【毕业学位论文】橡胶支座试验机测控系统的研究与开发-控制科学与工程

分类号 密级 U D C 编号 中南大学 士学位论文 论文题目 橡胶支座试验机测控系统的研究与开发 学科、专业 控制科学与工程 研究生姓名 黄 灯 导师姓名 桂卫华 教授 I 摘 要 橡胶支座是现代公路桥梁建设的常用构件， 其力学性能直接影响公路桥梁工程质量以及使用寿命， 因此公路桥梁橡胶支座的各项基本力学性能的检测是保证其质量的极其重要环节。目前，对橡胶支座的力学性能的检测主要是通过试验机进行压剪试验， 模拟橡胶支座的真实受力情形而完成的， 而橡胶支座试验机测控系统是实现对其力学性能检测的关键设备。 介绍了材料试验机测控系统的发展概况和面临的问题， 分析了橡胶支座试验机的系统结构和工作原理，提出了 其测控系统的功能需求；在深入研究试验机工艺流程的基础上，设计了橡胶支座试验机测控系统的总体方案，采用 现了测控系统的硬件电路，并详细介绍了关键部分的设计方法；阐述了测控系统的分模块软件开发，并介绍控制算法的实现。针对橡胶支座试验机电液伺服压力系统的非线性和参数时变性，提出用变论域模 糊控制的方法来整定制单元的 数以提高测控系统的压力控制精度； 采用论域收缩方法、二元函数分片双一次插值技术，解决了一般 数自调整方法易陷入对某一工作点的局部优化的问题， 保证了系统控制参数的全局最优性，并实现了试验机加载与保压的高精度控制。 通过现场试验， 比较了常规模糊 制与变论域插值模糊 验结果表明，文中设 计的橡胶支座测控系统能保证系统的全局稳定性以及控制精度，能 有效的克服因液压油的温度及粘度变化等因素导致的颤振现象和加 载乏力的现象，并有效的将系统的压力加载超调控制在了 内。 关键词 橡胶支座试验机， 测控系统， 变论域， 加载， in so on of its a to is by is of of of of s it of is On of on of an of of is of is at of of an on of of to by of ID of of s on on II do a in of by of s of V 目录 第一章 绪论 .究背景及意义 .胶支座试验机测控系统的发展现状 .究内容及论文结构安排 .二章 橡胶支座试验机的系统组成及工作原理 .胶支座试验机的系统组成 . 主机结构 . 检测传感器 . 电液伺服系统 . 测控系统 .胶支座压剪试验 . 橡胶支座试验原理 . 橡胶支座试验方法及流程 .控系统的功能需求分析 .章小结 .三章 橡胶支座试验机测控系统的方案设计 .统总体设计方案 .量模块的设计方案 .制模块的设计方案 .机交互模块的设计 .章小结 .四章 橡胶支座试验机测控系统控制器的设计 .验机电液伺服控制系统特性分析 .糊 制算法 . 模糊控制算法原理 . 模糊 制算法原理 . 模糊 制的仿真分析 .论域插值模糊 法 . 变论域模糊推理 . 变论域伸缩因子 . 伸缩因子的在线插值计算 . 变论域插值模糊 制的设计 . 变论域插值模糊 制的仿真结果 .章小结 .五章 橡胶支座试验机测控系统的硬件实现 .控系统总体硬件结构 .小系统的设计 .样通道的电路设计 . 波放大电路 . A/D 转换电路 .制通道的电路设计 .他外围电路设计 .机测试 . 误差分析与抑制 . 硬件调试 .章小结 .六章 橡胶支座试验机测控系统功能实现与应用 .件总体结构设计 .要功能模块设计 . 系统初试化子程序 . 采样子程序 . 中断服务子程序 . 通信子程序 .制算法的实现 .验环境 .验结果 . 常规 制算法实验 . 模糊 制算法实验 . 插值变论域模糊 制算法实验 .本章小结 .论与展望 .考文献 . 谢 .读硕士学位期间主要的研究成果 .南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本课题来源于校企合作项目“橡胶支座试验机测控系统的研究” 。论文首先论述橡胶支座试验机测控系统的研究背景和研究意义， 分析国内外试验机测控系统的研究现状。然后，结合橡胶支座试验机的特点，研究了试验机液压伺服系统的控制方法，在此基础上提出基于变论域插值模糊 法的橡胶支座试验机测控系统设计方案，并着重研究橡胶支座试验机测控系统的 现。 