s f o l l o w e d g i v e n r u l e s . a t f i r s t , t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e w o r k c o n d it i o n s o f t h e t e s t i n g m a c h in e . i t i s s t u d i e d t h a t t h e p l a n t m o d e l o f p o s it i o n a n d f o r c e s y s t e m a b o u t v a l v e c o n t r o l u n s y m m e t r i c a l h y d r a u l i c r a m . i t i s a n a l y z e d t h a t s t a t i c e r r o r i s c a u s e d b y u n s y m me t r i c a l h y d r a u l i c r a m d u e t o t h e c h a r a c t e r s o f s y s t e m m o d e l . f o r d i g i t a l c o n t r o l a p p l i c a t i o n , t h e c o n t i n u e m o d e l i s t r a n s f o r me d t o d i s c r e t e o n e . t h e n , s i m u l a t i o n s a b o u t p o s i t i o n a n d f o r c e s y s t e m a r e d o n e f o r c h o o s i n g r i g h t c o n t r o l s t r a t e g y . s e c o n d l y , t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e o f c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d . t h e t y p e o f d i g it a l c o n t r o l l e r a n d t h e d e s i g n s c h e m e o f s o ft w a r e a r e d e c i d e d . e x t r a c i r c u it i s d e s i g n e d a n d a c c e s s o r i a l s o ft w a r e i s p r o g r a m m e d . t h e n i t i s p r e s e n t e d t h a t w h y w e c h o o s e t h e k i n d o f i n d u s t r i a l c o n t r o l c o m p u t e r , s e n s o r m o d i f i e d m o d u l e a n d i n t e r f a c e . t h e im p l e m e n t i n g m e t h o d s a b o u t t i m e r s f o r r e a l - t i m e c o n t r o l i n wi n d o w s a r e s t u d i e d . t h e i d e a o f c o n t r o l s o ft w a r e p r o g r a m m i n g i s g i v e n . t h e w a y s f o r d i g i t a l f i l t e r d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n i s p r e s e n t e d . t h e in t e r f a c e o f c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d . t h e n , t h e p