（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的张力测控系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 虚拟仪器技术是当今测控领域应用和研究的重要方向之一 多参量的测试逐渐向速 度化 智能化 集成化方向的发展己成必然趋势 而虚拟仪器的开放式设计思想为提高 测试效率 降低测试成本 提供了有效的途径和方法 本文研究了虚拟仪器技术在张力 测量与自动控制中的应用 对测控系统的总体结构 软硬件平台的构建及应用程序的开 发等进行了探讨 通过对测控系统全面的分析 文中分别对系统的功能结构 组织结构和信息结构进 行了阐述 针对张力和速度的变化规律 以能长期低速和堵转运行的力矩电机为动力源 以转矩控制特性优良的磁粉离合器为施力元件 组建成速度和张力的双闭环控制系统 传感器作为前向通道拾取各信号 后台以工业控制计算机丰富的硬件资源为基础 利用 基于p c i 高速总线的插卡式测量板卡和串口模块实现与计算机的数据传输和命令通讯 系统的应用软件以图形化编程语言l a b v i e w 为开发平台 充分利用模块化的设计方法 进行软件各功能模块和测试程序的开发 实现了被测设备的张力加载试验 实时状态监 测和试验数据的分析处理及管理功能 为张力的虚拟测控系统的深入研究和应用开发奠 定了基础 本文设计完成的虚拟仪器张力测控系统 界面友好直观 功能齐备 移植性好 可 扩展性强 对张力测量系统的进一步发展具有示范作用 在理论和实际应用上都有重要 意义 关键词 虚拟仪器张力控制l a b v l e w 磁粉离合器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t v i t e c h n o l o g yi sn o w a d a y sas i g n i f i c a n td i r e c t i o no fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1 t e s t i n go fm a n yp a r a m e t e r sg r a d u a l l yt o s p e e d u p i n t e l l i g e n t i n t e g r a t e de v o l v e m e n ta l r e a d yb e c o m e s ac e r t a i nt r e n d i no r d e rt or a i s e e f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o s to ft e s t i n g t h eo p e n i n gd e s i g ni d e o l o g yo f v io f f e r se f f e c t u a l w a ya n dm e t h o d t h ea p p l i c a t i o no fv ii nt h ef i e l do ft e n s i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l a u t o m a t i c a l l yi ss t u d i e di nt h i sa r t i c l e w h i c hi n c l u d e ss y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r e s o f t w a r ea n d h a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n to f t b ep r o g r a m t h r o u g h a no v e r a l l a n a l y s i so f t h es y s t e m t h ef u n c t i o nc o n f i g u r a t i o n o r g a n i cf r a m e w o r k a n di n f o r m a t i o ns t r u c t u r eh a v eb e e ne x p l a i n e ds e p a r a t e l yi nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h e v a r i a b l er u l eo ft e n s i o na n dv e l o c i t y ac o n t r o lt h o u g h tt a k i n gd o u b l ec l o s e dl o o pc o m e s f o r w a r d w h i c ha d a p t sa na s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o ra sp o w e r s o l a c ea n dam a g n e t i cp a r t i c l e c l u t c ha sf o r c ea p p a r a t u s t h em o t o ri sc o m p e t e n tf o rl o n gl o w s p e e do