究背景及意义 橡胶支座是一种经济、 实用、 使用寿命长且易于安装与维护的柔性支承装置，随着现代公路、桥梁等基础工程设施的不断发展，橡胶支座得到了越来越广泛的应用，逐渐成了连接桥梁梁体和墩台的重要结构部件，同时也被广泛应用于桥梁的隔震防震装置， 其力学性能的优劣直接影响了公路桥梁工程的品质和使用寿命1在橡胶支座的研究与生产环节中，橡胶支座力学性能的各项参数，无疑是材料科学研究机构进行研究分析的重要依据；当橡胶支座作为成品流入市场，应用于工程项目时，与其它材料一样，也讲求质量，它的力学性能的相关数据则是质量监督部门考察其产品是否合格的重要依据。在现代公路桥梁建设领域，橡胶支座作为一种重要的建筑材料， 提高和保证其品质已经成为许多国家日益重视的问题。 为了给科研机构提供准确可靠的试验数据， 以及保障橡胶支座成品的质量，在科研院所、生产厂家、质量检测等各个环节都需要对橡胶支座的力学性能进行尽可能准确的检测。 对橡胶支座的力学性能检测，判断其是否合乎国家规定的标准，主要是依靠试验机对其进行压剪试验，具体包括抗压弹性模量试验、抗剪弹性模量试验、抗剪粘结性能试验、抗剪老化试验、摩擦系数试验、转角试验以及极限抗压强度试验5，所以，通常又将该类试验机称为压剪试验机。试验结果数据的可靠性取决于测试人员的操作经验，试验设备的先进性以及试验手段的科学性。 原有的橡胶支座力学性能的检测以手动为主：人工加载控制、人工测读百分表以及人工完成最后的计算和最终报表等环节6。过多的人工参与必然会增加检测成本，降低效率，同时存在着诸多误差与不便，可能经常得到错误的或者虚假的数据，从而导致测试结果的可信度低。对产品质量的检测与研究，以及产品的销售都会造成很大的障碍； 甚至有少数盲目追求经济效益的生产厂家与执法不严的质量监督单位的质量检测部门随意修改测试数据和试验结果， 导致质量低劣的中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 产品流入市场。 这些问题都给公路桥梁的正常安全使用带来了直接的或者潜在的危害。 现代化的公路桥梁对包括橡胶支座在内的各种建筑材料的质量提出了更高的要求，迫切需要提出和推出更新的、更科学的橡胶支座力学性能的检测方法和更高的质量指标体系， 从而使传统的橡胶支座力学性能检测设备面临被淘汰的命运，开发和使用更新的高性能橡胶支座力学性能试验机成为必然。事实上，关于橡胶支座力学性能的检测已经得到了越来越多的材料科研机构、生产厂家、公路桥梁建设单位以及质量监管部门的关心， 而智能化检测是橡胶支座力学性能检测技术发展的新趋势。与此同时，计算机技术、信息处理技术、自动化技术、集成电路技术以及微电子技术的迅速发展， 为发展高性能的橡胶支座试验机提供了坚实的物质基础；众多成熟的智能控制理论如模糊控制、鲁棒控制、遗传算法、神经网络算法等也为橡胶支座试验机的发展提供了良好的理论环境。 这些条件都为材料试验机企业开发高性能的橡胶支座力学性能检测试验机及其测量控制系统提供了良好的机遇。 随着材料试验科学的高速发展和公路桥梁建筑科学的不断进步， 尤其是近几十年以来，现代化的铁路、高速公路桥梁的大量推广应用。在这样的背景和形势下，不断地向材料力学性能的检测提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、使用更方便、成本更低等。目前，材料试验行业已向计算机化、智能化、集成化的方向迅速发展，而且由于大量高新科学技术的研究成果，跨学科的综合设计，高精尖的制造技术与严格科学的实际应用，使它朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简洁地获取被分析、检测、控制对象全方位信息方向前进。 显然， 材料试验设备的高科技化， 日益成为材料试验科技与产业的发展主流。应运而生的桥梁橡胶支座试验机测控系统，是应用于 橡胶支座压剪试验机的高精度专业测控系统， 由于它与传统的压剪试验机测控系统相比存在稳定性高、 灵敏度高、 智能化程度高等优点， 在市场同类产品中的优势愈来愈明显。随着材料试验科学的发展，橡胶支座力学性能的准确测量变得越来越重要，国内外的橡胶支座研究机构、 生产厂家以及质量监督部门对高品质试验机测控设备的需求变得愈来愈强烈。 我国的材料试验机及其测控设备的发展较晚，虽已取得骄人的成绩，但与国外的先进水平相比还存在很大的差距。数字化、智能化和测控精度不高是普遍现象。长期以来，高性能的试验机及其测控设备基本上依赖进口，造成产品价格居高不下，迫切需要发展有我国自主知识产权的试验机及其测控设备。