a p e r s t u d i e s p o s i t i o n c o n t r o l , f o r c e c o n t r o l a n d s w i t c h b e t w e e n p o s i t i o n c o n t r o l a n d f o r c e c o n t r o l . s e l f - o p t i m i z a t i o n c o n t r o l a n d z e r o a u t o - t u n i n g a l g o r i t h m s a r e m a i n l y p r e s e n t e d i n f o r c e c o n t r o l lo o p . i n p o s i t i o n c o n t r o l , t h e m e t h o d o f s o ft w a r e m o d i f y in g h a r d w a r e e r r o r i s d e v e l o p e d . t h e t i p s o f s w i t c h b e t w e e n p o s i t i o n c o n t r o l a n d f o r c e c o n t r o l i s s t u d i e d . f u r t h e r m o r e , s o m e p r o b le m s o f d i g i t a l c o n t r o l a p p l i c a t i o n a r e g i v e n , a s h o w t o a s s i g n p r o p o rt io n , f o r c e s e n s o r s t a n d a r d i z i n g , c h o i c e o f s a m p l i n g t i m e s , c h o i c e o f w o r d l e n g t h a n d a c c i d e n t a l p o w e r c u t a n d s o o n . f i n a l l y , a u t h o r i m p l e m e n t e d t h e c o n t r o l a l g o r i t h m i n a d i g it a l c o n t r o l l e r f o r f a t i g u e t e s t i n g m a c h in e s y s t e m . c o n t r o l a l g o r it h m s a n d d i g i t a l c o n t r o l l e r a r e p r o v e n a v a i l a b l e a n d r e a l i z a b l e . t h e c h o i c e s o f h a r d w a r e a n d d e s i g n o f s o f t w a r e a r e a l s o p r o v e n v a l i d i t y . t h e c o n t r o l l e r a c h i e v e a l l e x p e c t r e s u l t s . k e y w o r d s : c a t e n a ry , f a t i g u e t e s t i n g ma c h i n e , d i g i t a l c o n t r o l , s e l f - o p t i m i z a t i o n c o n t r o l , mu l t i m e d i a t i m e r s m 第一章绪论 1 . 1课题来源及背景 本课题是北京交通大学机电学院测控系受铁道部产品质量监 督检验中心接触网零部件检验站、四川省内江市隆昌公务器材厂 和北京远航铁路器材有限公司委托的科研项目，主要是对原有 p l g - 4 0 型零件疲劳试验机的模拟控制器进行数字化改造，并为两 套新的疲劳试验机系统设计数字控制器。 试验机是一种用于研究与检测材料、 零部件、 各类产品的力学 性能与可靠性的测试仪器。