rs t o p p i n gu pa n dt h e c l u t c hh a sf i n ec h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o lw i t ht o r q u e s e n s o r sa sf o r w a r da c c e s so b t a i ns i g n a l a ni n d u s t r i a lc o m p u t e rw i t ha b u n d a n th a r d w a r er e s o u r c ea sb a c k g r o u n du t i l i z es e t i nb o a r d s b a s e do np c ib u s a n ds e r i a lm o d u l e st of u l l 5 1 ld a t at r a n s m i s s i o na n di n s t r u c t i o n c o m m u n i c a t i o n t h es y s t e ms o f t w a r ei se s t a b l i s h e db a s e do nt h el a b v i e w p l a t f o r mu s i n g t h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e i tf u l l yu t i l i z e sad e s i g nm e t h o do fm o d u l a r i z a t i o nt o d e v e l o pe v e r y f u n c t i o nm o d u l ea n d t e s t i n gp r o g r a m a c h i e v e st e n s i o n l o a d i n g t r i a lo f e q u i p m e n t r e a l t i m es t a t em o n i t o t i n g a n a l y s i sa n dm a n a g e m e n t o f t e s t i n gd a t a i te s t a b l i s h e s t h ef o u n d a t i o nf o rv i r t u a lt e n s i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mt oa ni n d e p t hs t u d ya n d d e v e l o p m e n t t h ea c c o m p l i s h e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft e n s i o nb a s e do nv ii sp o s s e s s e d o ff r i e n d l yi n t e r f a c e c o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s n i c e rt r a n s p l a n t i n ga n df i n e re x p a n s i b i l i t y i t p l a y sa l le x e m p l a r yr o l et of u r t h e rd e v e l o p m e n to ft e n s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dh a sa n i m p o r t a n tm e a n i n g i nt h et h e o r ya n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s v i r t u a li n s t r u m e n t st e n s i o nc o n t r o ll a b v i e w m a g n e t i cp a r t i c l ec l u t c h l 独创性声明 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 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对 本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 王勇 日期 狮缈年争月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并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 本人授权华中科技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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在年解密后适用木授权书 本论文属于 不保密咝 请在以上方框内打 学位论文作者签名 王勇 日期 渺牛年乒月凹日 指导教师签名 芦细千 日期 知v 年郇月垅i e