在这样的大环境下，我国的试验机企业组织起自己强有力的研发队伍，致力于智能化、高精度的橡胶支座力学性能试验机测控系统的开发， 必将具有重要的意义和美好的前中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 景。 胶支座试验机测控系统的发展现状 1. 材料试验机的发展 材料试验机是用来检测某种特定材料的力学性能的一种试验设备。 最早使用的材料试验机初期是机械式的。如英国早在 1880 年生产了杠杆重锤式材料试验机。 1908 年又生产了螺母、螺杆加载的万能试验机。这些试验机均能完成材料的拉伸、压缩、弯曲、扭转等试验。但结构复杂、体积庞大、操作繁琐，现均己被淘汰7。 约在 95 年前，瑞士的 发了液压万能试验机，它利用液压油的压力对试件加载，这种试验机操作方便、结构简单、体积紧凑，至今仍在生产使用，它能进行各种材料试验，但这种试验机对加载速度不能进行控制。五、六十年代主要以手动液压式试验机为主，但实际应用过程表明，不同的加载速度所测得测试结果也不同。随着电子技术、自动控制技术及液压技术的发展，国外开始出现具有自动控制功能的试验机， 如 1973 年日本津岛开发了全自动钢丝拉伸试验机，1976 年开发了自动钢板拉伸试验机系统 ,但是这些所谓的自动试验机并没有实现真正意义上的自动化 ,在材料的试验过程中仍然需要较多的人工操作与干预。 在液压万能机出现的同时，在原有双螺母、螺杆试验机的基础上还发展了电子式试验机。它用伺服电机控制，经减速器减速后驱动两根螺杆转动，相应的螺母使横梁移动，从而对装在横梁及底座上的试件施加作用力。这种试验机调速范围广、精度高，但由于伺服电机容量的限制，在大负载下工作较困难。 随着电液伺服技术、电液比例技术、微电子技术、计算机技术、现代控制技术等的飞速发展， 目前， 国内外各试验机生产厂家都在积极开发具有恒负载速率、恒位移速率、恒变形速率控制功能的试验机。国外较先进的试验机生产厂家有美国 国 士 国 日本津岛公司，他们都先后研制成功了各种电液伺服试验机。当时我国在这个应用领域还是空白，使用的电液伺服试验机都是从这些国家进口的。我国试验机厂家是在上世纪 70 年代初才开始研制电液伺服试验机，其中比较有代表性的有长春试验机研究所、长春试验机厂、红山试验机厂和济南试验机厂等。 2. 测控系统的发展与研究现状 早期的试验机比较简单，没有独立的测控系统，试验过程中的测量与控制都依靠手工完成，几乎没有电子设备的参与。 国内液压试验机从五十年末开始， 仿制并大批生产了德国申克公司的手动控制的 列液压万能试验机8。如国内各试验机厂生产的 列万能机、中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 列压力机。它采用手动控制系统，主要特点是手动加载、卸载，摆锤测力、度盘显示，如图 1示。由一小电机恒速带动一个沿圆周方向均匀分布若干个小圆点的转盘转动，由人操纵送油阀的手柄，控制节流阀的开口大小，使度盘上的力值指针跟踪某个园点， 以近似达到控制速率的过程， 它是一种开环控制系统。这种设备测量范围小，精度低，对变形及位移不能等速率控制，加上摆锤惯性误差的影响，国家己经开始逐步限制这类试验机进入市场。但由于这种试验机价格低廉、维护方便，目前，这两种试验机仍占市场的 50%以上。 为了提高测量精度，消除摆锤对测量精度的影响，一些试验机厂家采用电子测力以代替杠杆摆锤测力，用压力传感器或负荷传感器测量试件所受试验力，如图 1示。 如济南试验机厂生产的 0 型数显式液压万能试验机，0 型屏幕显示液压万能试验机，上海浦东高桥试验机厂生产的列万能试验机，上海华龙测试仪器厂生产的 列电液式压力试验机及 列电液式万能试验机，这类试验机只是在测力系统及数据显示、记录方面作了一定的改进，大多采用单片机系统作为数据采集、数据处理系统，在长期可靠性方面还存在不少问题，在控制系统方面仍无明显改进，仍采用手动控制试验过程，不能实现恒速率试验力、变形及位移加载9。 图 1动式液压万能试验机 图 1显式液压万能试验机 在这种试验条件下，多数试验机只能对试件的力学性能进行定性的检测，而无法完成定量的检测。直到上世纪 70 年代，随着电子技术的发展，国外才开始研制具有自动控制功能的试验机。 