基于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的液壓式測力機(jī)伺服控制

基于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的液壓式測力機(jī)伺服控制

本文介紹了嵌入式動力提升裝置的配置控制。該控制器采用PC104嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，控制算法為比例積分（PI）算法。測力活塞位移、系統(tǒng)壓力、砝碼狀態(tài)信號輸入到控制器后，控制器得到了更多的系統(tǒng)信息。在應(yīng)用軟件中操作者可以方便地調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)智能化的伺服控制，改善控制系統(tǒng)的性能。一、操作系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)是一種專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建以具體的應(yīng)用為中心，其針對性較強，具有體積小、功能強、成本低等特點，越來越多地被應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)。它與計算機(jī)系統(tǒng)最本質(zhì)的區(qū)別在于將微型操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件嵌入到ROM、RAM或FLASH存儲器中，而不是存儲于磁盤等載體中。PC104是一種專門為嵌入式系統(tǒng)而定義的工業(yè)控制總線，實質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P96，其信號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，主要具有以下特點：1.小體積結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是（96×90)mm。2.堆棧連接去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，這種層疊封裝有極好的抗震性。3嵌入式輔助控制系統(tǒng)的研究減少了元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊能耗為（1～2)W。目前，PC104嵌入式系統(tǒng)已被較多地應(yīng)用到試驗機(jī)自動控制系統(tǒng)中，但在國內(nèi)還沒有在液壓式測力機(jī)伺服控制系統(tǒng)中采用。從嵌入式系統(tǒng)的特點和在試驗機(jī)上的應(yīng)用情況看，將其應(yīng)用到液壓式測力機(jī)上，不僅可以滿足測力機(jī)力的加卸控制的各項要求，還將提高控制系統(tǒng)的自動化程度，改善控制性能。二、應(yīng)用程序基于PC104嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的伺服控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主機(jī)板通過PC104總線對模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和開關(guān)量輸入卡進(jìn)行操作，使得模擬量輸入信號、開關(guān)量輸入信號和手調(diào)電位器信號能夠正確地被應(yīng)用程序接收；同時，應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)字信號能夠正確地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量（電流）信號輸出，驅(qū)動伺服閥，伺服放大器前面板上的模擬指針式表頭能夠正確指示出測力活塞位移、伺服閥電流。伺服控制器中的接口卡均采用PC104系列采集卡。該系列采集卡采用精密運算放大器及高速光電耦合器，具有準(zhǔn)確度高、速度快、量程多、功耗低的特點，完全能夠滿足液壓式測力機(jī)伺服控制系統(tǒng)的要求。其中主要的幾塊接口卡為：16位32路光電隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，模擬電壓的測量準(zhǔn)確度為0.01%，輸入量程為±5V;16位4路光電隔離數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，模擬電流的控制準(zhǔn)確度為0.01%，輸出量程為±20mA;32路光電隔離開關(guān)量輸入卡，共地方式輸入。三、位移pi的在線給力本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是在LabVIEW7Express環(huán)境下開發(fā)的，主要由PI控制模塊、信號輸入模塊、信號輸出模塊等組成。PI控制模塊是應(yīng)用軟件的主要部分，分為位移PI和壓力PI兩個模塊。這兩個模塊中均采用了Control函數(shù)模板中的PID.vi。位移PI的給定值為測力活塞平衡位置對應(yīng)的位移傳感器電壓輸出值。壓力PI的給定值為與預(yù)置砝碼值對應(yīng)的壓力值。在倒換砝碼的過程（即在加載過程中，先加一塊大砝碼，再減幾塊小砝碼或在卸載過程中，先加幾塊小砝碼，再減一塊大砝碼）中，采用壓力PI控制，使系統(tǒng)壓力不超過設(shè)定值。當(dāng)?shù)箵Q砝碼完成后，采用位移PI控制，使系統(tǒng)能夠自動跟蹤位移給定信號，最終在工作端產(chǎn)生穩(wěn)定的力值。在信號輸入、信號輸出模塊中，砝碼狀態(tài)信號通過Advanced子模板中的InPort.vi輸入系統(tǒng)。位移信號采集子VI、壓力信號采集子VI和控制信號輸出子VI，都采用函數(shù)模板中Advanced子模板提供的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點（CallingLibraryFunctionNode）方式，調(diào)用輸入、輸出函數(shù)。在模擬量輸入函數(shù)中，采用中位值濾波法和算術(shù)平均值濾波法相結(jié)合的算法。四、力值波動度試驗這種基于PC104嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的伺服控制器已在中國計量科學(xué)研究院5MN測力機(jī)上進(jìn)行了參數(shù)整定和一系列試驗?？刂破鱌I參數(shù)的整定采用工程整定法中的經(jīng)驗試湊法。這種方法是通過系統(tǒng)閉環(huán)運行觀察其響應(yīng)，然后根據(jù)PI參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，直至取得滿意結(jié)果。經(jīng)過多次試驗，得到了適合于5MN測力機(jī)伺服控制系統(tǒng)的一組PI參數(shù)：Kp=1.2;Ti=100min（壓力閉環(huán)）式中：Kp———比例增益；Ti———積分時間常數(shù)。在測力機(jī)的設(shè)計與使用過程中，始終存在著如何用有限的砝碼獲得盡可能多的載荷級數(shù)的問題，因此常常需要倒換砝碼。當(dāng)伺服控制系統(tǒng)采用模擬控制器（以下簡稱“原系統(tǒng)”）時，由于僅有位移單閉環(huán)控制，如果不采用手動方式控制力的加卸，在工作端將出現(xiàn)力值先增加再減少的情況。而采用基于PC104嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的伺服控制器（以下簡稱“新系統(tǒng)”），由于可以對系統(tǒng)壓力進(jìn)行自動控制，避免了以上不合理的加卸載情況，可以確保實時力值單調(diào)增加（加載時）或減?。ㄐ遁d時）。以測力機(jī)在（500～800)kN倒換砝碼時的加載過程為例，圖2和圖3分別為原系統(tǒng)（不加手動控制）和新系統(tǒng)的加載曲線。力值波動度是衡量液壓式測力機(jī)伺服控制系統(tǒng)的一個主要性能指標(biāo)，常用力值相對偏差來表示。在力值穩(wěn)定后,以5s的采樣周期連續(xù)采集力傳感器的輸出，共采集60個數(shù)據(jù)（5min）。力值相對偏差的計算公式為：式中：xi———力傳感器的輸出值；x———力傳感器輸出的平均值。分別在100kN、1MN、2MN、5MN這4個載荷點，采用高精度力傳感器及配套的精密數(shù)字測量儀，在相同條件下對原系統(tǒng)、新系統(tǒng)分別進(jìn)行力值波動度試驗。試驗結(jié)果表明：在以上4個載荷點，新系統(tǒng)力值相對偏差的絕對值均在0.03%以內(nèi)，和原系統(tǒng)基本上處于同一數(shù)量級，個別點的波動小于原系統(tǒng)。在常用載荷點的性能試驗表明：新系統(tǒng)的超調(diào)小于5%，加卸載速率和靜差等指標(biāo)均完全滿足測力機(jī)控制的要求。五、擬伺服控制器通過一系列研究和試驗表明：這種嵌入式伺服控制器可以替代手動方式或模擬伺服控制器，用于對液壓式測力機(jī)力的加卸進(jìn)行控制。同時，這項研究為今后國內(nèi)液壓式測力機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的改造提供了一條新的思路。Kp=0.4～0.5;Ti=(10～200)min%%(位移閉環(huán))測量補償操作模式分析目前,