i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题来源 本课题是中国船舶重工集团公司第一t 二2 研究所的技改项目 其目的是模拟设备的 现场使用工况 通过剥各动态参量数据的分析 促进设备更全面的检测和优化设计 提 高同类产品的开发能力 1 1 2 课题的研究背景 在机械设备的制造过程中 为保证产品质量 交付使用前都要对设备进行型式试验 以测试设备的各项性能指标是否达到设计或使用方要求 通常静态的测试只能对一些结 构部件 装配工艺等例行检查 而设备的很多性能指标只有在运转的情况下进行检测 才能真实的反映设备的工作性能 目前在拖曳类设备的研制中 对一定速度下不同缆长牵引力变化的测试实验以及其 它动态参数的分析尚无有效手段 仍然停留在传统的试验条件下 还只是用设备配置的 专用控制器 控制装置的机械运转部件进行无载荷的运行 更没有采用现代先进的计算 机辅助测控技术 随着科学技术的不断进步 计算机的j 泛应用深刻影响了各个领域的发展 一方面 出于生产的发展 测试内容日益复杂 测试工作量急剧增加 对测试设备在功能 性能 测试自动化等方面提出了更高的要求 但是 传统仪器基本上没有摆脱独立使用 手动 操作的模式 对于复杂的应用场合 测试参数较多的场合 使用起来很不方便 其局限 性非常明显 由于各分立仪器阃的匹配问题 仪器本身的测量精度及信号的传输速率等 都受n i n o n 从而影响了整个测试系统的性能 另一方面 计算机科学和微电子技术的 发展为计算机辅助测试准备了物质条件 控制论 信息论等理论的研究和数字技术 传 感技术 接口技术等从多方面为计算机辅助测试奠定了理论技术基础 经过三十年的发展 计算机辅助测试系统已经发展到第三代 即计算机直接参与测 试信号的产生和测量特性的解析的计算机辅助测试系统阶段 1 甜 七十年代初 计算机 辅助测试大都采用程控仪器 仪表通过g p i b 与计算机构成自动测试系统的方式 八十 年代后期 计算机辅助测试系统采用计算机及各种接插件 如a d d a 插件等 来组 成测试系统 微机化测控系统是以微机为核心 测控一体化的系统 这种系统对被控对象的控制 华中科技大学硕士学位论文 是依据对被控对象的测量结果决定的 因此 其实质上是一个闭环控制系统 其基本组 成框图如图1 1 所示 测 叫传感器h 模拟最输入通道 广一 计 控 t 一一垫堑登卜一模拟最输出通道卜 算 对 叫传感器卜一 开关罱输入通道卜 机 象 一一一执行器 开关帚 输山通道k 一 削1 1 测控系统的典型结构 1 1 3 测控仪器系统的地位和作刚 测控仪器或系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用 它从生产现场获取各种 参数 运用科学规律和系统工程的方法 综合有效地利用各种先进技术 通过自控手段 和装备 使每个生产环节得到优化 进而保证生产规范化 提高产品质量 降低成本 满足需要 保证安全生产 仪器的功能在于用物理 化学或生物的方法 获取被检测对象运动或变化的信息 透过信息转换的处理 使其成为易于人们阅读和识别表达 信息显示 转换和运用 的 量化形式 或进一步信号化 图像化 通过显示系统 以利于观测 入库存档 或直接 进入自动化 智能运转控制 仪器是获取信息的工具 起着不可或缺的信息源的作用 仪器是信息时代的信息获 取 处理 传输的链条中的源技术 如果没有仪器 就不能获取生产 科学 环境 和社会等领域中全方位的信息 进入信息时代将是不可能的 信息技术由测试控制技术 计算机技术和通讯技术三部分组成 测控技术是关键和基础 是信息工业的重要组成部 分 2 o 1 2 虚拟仪器技术 目前 微电子技术和计算机技术飞速发展 测试技术与计算机深层次的结合 y 引起 测试仪器领域一场新的革命 一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器 一虚拟仪器 的出现 它是现代计算机技术 通信技术和测量技术相结合的产物 是传统仪器观念的 一次巨大变革 是仪器产业发展的一个重要方向 它的出现使得人类的测试技术进入 个新的发展纪元 把仪器的三大功能块全部放在计算机来实现 在计算机上插接数据采 集卡 然后用软件在屏幕上生成仪器面板 用软件束进行信号的分析和处理 实现传统 仪器功能 这就是虚拟仪器技术的雏形 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器 就是在以计算机为核心的硬件平台上 功能山用户设计和定义 具 有虚拟而板 其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统 虚拟仪器的实质是利 用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板 以多种表现形式输出检测结 果 利用计算机强大的软件功能实现数据的分析和处理 利用i o 接口设备完成信号的 采集 测量与调理 从而完成各种测试功能 使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板 就女 1 同使用专用测量仪器一样 因此 虚拟仪器的出现 使测量仪器与计算机的界限模糊了 1 2 2 虚拟仪器的现状与发展 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能 结构等 且构建容易 转换灵活 虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速度飞速发展 