进入八十年代， 高档的液压万能试验机一般采用电液伺服控制系统或电液比例控制系统等速施加试验力，以传感器测力，以度盘显示或同时用步进电机带动的度盘显示，其中计算机不仅参与试验数据的实时显示、记录以及试验曲线的描绘，同时也参与整个试验过程。试验机测控系统开始从整个试验机中独立出来，中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 成为了一个专门的研究方向10 目前，国内外的试验标准都规定了试验时需在恒速率、恒负载速率或恒变形速率控制下进行试验。在这种情况下，原有的手动式液压万能试验机、液压压力试验机都面临更新换代的命运。 为了实现恒速率试验力加载、恒速率变形加载及恒速率位移加载，国内一些大的试验机厂家 (如济南试金集团、长春试验机研究所、上海华龙测试仪器厂等 )开始试制生产具有自动控制功能的试验机。 如国内最先进的长春试验机研究所生产的 列微机控制液压万能试验机，其测量范围可达 6 档，具有等速试验力、等速位移、等速变形及专门为金属拉伸试验设计的金属拉伸试验方式，但采用模拟放大器，继电器自动换档，不能实现各档之间的平滑切换，可靠性较差。上海华龙测试仪器厂生产的 列微机控制电液伺服万能试验机也具有应力、应变、位移控制方式，其测量范围只能等效于四档。同时，国内试验机厂也积极与国外著名试验机公司合作，联合开发自动控制液压万能机，如长春试验机厂引进德国申克公司制造技术和关键元器件生产的 列微机控制液压万能试验机， 济南试验机厂引进日本岛津技术开发 系列微机控制电液伺服万能试验机，上海华龙测试仪器厂引进德国 司技术生产的 列微机控制电液伺服万能试验机， 长春试验机研究所引进德国 司技术生产的列微机控制电子液压万能试 验机，这些试验机虽然能实现闭环控制，但存在各种控制方式不能灵活组合，控制性能难以适应材料刚度的变化，调试和使用复杂，适用范围不广等问题。 橡胶支座试验机要求向试件以各种方式加载高达 5000至 10000上的强大压力， 这就要求试验机输出的功率足够大。 电液伺服系统具有响应速度快，输出功率大，控制精度高等许多特点，因而电液伺服技术是各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段， 通常把包括压剪试验机在内的以电液伺服技术为技术手段的试验机统称为电液伺服试验机。 试验机测控系统是整个试验机设备的测量与控制中心。最初的材料试验，基本都依靠人工完成对数据的测量和对机器的控制与操作，自动化程度很小。后来出现了基于经典控制理论的模拟控制器，随着数字技术的发展，又出现了以美国的 司的 代表的模数混合控制器，这在很大程度上提高了控制器测量的准确度和控制的精度。近年来，集成技术和数字信号处理技术得到了很大的发展，全数字化高性能控制器不断涌现，最具代表性的有美国的司的 通道 些数字控制器具有灵活的多参量控制补偿功能，特别是对系统的非线性修正、改善控制特性方面，是传统的模拟控制系统所不能比拟的15。随着单片机技术和计算机技术的发展，国产测控系统正中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 开始向总线化、模块化的方向发展，并逐步提高计算机在系统中的控制比重。而国内的智能化高精度测控系统还在研制中，距离应用还有一段距离。 目前国内应用的橡胶支座试验机测控系统都是依赖进口，或在其他测控系统的基础上改建而成，很少有专门针对橡胶支座力学性能检测的专业测控系统。 3. 材料试验机测控系统面临的问题 现有的测控系统智能化程度低，运算速度不高，无法满足电液伺服控制系统响应速度快、控制精确、稳定可靠等要求。由于橡胶支座试验机压力控制系统是以液压伺服机构作为执行机构，然而油液的可压缩性、温度渐升特性以及试件刚性的时变性等因素的影响，使得整个压力控制系统呈现出很强的非线性特性。很难实现试验规程中所要求的自动平稳连续加载、卸载，常常会伴有冲击和颤动现象。 这一系列问题都急需借助成熟的数字控制理论研发新一代高性能的智能测控系统。 整个橡胶支座试验机技术的提高，必须依赖于机械、液压、自动控制和计算机等各技术领域的同步推进。要从基础抓起，逐步解决多通道、智能化，多自由度协调技术等关键技术环节。 单就橡胶支座试验机的测控系统而言， 它受试验机机械系统和液压系统本身性能的影响。