它可广泛用于科学研究、能源交通、 机械电子等各领域，是科研、生产部门必备的基本设备。 试验机 在材料试验、新型材料开发、产品设计、产品质量监督以及质量 控制等方面都发挥着重要的作用。试验机是光机电等一体化、技 术密集的高科技产品，品种繁多。 试验机可分为如下几类:金属 材料试验机、非金属材料试验机、平衡机、无损检测仪器、振动 台与冲击台、力与变形检测仪器、摩擦磨损、润滑与工艺试验机、 包装试验机、大型结构试验机及汽车专用测试设备等川 。 p l g - 4 0 型零件疲劳试验机主要用于接触网用滑轮补偿装置传 动效率试验和疲劳试验以及接触网零部件疲劳试验。要进行改造 的疲劳试验机是1 9 9 5 年完成的，通过多年使用，发现存在如下问 题: 当时的控制是模拟电路实现的， 位置控制和力控制分别要用 到两个不同的控制器。零件疲劳试验开始前的零件安装要在位置 控制模式下进行，而要进行的零件疲劳试验要在力控制模式下进 行，需要操作人员手工来切换控制器。 在切换过程中，试验机不 受控，可能导致试验机误动作使待试验零件产生破坏，而且操作 起来较为复杂自 动化程度不高。 设备老化的问题， 伺服阀机械零点随机构长年不停使用造成 的磨损而产生漂移，还有元件的老化使原有的模拟位置 控制器已 经基本失灵，无法使试验正常进行。 控制精度问 题， 零件疲劳试件的多样性决定了 动态加载力控 系统数学模型的扰动，利用简单的p i d控制难以保证控制精度， 尤其是动态精度。 目前国内的用户使用的试验机有国内的也有国外的产品， 生产 接触网零部件疲劳试验机数字控制 试 验 机 的 厂社i _* * 龙 测 试 仪 器 厂 深 圳 市 新 三 思 计 量 技 术 有 限公司、济南试金集团有限公司、中英合资浙江机械设备有限公 司等z 1 。 但这些厂家生产的 试验机大多为普用的 万能 试验机， 由 于 接触网零部件检验站要检验的是接触网受电弓的零件，其工作方 式和试验方法有一定的特殊性，因此接触网零部件检验站以及隆 昌公务器材厂委托北京交通大学机电学院测控系来完成试验机控 制系统的数字化改造和设计。 1 .2本研究的目的和意义 加快铁路电气化建设和改造， 是铁路发展的必然趋势。 对电气 铁 路 主 要 供电 设 备 接 触网 质 量 的 考 核 就 显 得 尤 为 重 要。 jf v 检验手段是利用零件疲劳试验机，对接触网零部件试件进行各种 振动、疲劳乃至破坏试验来考查其性能。 电液伺服疲劳试验机作为测试材料、 构件乃至整机疲劳寿命的 设备，因输出功率大、频率范围适当、动态响应快等特点，一直 被广泛的 应用与研究3 1 。 由 于不同的零件有不同的质量、 刚度和不 一样的连接方式，因此几乎所有试验机控制系统都要解决因试件 多样性引起的系统数学模型扰动问题。同时考虑电液伺服系统的 非线性以及模型参数的误差等因素，简单的p i d控制难以满足预 期的控制精度要求，有必要采用先进的控制策略。 与计算机控制不同， 模拟控制实现复杂算法较困难、 成本较高、 参数不易调节。近年来，随着计算机技术的高速发展，使有较高 性价比的计算机控制系统成为控制器设计的首选。9 0 年代初，国 外试验机行业知名的几大公司，均已 推出其代表性的数字控制疲 劳试验系统，完成了模拟控制向数字控制的转化。因此，对疲劳 试验机控制器的数字化改造就显得尤为重要。 目 前，国内开发疲劳试验机数量大、 种类多， 其中， 多数试验 机是采用传统的机电控制手段实现对试验过程的控制，对此类设 备中普遍存在操作过程烦琐、试验精度不高、试验数据的保存不 便和处理不及时等问题，上述问题的存在，在一定程度上限制了 试验机的使用和发展。近年来，计算机控制技术引入疲劳试验机 领域，少量产品投放市场，但大多价格昂贵。国内少数企业也开 发出了少量相关产品，但多数采用硬件实现控制，这使得其产品 成本相对较高，同时也带来了操作界面呆板，系统性能受局限等 问题。随着计算机硬件成本的降低和计算机软硬件技术的发展， 利用工业控制计算机实现较高性能的疲劳试验控制系统成为发展 第一章绪论 的方向 1 4 王 。 实践证明， 利用计算机控制有诸多优点。 我们研制的数字控制 器实现了以 下模拟控制所难以达到的结果: 采用操作系统为wi n d o w s 9 8 的工控机，安全性强，各种应 用软件众多，易于进一步开发。液晶屏和触摸屏作为人机接口， 操作简单明了。 成功应用多媒体定时器，采样时间可精确到i m s o 应用信号处理技术对传感器信号进行调理， 保证了控制的稳 定性和精度。 