很有可能成为下一代的仪器标准 因 此在机电工业的自动化进程中 国内外相关行业十分重视虚拟仪器技术的发展 1 虚拟仪器国外发展状况p 8 1 从1 9 8 7 年以专用集成电路 a s i c 和计算机技术为基础的总线仪器一一虚拟仪器 的雏形问世 到1 9 9 3 年虚拟仪器已发展到三百多家厂商 一千多种虚拟仪器产品 1 9 9 5 年j 商更达一千余家 产品达数千种 美国是虚拟仪器的诞生地 也是全球最大的虚拟 仪器制造国 一些国际著名的仪器公司如泰克公司 惠普公司 n i 公司等都相继推出 各自的虚拟仪器软件平台 其中应用较广泛的有h p 公司的h p i t g 和h p v e e n i 公 司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v l 许多部门和公司也都在积极的开展相关方面的研 究和应用工作 澳大利亚c r a z 工程学院研制的虚拟激光波长和发射功率测试系统 美 国s t a n f o r d 大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学 实验 仿真系统 g e o m a t i c s 公司和g o d s m i t h 公司等利用虚拟仪器丌发工具研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧 苗分析系统 挪威c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 平台构建了测试北海油田石油 大气 水流的m p f m 系统 2 虚拟仪器国内发展状况 9 驯 国内最早于1 9 8 5 年由c o i n v 东方振动和噪声技术研究所 提出了p c 卡泰 c o i n p u t e ra c q u i s i t i o n t e s ta n a l y s i si n s t r u m e n t s 简称c a t a i 技术一一微机卡式采集测 试分析仪的概念 而对虚拟仪器研究的广泛开展始于2 0 世纪9 0 年代 主要是在p c 机 上进行通用仪器卡和专用测试仪的研制和开发 近年来 随着虚拟仪器设计思想被更加 广泛的接受 虚拟仪器技术已深入应用到了很多领域 重庆大学虚拟仪器研究开发中心 成功解决了文件难以有序交换的制约 把多种测 试仪器的功能 技术参数和精度指标集成在功能软件库中 在计算机中就能实现被集成 仪器的各项功能 清华大学应用虚拟仪器技术构建 汽车发动机性能检测系统 用于汽 1 一 华中科技大学硕士学 位论文 车发动机出厂前的性能检测 主要检测发动机的功率特性 负荷特性等 一台发动机检 测完成后 就可打印出完整的检测报告 同济大学应用虚拟仪器技术进行工程结构的应 力计算 上海交大应用虚拟仪器技术进行通讯系统测试和故障诊断 石油科学研究院将 虚拟仪器技术应用于小型石油精炼实验系统中 电子部三所应用虚拟仪器技术建立了仪 器自动化计量控制系统 此外 许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中 例如 西安交通大学的 现代测试技术 华中科披大学的 机械工程测试与信号分析 课程 教学中 以虚拟仪器系统为平台 丌发了基于w e b 的虚拟仪器实验室 通过仿真与实验 开拓了学生的思路 使学生较好地理解该课程的内容 同时 虚拟仪器的一机多用 硬 件资源共享等特点大大节约了实验室建设的投资 目前 虚拟仪器已在科研丌发 测控 超大规模集成电路测试 模拟和数字电路测 试 现代家用电器测试 电力电子器件测试以及军事 航天 生物医学 电工技术领域 等测试工作中得到应用 且应用领域还将不断拓宽 3 虚拟仪器的发展趋势 随着计算机 通信 微电予技术的不断发展 以及网络时代的到来和信息化要求的 不断提高 网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势 在国内网络化虚拟 仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法 也没有一个被测量界广泛接受的定义 其 一般特征是将虚拟仪器 外部设备 被测试点以及数据库等资源引入网络 实现资源共 享 共同完成测试任务 引 使用网络化虚拟仪器 可在任何地点 任意时刻获取到测 量数据信息的愿望成为现实 网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制 数据采集 故障 监测 报警等 与以p c 为核心的虚拟仪器相比 网络化将对虚拟仪器的发展产生 次革命 网络 化虚拟仪器是仪器发展史上的又一次革命 网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的三 大功能 数据获取 数据分析及图形化显示 分丌处理 分别使用独立的基本硬件模块 实现 以通讯连接的方式 实现信息资源的共享 1 3 现代测试系统设计思想 与传统的测量仪器相比 现代检测系统在功能上更复杂 系统规模更大 智能化程 度越来越商 因此在设计方法上应摆脱传统的模式 以适应f f 益发展的工业自动化要求 1 3 1 目前计算机测试与控制系统所面临的挑战 在科学技术飞速发展的今天 计算机检测系统面临着许多挑战 其中有三个突出的 问题 d 一 华中科技大学硕士学位论文 1 产品更新换代快 l s i 和v l s i 正以空前的速度发展 