由于整个系统是典型的非线性、时变复杂系统，在试验过程中，试件的刚性在不断的发生变化， 油液的不断升温也导致了液压系统的特性不断发生变化16，这些因素都给测控系统的研制带来了很大的障碍。由于测控系统的控制对象液压伺服系统具有精度高，响应快等优点，在测控系统中采用高速的数字处理芯片成为发展的趋势，在控制理论方面，常规的 制方法只能在系统的某个局部工作点获得较好的控制效果17，由于控制参数不能随系统特性的变化而实时调整，该控制方法很难满足系统稳定工作于所有工作点的需求。已经有学者将模糊自适应 制器用于液压万能试验机上18,19，取得了一些成果，但仍亟待一种更为切实可行的 制参数自调整方案用于该类较复杂的控制技术应用领域。本文在借鉴诸多文献以及工程实践的基础之上，尝试将变论域模糊控制理论与经典 制算法相结合，提高橡胶支座试验机测控精度和智能化程度，进行了大量的理论研究与实践。 究内容及论文结构安排 本论文大量查阅有关变论域模糊控制理论和 数自整定的文献，了解其发展的动态。 针对橡胶支座试验机电液伺服系统的非线性， 参数时变性等特性，设计了基于变论域插值模糊 测控系统， 并以 电液伺服压剪试验机为依托进行实验研究。同时，在 实现了该算法，使得控制系统的稳中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 态性能明显改善，有效的消除了试验过程中的冲击和颤动现象。 论文的主要内容安排如下： 第一章 “绪论” ，简要介绍了课题的研究背景及研究意义，概述了试验机及其测控系统的发展现状、存在的问题和相关的功能需求，阐述了提高橡胶支座试验机测控精度及其性能的具体思路， 进而提出了本论文研究工作的内容和论文结构安排。 第二章 “橡胶支座试验机系统组成与工作原理” ，介绍了包括主机结构、电液伺服系统和测控系统三大部分的橡胶支座试验机的系统组成。 深入介绍了橡胶支座试验机的工作原理、试验方法及流程，在此基础上提出了测控系统的功能需求。 第三章 “橡胶支座试验机测控系统的总体方案设计” ，本章从测控系统的功能需求出发，提出了系统总的设计方案，并分别确定了测量模块、控制模块和人机接口模块的开发方案。最后得出了测控系统的总体结构图。 第四章 “橡胶支座试验机测控系统的硬件实现” ，分析了橡胶支座试验机电液伺服控制系统的特性，指明了难以利用常规控制方法获得理想的控制效果，难以保证系统的全局稳定运行。以参数自整定 制算法为核心，引入变论域模糊推理思想，采用插值算法在线计算论域收缩因子，并对算法进行了仿真实验与比较，给出了部分关键程序模块的流程图。 第五章 “橡胶支座试验机测控系统的硬件实现” ，在简要介绍 小系统实现的基础上，分别详细地阐述了测控系统各个硬件设计，给出了关键技术的电路图。并对整机进行了必要的测试。 第六章 “橡胶支座试验机测控系统功能实现与应用” ，介绍了测控系统的软件实现。并针对前面的理论研究与分析，利用所研制的测控系统，在 对实验结果进行了详细的分析，验证了该测控系统的有效性和正确性。中南大学硕士学位论文 第二章 橡胶支座试验机的系统组成与工作原理 8 第二章 橡胶支座试验机的系统组成及工作原理 橡胶支座试验机主要是通过模拟橡胶支座的实际受力情况，检测其物理变化，从而得到它的力学性能。为了获得试验机测控系统的功能需求，有必要对橡胶支座试验机系统组成及其工作原理进行详细的介绍。 胶支座试验机的系统组成 橡胶支座试验机总体上分为主机、电液伺服系统、测控系统三大部分。其中主机主要起到支撑作用，为试验提供了一个平台；液压伺服系统是动力源；测控系统是检测与控制中心，同时负责数据的处理、存储等工作。 机结构 橡胶支座试验机需要完成压力试验、 剪切试验、 转角试验等三大类型的试验。根据试验机不同试验类型的不同需求，试验机的机械结构由竖向压力系统、水平推力系统、转角试验系统三大系统组成，如图 2示。 图 2胶支座试验机的主机结构 测传感器 橡胶支座试验机电液伺服系统使用的传感器主要有压力传感器和位移传感器等。 中南大学硕士学位论文 第二章 橡胶支座试验机的系统组成与工作原理 9 液压系统中使用的压力传感器种类比较多，主要有电容式、电感式、金属应变式以及电位计式压力传感器20,21 。各种传感器都有各 自的优缺点，但总体性能相差不大。 电容式以及电感式压力传感器一般用在零漂及抗干扰性能要求较高的化工行业，其动态响应较慢，价格也较高。液压系统中一般采用金属应变式传感器。但是金属应变式传感器的输出信号较弱，一般不超过