用数字控制器， 简化了 模拟控制电 路， 使力控制系统和位置 控制系统之间可以无缝切换，减少了控制系统的故障率。 运用自 寻优控制策略在线自 整定控制器参数， 保证了不同负 载刚度工况下动态力控精度可靠在1 2 %以 下。 采用小增益与给定信号变步长控制方法， 保证了静态力控系 统的快速性，稳定性，稳态精度小于月%。 考虑到伺服阀 长期工作的机械磨损引 起的阀芯零点漂移， 致 使位置控制失稳。 加入手动标定功能，利用软件修正硬件的漂移。 对故障情况的诊断和处理功能: 试件突然断裂、 油温超高等 故障发生时试验将自 动停止:试验现场意外断电时试验次 数等重 要信息的记忆功能。 力控系统中， 对力传感器进行了 分段线性标定， 提高了 标定 试验和力控制精度。 有防口 载上的力过大对零件产生破坏的设计， 这给 操作和安装牛 人员提供了方便 1 . 3国内外相关技术研究现状 电液伺服控制技术最先产生于美国的m i t , 后因其响 应快、 精 度高很快在工业界得到了 普及。电 液伺服系统是以 液压动力元件 作为执行机构， 根据负反馈原理， 使系统的输出 跟踪给定信号的 控制系统。 它不仅能自 动、准确、快速地复现输入信号的变化规 律，而且可对输入量进行变换与放大。作为控制领域的一个重要 研究对象，电液伺服系统的设计理论的方法一直受到控制学科的 指导和启发， 经历了从线性到非线性智能控制的发展历程图 。 由于非对称缸具有工作空间小、构造简单、结构紧凑等优点， 因而在一些特定的电液伺服系统中得到很好的应用。 对非对称缸 系 统， 国 外进行了 非对称 缸系 统建 模和r o b u s t 控制的 研究 (6 .7 1 ， 如 接触网零部件疲劳 试验机数字控制 使用双函数边界法将阀口流量、缸体运动的非线性由线性不确定 方 程来描述， 将非 线性问 题转化为参数 摄动问 题 进行处 理。 文 献8 .9 1 则研究了非对称缸的丛鲁棒控制和自 校正 控制。 文献 1 0 1 对疲劳试 验机电 液伺服系 统的 计算机控制进行了 研究， 而文 献 f 川 中 针对对 电液伺服力控系统中存在的不确定性和非线性， 提出了自 适应滑 模控制方法。 由于不同的零件有不同的质量、 刚度和不一样的连接方式， 因 此几乎所有试验机控制系统都要解决因试件多 样性引起的系统数 学模型扰动问题。 针对上述模型扰动， 文献! 12 1研究了 试件刚度变 化的范围，利用根轨迹描述刚度变化时系统模型的变化，并根据 根轨迹原理设计能使所有试件达到要求控制指标的鲁棒控制器。 不同 于 这种被 动的 控制器设计方 法， 1 3 1 中 提到 一 种灰 箱自 适应 控 制方法，在试件质量可忽略不计时，将系统数学模型简化为一阶 形式，针对适合于某一刚度k的p i 控制器参数，找到刚度变化后 p i 于刚度k时的对应关系并在线辨识系统当前的试件刚度，利用 辨识的刚度和p i 参数的对应关系推算出 合适的p 和i 。 而 1 a 中 针 对液压系 统阻 尼较小的 特点， 采用的 大增益 ( p ) ， 小 积分 ( i ) 的思想 对试验机控制系统进行设计，减弱了系统暂态响应，加快了 系统 到达稳定的速度。 除了以上几种基于传统的p i d控制方法，在试 验机控制系统中还有较新的、非线性控制方法的应用，比如输出 反 馈 法 和反步 ( b a c k s t e p p in g ) 方 法 1 5 ,16 1 .4 本文的研究内容 本课题以自 动控制理论和数字控制理论为基础， 结合数字信号 处理技术、 信号采集、 a i d = d / a转换技术， 利用面向 对象的程序 开 发 语 言v is u a l c + + 6 . 0 17 ,18 ,19 ， 对数 据 采 集卡 、 高 性能 工 业p c 机 进行开发，得到的数字控制器具有操作简单、 性能稳定， 集自 动 控制、信号监测、故障诊断与处理、相关信息掉电记忆等多种功 能与一体的，廉价高效的疲劳试验机数字控制系统。 第二章 系统建模与仿真研究 系统的数学模型在控制系统的分析与设计中起着重要的作用， 在建立系统的数学模型的基础上，就可以用比较系统的方法进行 系统分析，确定系统的补偿方法，进而为控制系统参数的调节提 供理论依据。 如果系统的模型未知， 可以用两种方法获得系统的模型， 进而 对系统进行分析设计。第一种方法是基于已知的物理定律写出系 统的微分方程，进而求出传递函数，第二种是根据系统响应观测 到数据来近似地估计出系统的模型。