且微型计算机的性能价格 比持续地大幅提高 这就使产品更新换代时间不断缩短 一般情况下 检测系统都是为 某个特定任务而设计的 因而 在设计阶段还是比较先进的方案 可能刚刚投入使用却 已成落后的设备 将面临淘汰的危险 另一方面 随着集成器件极大地缩小尺寸 极大 地降低成本 提高性能和可靠性 一片或几片v l s i 就能集成营日一个庞大的系统 可 见 微电子技术的发展又提供了新的技术机会和发展前景 所以 设计系统时 既要避 免很快过时 又要提供不断容纳新技术的可能性 是既立足现在 又面向未来 2 市场竞争日趋激烈 高新技术产品的市场竞争十分激烈 除产品性能和质量外 还有成本 设计周期这两个因素同时也影响着产品的成功和市场 3 如何满足不同层次和不断变化的需求 测控系统对具体用户来说 其配罱干变 灯化 很少完全相同 而且市场需求结构中客观上要求高 中 低三个层次 另外 还 经常会遇到用户中途改变要求的情况 因此 如何满足用户不同层次的需求 覆盖各具 体用户的配置要求 是设计中的一项难题 1 3 2 丌放式系统的设计思想 针对上述问题 近年来在电子工业和计算机工业推行一种不同于传统设计思想的所 谓 开放系统 的设计思想 开放系统是指 向未来的v l s i 开放 既从当前实际出发 又留有容纳未来新技术 更新的余地 向系统的不同配置档次开放 兼顾设计周期和产品设计 向用户不断变化 的特殊要求丌放 在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等 l 丌放系统的设计思想主要从下列方面着手 n 向未来的v l s i 开放 由于硬 软件接口均遵循国际标准 只需作少量的重新 设计和调整 新一代v l s i 就可能被现有系统所采纳 吸收 兼容 这样的系统就不致 因技术的飞速发展而被淘汰 f 2 向不同的用户层次丌放 能灵活地采用不同配套层次 即以尽可能完整的形式 或采粥半成品来开放其设计 以满足不屙层次用户的实际需求 f 3 向用户的特殊要求开放 通过大量的硬 软件模块的设计和生产 可供大量的 组件并能以各种组合来搭建其应用系统 既可满足一般和基本的要求 又能满足特殊的 应用要求 能使实际应用系统的设计变得简单 可靠和灵活 1 3 3 丌放式系统的设计方法 开放式系统设计的具体方法是 基于国际上流行的工业标准总线结构 针对不同用 户系统要求 选用相应的功能模块组合成最终用户的应用系统 丌放式体系结构和总线技术的发展 导致工业测控系统采用组合化设计方法的流 一 5 华中科技大学硕士学位论文 行 即针对不同的应用系统要求 选用现有的成熟硬件和软件模板进行组合 组合化设 讨的基础是模块化 又称积木化 硬软件产品的模块化是实现最佳系统设计的关键 其优点是 1 将系统划分成若干硬软件功能模块 由专门的机构根据积累的经验尽可能完善 地设计 用这些现成的功能模块可以迅速配套成各种用途的应用系统 简化设计并缩短 设计周期 2 结构灵活 便于扩充和更新 使系统的适应性增强 在使用中可根据需要通过 更换一些模板或进行局部结构改装以满足不断变化的特殊要求 3 维修方便快捷 模板大量采用l s i 和v l s i 芯片 在故障出现时 只需更换i c 砗片或功能模板 停机修理时间可以降低到最低限度 4 功能模板可以组织批量生产 使质量稳定并降低成本 此外 组合化设计方法中还应注意层次化问题 通常分为三层 基础层 这一层 指系统设计者组合应用系统时可以选用的系统总线硬件模板和软件 最终系统的先进性 应从基础层入手 系统层 这一层应考虑被选用的硬件和软件是否兼容 是否配套 是否完整 即是否能构成完善的系统 应用层 这一层次解决测控系统与工业对象的 接口关系 及如何与工业对象的工艺过程相结合等问题 重点是应用软件问题 1 4 张力控制发展概况 1 4 1 张力控制的重要性 生产过程中对一些重要参数实时的进行测量 控制和调节是直接影响产品质量和生 产进程证常运行的关键因素 张力控制就是现代工业中广泛应用的控制系统之一 在卷 材的生产加工过程中 有卷进卷出等有关操作工序 此时卷筒的直径是不断变化的 直 径的变化必将引起卷材张力的变化 张力过大 会导致卷材过紧 引起拉伸变形或断裂 张力过小 卷材则会起皱 松弛或跑偏 当张力波动很大而不能有效控制时 还将危及 设备的安全运转 其后果不堪设想 因而在卷取过程中 为了使产品的质量稳定 有效 的保护设备正常运行 就需要按指定规律调节张力的大小 生产中一般是通过控制卷绕 轴的转矩来控制卷绕物的张力 1 4 2 张力控制技术概述 在卷绕生产工艺中 对卷栩张力进行人工或自动的调整 使张力变化可以得到有效 控制的装胃称为张力控制器 为了保证产品质量 提高生产率 卷取设备必须配置性能 可靠的张力控制器 随着技术的不断发展 张力控制器至今经历了三个发展阶段 即机 械型 电控型和微机型张力控制器 1 7 1 8 6 华中科技大学硕士学位论文 1 机械型张力控制器 机械型张力控制器是通过机械结构来实现张力控制 利用 的是力平衡式自补偿原理 其主要特点是结构简单 制造容易 但张力值不能自动设置 而且控制精度低 只能用于卷出操作 2 电控型张力控制器 自7 0 年代后 出现了电控型张力控制器 其结构原理如图 12 所示 这类张力控制器通常使用应变传感器实h j 检测卷材张力 然后反馈给控制器 控制器是电子元器件组成的模拟电子系统 控制器将外部张力设定值与反馈值比较 校正后 输出控制信号 经 放大后驱动卷辊或电磁离合 器 使张力保持在一定范围 内 这类控制器在卷取和回 卷工序中都能使用 可自动 凋节张力 控制精度比机械 