前一种方法称之为物理建模 方法，后一种方法又称为系统辨识建模方法。本章中使用的是物 理建模方法12 0 1 2 . 1试验机系统介绍 p l g - 4 0 型零件疲劳试验机主要用于接触网用滑轮补偿装置传 动效率试验、疲劳试验以及接触网零部件疲劳试验，仅用一台试 验机完成对几乎所有接触网零件的测试，这就决定了该电液伺服 系统的特殊性。 滑轮组试验为位置控制， 加载波形为梯形波。 试验时要求执行 机构运动位置达7 0 0 - 8 0 0 m m左右，因此液压缸设计长度为1 .2 m. 对于疲劳试验为力控制，加载波形为正弦波。其中，零件最大的 静加载力值为4 0 k n ， 动态加载时静态力值部分约为2 0 k n 动载为 静载力值的3 0 %，加载频率为3 - s h z 。要求的动态加精度为设定 值的士 2 %， 静态加载精度为设定值的士1 %a 2 . 1 . 1试验机系统组成 泵站 介汤 病 压 着 兹 沐 工控机 安装支架 液 压 缸传 感 器一 图2 - 1试验机系统组成示意图 第二章系统建模与仿真研究 系统的数学模型在控制系统的分析与设计中起着重要的作用， 在建立系统的数学模型的基础上，就可以用比较系统的方法进行 系统分析，确定系统的补偿方法，进而为控制系统参数的调节提 供理论依据。 如果系统的模型未知，可以用两种方法获得系统的模型，进而 对系统进行分析设计。第一种方法是基于已知的物理定律写出系 统的微分方程，进而求出传递函数，第二种是根据系统向应观测 到数据来近似地估计出系统的模型。前一种方法称之为物理建模 方法，后一种方法又称为系统辨识建模方法。本章中使用的是物 理建模方法【2 0 】。 2 1 试验机系统介绍 p l g 4 0 型零件疲劳试验机主要用于接触网用滑轮补偿装置传 动效率试验、疲劳试验以及接触网零部件疲劳试验，仅用一台试 验机完成对几乎所有接触网零件的测试，这就决定了该电液伺服 系统的特殊性。 滑轮组试验为位置控制，加载波形为梯形波。试验时要求执行 机构运动位置达7 0 0 8 0 0 m m 左右，因此液压缸设计长度为1 2 m 。 对于疲劳试验为力控制，加载波形为正弦波。其中，零件最大的 静加载力值为4 0 k n ，动态加载时静态力值部分约为2 0 k n ，动载为 静载力值的3 0 ，加载频率为3 5 h z 。要求的动态加精度为设定 值的2 ，静态加载精度为设定值的i 。 2 1 1 试验 豫 图2 1 试验机系统组成示意图 接触网零部件疲劳试验机数字控制 疲劳试验机系统应分为液压能源( 泵站) 及其冷却设备、电液 伺服阀、非对称液压缸、液压管路、位移传感器、力传感器、控 制系统、安装零件或滑轮组的支架等组成。 2 1 2 图2 - 2 滑轮转动效率、疲劳试验示意图 图2 - 3 零件疲劳、标定、静拉力试验示意图 图2 - 4 零件疲劳试验实物照片 p l g 4 0 型零件疲劳试验机要进行的试验主要包括： 1 滑轮组部分：位置闭环控制( 图2 - 2 ) 1 ) 滑轮组传动效率试验：控制液压缸做梯形波运动，在 匀速上升和下降时计算1 # 和2 # 力传感器的比，求出滑 轮的传动效率。 2 ) 滑轮组疲劳试验：滑轮组疲劳试验是控制液压缸做若 干次正弦波运动，然后再测试经过疲劳试验后的滑轮 第二章 系统建模与仿真研究 组的相关参数，考查其性能是否达到设计使用要求。 2 零部件疲劳试验:力闭环控制 ( 图2 - 3 ) 液压缸给待试验试件加载一正弦力信号， 在这样的信号作用若 干次后再来检测零件的相关性能指标，看是否达到了设计要求。 3 .标定试验:力闭环控制 ( 图2 - 3 ) 液压缸给测力环加载斜坡信号， 测力环的机械变形使压力表指 示值发生变化，用压力表显示的力值来标定控制器的显示力值， 以保证控制器加载力值是标准的。 4 .静拉力试验:力闭环控制 ( 图2 - 3 ) 液压缸给待试验试件加载一恒值信号， 在这样的信号作用若干 次后再来检测零件的相关性能指标，看是否达到了设计要求。 5 .位置调整:位置控制 液压缸空载运动，用于试验零件的装卸。 2 .2数学模型 非对称 ( 即单出杆) 液压缸具有占用空间小、制造简单、 成本 低廉等优点，因此在液压动力机构中被广泛采用，称之为非对称 动力机构。非对称动力机构的数学模型及其动、静态特性与对称 机构不同，它在正反两个方向上的动态过程并不相同，而且使系 统出现附加静差。 2 .2 . 1位