式张力控制器有所提高 但 由于外界环境对模拟电路的 干扰 张力容易产生波动 张力传感器 图1 2 电控式张力控制结构原理图 张力控制器 3 微机型张力控制器 随着电子技术的飞速发展 高性能价格比的微处理器的出 现 使微机型张力控制器达到了实用阶段 微处理器成为控制系统的核心 减少了电子 控制系统的大量硬件电路 使系统大大简化 可靠性更高 同时也为使用各种先进的控 制方法提供了前提条件 微机型张力控制器既可单独工作 又可与主机连接通信 而且 张力可以被记录 显示和自动设定 因而这种控制方式得到了广泛应用 1 5 本文主要的研究工作 1 5 1 课题的研究方法 由于在实验室无法建立设备的现场使用环境 所以只有在统计设备各种工作情况的 基础上 根据使用经验对设备的工程模型加以分解和恰当的简化 再进行模拟试验 系统的设计是针列设备使用工况中关键的物理量 即张力的变化规律 对设备的线 缆和收放装置进行一定速度下的额定加载 极限加载 在加载运行过程中 对线缆张力 和速度进行检测 同时与所要求的运动特征模块进行对比 建立张力反馈环 使载荷按 不同速度下的线性规律均匀变化 通过试验可获取设备在承受不同牵引力时表征状态的 多种物理量 再刘采集数据进行综合分析 从而获得与实际使用情况较为接近的试验方 法 将设备的使用速度分级 再按同一速度下张力与释放缆长的近似正比关系柬建立加 载系统正是本项目的基本切入点 7 鞫填 i 多 一 个一一 辊 厂 也 华中科技大学硕士学位论文 1 5 2 研究内容 虚拟仪器的设计思想对多参量的测试技术向速度化 智能化 集成化方向的发展 提供了有效的途径和方法 但是 纵观国内外张力控制技术的研究发展状况 目前采用 虚拟仪器作为测控平台 并对测控系统的开发过程进行较为全面分析的文献并不多见 因此 本文对张力测控系统采用虚拟仪器技术进行了一次有效的尝试 针对系统的基本 结构 软硬件平台的组建及应用程序的丌发进行探讨 通过软 硬件技术组合 实现了 多路多种类型信号的采集 分析处理与管理储存 充分发挥了虚拟仪器的优势 8 一 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体方案构建 列于不同行业和不同的产品 对张力控制的要求不尽相同 因此 不同对象的张力 控制 虽然在原理和产品要求上有许多相似之处 但对于具体的控制对象 亦有较强的 针对性 本课题中的张力变化规律就有其特殊性 幽此也对设计的控制系统提出了特殊 的要求 2 1 系统动作分析 为了更加真实地模拟被测设备的现场工作状况 关键是要建立设备运行时线缆所受 的牵引力 由于线缆以最大速度运行时张力超过4 0 0 0 n 所以必须组建一套加载跟随系 统 其作用是在被测设备释放线缆时 以逐渐增大的张力牵引并存贮被释放出来的线缆 而在被测设备回收线缆时 则以逐渐减小的张力释放线缆 通过对被测设备运动过程的分析 得出对加载系统的要求 1 被测设备收放线时 加载系统的运转能始终与线缆速度保持同步 当被测设备放 线时 线缆速度为一恒定值 卷取机卷进的角速度随着卷绕半径的增大而减小 被测设 备收线时 线速度阶跃变化 使卷取机的角速度增大 2 加载机构在跟踪被测设备运动的同时 能使线缆上张力的大小按线性规律逐渐增 大或减小 被测设备以某一速度动作时 控制张力始终与卷绕线长成正比 即f k l 速度越高 比例k 值越大 3 加载机构牵引线缆运动时 牵引张力的起始值大小可以分级设定 并与卷绕线长 保持对应关系 且能自动或按要求进行调整 4 1 为使线缆在卷取机上排列整齐有序 设置了独立排线机构跟随线缆的位置和速度 动作 5 系统具有可扩展性 当线缆的直径变化或由多种不同直径线型组成n l 加载系统仍 能按动作要求运行 2 2 控制方案的确定 2 2 1 现有张力控制方法 张力系统的控制方法按照不同的工艺要求 可分为间接张力控制和直接张力控制 前者通过控制维持张力恒定的传动系统的电参数实现张力控制 一般采用最大力矩控制 或恒功率控制等方式 1 9 2 0 为了保证控制的精度 通常采用卷辊半径跟随臂机构 跟随 华中科技大学硕士学位论文 臂机构使用机械连卡1 加精密电位器实时反馈卷辊半径的变化 张力控制程序根据半径变 化做出相应的补偿 另外 还可以使用光电或红外线等非接触性传感器作为卷辊半径测 量和反馈器件 这种方式适用于一般要求不高的场合 可简单实现一般张力控制要求 直接张力控制是采用微处理器为控制核心 实现要求的控制算法 硬件采用张力传 感器构成张力的反馈以实现闭环控制 适用于高精度 高速度的张力控制场台 2 1 2 2 闭 环系统中张力值的检测 通常采用力传感器形式 其中最常见的是应变式力传感器 它 具有响应速度快 精度高及位移量小等特点 根据上述两种控制理论 目前已有相当多的应用实例 但通观它们都是针对恒张力 或恒力矩特性 以及在纺织生产巾采用的锥张力拧f i 0 内紧外松 山于小系统巾的张 力和速度各有其特点 显然 这些控制方法不能同时满足张力和速度变化的动作要求 必须寻求新的控制实现方法 2 2 2 控制方案的提出及组成 1 张力执行元件 p i 前 张力控制系统中张力执行元件主要有电动机 磁粉离合器和电流变流阻尼器 e r 阻尼器 三种 一般卷绕电机的特性是恒功率运转 通过对电机的控制来实现张 力恒定的运动要求比较容易 但加载系统的工作中除张力有连续不断的增减变化外 速 度还有阶跃变化等要求 因此单靠电机较难实现动作规律的模拟 e r 阻尼器是在某种基础液中悬浮有极小的颗粒 当外加电场时 颗粒被极化而形 成颗粒链 阻止切向流动 使流体的粘度 弹性和塑性发生变化从而产生阻力矩 e r 阻尼器可以实现较大的阻尼力矩 但其无回卷能力 且对电源要求很高 最高输出i l l 压 达上千伏 甚至几千伏 要求电源稳定 4 i 能有明显波动 这些使e r 阻尼器在实际中 的应用受到限制i l7 1 磁粉离合器是以磁粉作为力的传递介质 通过控制其激磁电流来调整磁粉的磁化程 度 从而精确调控输出力矩大小 2 3 1 它最大的优点是输出力矩可线性控制 而且力矩大 小与输入输出轴的转差速度无关 很符合加载系统的控制要求 另外 选择了磁粉离合器作为施力元件后 就可用异步电机作为原动机 其速度的 控制只要保证离合器的输入与输出轴之问的滑差转速不超过允许滑差功率 出于加载系 统运转速度不商但要求有大的输出转矩 所以要求电机能够长时间运行于低速或堵转状 态 2 加载方式 由于线缆州刻处于运动过程中 而且要求张力按规律变化 因此 加载机构张力控 制系统要求在动态 尤其是加 减速过程中也能有效地控制张力 这就要求系统能够补 1 0 华中科技大学硕士学位论文 偿出于加 减速及摩擦所产生的动态力矩 一般加载方式有固定载荷和变载荷两种 固定载荷实现起来较简单 通过设备自带的控制器就能进行 可以做平均载荷和极 限载荷等一些测试项 但不能反映被测设备承载时的工况 变载方式实施起来相对复杂 目的是较真实地模拟设备在1 4 m s 速度下线缆在释 放及回收过程中载荷随长度变化而相应变化的情况 变载方式可分为手控变载 开环自 动变载和闭环自动变载三种方式 a 手控变载方式是由人根据仪器显示值 人为调节施控组件实施变载 操作起来 比较麻烦 需要随时监控 测量结果有随机性 缺乏自适应性 b 开环自动变载是把事先拟订的变载规律写入控制器 直接控制动作组件 同时 由人根据仪器显示值选定初值 然后按规律自动进行下去 c 闭环自动变载方式是将事先拟订的变载规律适时地与实测值进行比较 用纠偏 信号调整施控组件 使设备能自动反复地做周期性运行 根据以上比较 设计方案选用闭环变加载方式 兼备应急手控形式 对于异步电机的控制 目前变频调速技术已相当成熟 已经成为最主要的调速方式 在很多领域都得到了 泛的应用 而且随着一些新的电机调速理论 如 矢量控制和直 接转矩控制 和现代电力电子技术以及高效的处理器等相关技术的发展 将在很长一段 时州内主导电气传动领域 并向更高性能 更大容量及智能化方向发展1 2 出以上分析 加载系统拟采用变频调速和张力自适应的控制方式 以电机为动力源 以磁粉离合器为施力元件 充分利用离合器输出转矩与滑差转速无关的优良特性 大大 地降低了控制的复杂度 系统的基本框图如图2 1 所示 图2 1 系统的基本组成框图 加载系统中异步电机和磁粉离合器是两个关键动作器件 要分别对其进行实时控 制 张力的闭环控制是通过检测实际张力值与由线缆卷绕长度换算出的理论值 经过张 华中科技大学硕士学位论文 力控制器相比较后重新调整离合器的激磁电流大小 从而改变其输出转矩实现的 同时 电觎的速度控制保证了离合器处于安全运行状况 72 2 3 系统各部分介绍 系统利用异步电机能堵转运行的恒转矩特性和磁粉离合器与转速无关的转矩控制 特性 以速度闭环和转矩控制闭环的双闭环控制方式 在电机无须换向的情况下 实现 加载机构与被测设备之间的同步运行 并按指令要求的模拟张力基准量实现实时变化的 张力加载 系统共分为六个部分 加载动力台 卷取机构 独立排线机构 张力检测机 构 加载控制系统 被测设备及辅助装置 1 加载动力台组成及功能 加载动力台由异步电机 磁粉离合器 减速机 转矩转速测量仪和各级联轴器等部 件组成 用于对加载卷取机提供受控转矩 其工作方式和功能如下 通过变频器对电机的启 停和速度调整实旋控制 通过联轴器带动磁粉离合器运转 磁粉离合器按其激磁线圈的电流大小输出相应的转矩 离合器的输出转矩和转速由转矩转速测量仪检出并传给加载控制系统加以记录和 作为施控依据 转矩转速测量仪输出轴通过联轴器带动减速器输入轴运转 减速器以l 2 9 的速比运转 并以2 9 倍的放大量传递工作转矩至卷取机构 2 卷取机功能 卷取机将被测设备线缆组件的自由端锁定在机体上 按被测设备收放线缆组件的不 同状态 牵引和存贮所释放的线缆组件 实现同步和加载 3 独立排线机构 排线机构由螺杆 滑块和步进电机组成 电机由其驱动系统独立控制 用行程开关 实现排线换向 并由加载控制系统使之与卷取机的运转同步 以实现线缆在卷取机上的 整齐排列 4 张力检测机构 张力检测机构是进行实时张力检测的关键器件 由于线缆张力变化范围大 这就要 求检测器件响应速度快 动态特性好 测量范围广 对线缆不产生破坏性的影响 5 加载控制系统的功能 a 引入虚拟仪器技术 完成工控及各种仪表接口 利用计算机强大的功能实现加 载机构和被测设备的运行和联动控制 列相关试验资料进行实时监测 存储和处理 b 建立数据库 存贮测试中反映运动和受力特性的数据参量和试验中获得的各种 1 2 华中科技大学硕士学位论文 物理量的信息 以图表和数字形式方便的提取和调用 c 为远程监控打下基础 d 有充分的扩展余地 6 被测设备及辅助装置 被测设备包括被测的收放装置及线缆 辅助装置包括液压动力站 安装基座和线缆 的输送导管等 用于与被测设备接口 2 3 关键器件的技术性能 2 3 i 磁粉离合器 加载首选设备是磁粉离合器 该设备的力矩大小能线性调控 控制方式简单 准确 迅速 被测设备收缆时 只需要磁粉离合器以制动方式提供阻尼力矩 被测设备放缆时 电动机驱动磁粉离合器 使离合器与被测设备动作同步 同时产生所需大小的牵线力矩 1 磁粉离合器的工作原理 磁粉离合器是近二十年发展起来并得到迅速推广和应用的一种多用途的自动控制 元件 随着技术的不断更新 以及磁粉材料和制备技术的不断提高 使它在纺织 印刷 轧钢 线缆生产等方面获得了越来越广泛的应用 磁粉离合器具有的独特特性 可以改 善传动系统的性能 扩大传动系统的使用范围 躅2 2 表示线圈静止型磁粉离合器的工作原理 主要是由内装线圈的磁系统及的主 动件 输入端 与从动件 输出端 构成 2 4 粥 在主从动件的工作间隙里充填有导磁率 高 酬热性好的磁粉 当主动体旋转 激励线圈中无控制电流刚 工作缝隙和储粉腔中 的磁粉在离心力作用下被压附在主动转子内壁上 主从动转子处于脱离状态 从动转子 不转动 无转矩输出 当线圈两端加上激磁电流后 就形成经主动件 工作间隙 从动 转子的闭合磁通 磁粉被磁化形成磁粉 链 二 j 动件向某一方向旋转时 靠磁链 剪力及主从动件和磁粉之间的摩擦力 把转矩从主动件耦合到从动转子 磁粉 离合器所能传递的转矩由磁粉链的剪 切强度决定 而剪切强度又随磁场强度 的增加而增大 直到磁饱和为止 图2 2 磁耪篙合器的结构示意图 主动轴 由此可见 磁粉离合器在一定的激磁电流下所能传递的力矩是一定的 可以通过改 变激磁线圈中的电流束改变磁场的强度 使磁粉之间的剪切力发生变化从而调节输出扭 矩火小 华中科技大学硕士学位论文 2 磁粉离合器工作状态 磁粉离合器具有三种工作状态 a 当激磁电流足够大时 从动件与主动件转速相同 处于 同步 工作状态 b 离合器仍能传递扭矩 但从动件转速低于主动件转速 离合器处于常规渭 差工 作状态 c 离合器所能传递的力矩小于负载力矩 且从动件转速和转向与主动件不相同时 离合器处于非常规滑差工作状态 而当从动件转速为零时 呈制动状态 3 磁粉离合器工作特性 磁粉离合器所传递的转矩与激磁电流成正比 这一优异特性使之在自动化程度不 断提高的工业生产中得到越来越广泛的应用 在实际生产中常常作为控制元件使用 已 成功地用于大惯量负载缓冲起动系统 无级调速系统及张力控制系统中 本节主要论述 离合器的以下三大特性 2 5 粕 a 转矩一激磁电流特性 转矩与激磁电流的关系 即磁粉离合器的静特性曲线 是指主动侧转速为常数 从 动侧被制动时 激磁电流与转矩之间的关系 如图2 3 所示 从曲线图可以看出该特性 大体分为三段 弱激磁非线性段 线性段及 强激磁饱和段 在弱激磁和强激磁两区段里 转矩与电流呈现非线性关系 在线性段中离 合器所能传递的转矩随激磁电流成比例的增 加 磁粉离合器的线性段较宽 所以在控制 系统中控制转矩比较精确 弱激磁产生非线 性的原因是由于导磁体磁化曲线的初始段是 非线性的 故电磁吸引力与激磁电流问呈非 线性 强激磁饱和段产生非线性现象的原因 是导磁体中磁通饱和的影响 另外 电流切 断后还有微小的剩余转矩 这是由磁性材料 的剩磁造成的 b 1 转矩一滑差转速特性 f 电旒 图2 3 转矩对丰电流的特性曲线 出图2 4 可看出 在某一激磁电流下 转矩与滑差转速基本无关 这是磁粉离合器 独特的优点 因为传递的转矩不仅有磁粉和工作面之间的结合力 而且还有磁粉相互问 的连结力 产生的滑差转矩与剪切速度无关 显示出静转矩与动转矩几乎没有差别的 恒 转矩性 由以上分析知 磁粉离合器具有在滑差状态下仍能输出恒转矩的特点 因此 1 4 华中科技大学硕士学位论文 只需控制其激磁电流 便能有效地控制输出 转矩 但在低速旋转时 因为磁粉分布不均 脚 匀 而高速旋转时又受离心力的影响 这些 善 都影响到输出转矩的稳定性 另外 选用离 合器作为张力执行元件时 如将原动机一直 处于反转状态 当线缆张力过小时 还能及也枷 时提供回卷力 荫 c 1 转矩响应特性 激磁线圈在外加电压后其转矩的上升情 况以及断电后其转矩的衰减情况如图2 5 所 示 转矩的上升或衰减都出现时间滞后 其 原因有以下三点 由于存在线圈电感而造成电压一电流 州的滞后 由于涡流而造成电流 磁通间的磁滞 由于磁粉移动而造成磁通一转矩问的 机械滞后 因此 在激磁电流上升时 转矩经无响应 列问t d 后才开始上升 最后达到i o o 将转 矩达到6 3 所需时间叫做上升时间常数 用t 表示 同样 转矩衰减时 把转矩衰减到3 7 o 譬 妻 蕃 钓 6 0 咖 w 帕 2 0 镀 啪痨颤固 如 l f 图2 4 转矩一滑差特性 图2 5 电流釉转矩的上升 衰减过程 的时间u q 做衰减时问常数 用t 表示 上述这两者统称转矩时间常数 其值越小越好 4 磁粉离合器的数学模型 磁粉离合器的磁通增长速度取决于激磁线圈的电感量 是一阶惯性环节 故传递函 数为 g s 百竺 可 但是磁通建立后 磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链有 n o 十j 一个延时过程 而且线缆由于本身的伸展性也会延迟张力的建立 这使磁粉离合器还带 r 有滞后的特性 因此 磁粉离合器的传递函数应为 g s 产i 告e 一 足 是磁粉离台 10 011 器增益 t 是离合器的滞后时间 t o 是时间常数 5 使用离合器的注意事项 根据磁粉离合器的选型原则 2 7 1 必须保证 1 5 华中科技大学硕士学位论文 a 所选离合器的额定转矩必须大于计算的负载最大转矩 b 实际工作转速不得大于磁粉离合器的极限转速 c 磁粉离合器处于连续滑差运行时 其计算滑差功率不得大于允i f i 滑差功率 另外 当离合器长时间处f 滑差运转状态时 损失功率变成热能 使机壳温度升高 主从转差越大 发热越严重 离合器的发热 给离合器的运行