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国家基准机力值控制问题的研究与应用

沙树静  
【摘要】:力基准机是一个国家的力值计量和力值传递领域的最高标准的设备。力基准机是标准测力机的一种,用来检定负荷传感器的各项性能指标。同时力基准机是各种标准测力机中力值准确度最高的一种,它的各项性能指标决定了整个测力行业的准确度。它的性能对于国家的经济、军事、航空航天等领域具有重要意义。 测力机主要分为静重式测力机、杠杆式测力机、液压式测力机、叠加式测力机等几种类型。高力值准确度的大力值基准机一般都是静重式测力机或液压式测力机。在静重式测力机中,机械组成是其最重要的结构部分,但是任何设备的正常自动运行都离不开电气装置。静重式测力机的正常运行离不开测控系统,测控系统的运行性能直接影响静重式测力机的力值准确度。良好的测控系统的稳定运行也能有效保证测力机工作的可靠性。 针对1MN静重式测力机做了如下工作: 一、建立并分析基准测力机的力学模型和控制学模型 本文通过对力基准机的运动学模型和力学模型的分析,得出影响力基准机的力值准确度的主要机械因素是砝码的准确性。通过对控制系统的分析,得出力基准机的力值准确度的实现要由控制系统的高性能来实现。在力基准机的工作过程中,有多个工作过程是控制学上的难题,倒码过程中的力值保持就是其中之一。为了适应力基准机系统非线性,大滞后的特点,对设备工作的各个部分采取了不同的控制算法。为力基准机的控制系统设计了控制器,由此控制器作为系统的下位机直接控制设备各部件完成各种控制工作和信号检测工作,并且提供系统设备的全面快速的保护。 通过试验证明,力基准机的各工作环节满足负荷传感器的检定要求。控制 WP=70 效果达到了预定的目的,使力基准机的工作自动化和信号检测自动化程度得到实现和提高。并且本文提出的基准机倒码过程的控制方法可以在类似的设备上推广应用。 二、1MN基准机嵌入式控制器 经过对1MN基准机进行力学和控制学建模分析之后,本文为其设计了DCS集散控制系统。其上位机采用工业控制计算机,下位机采用适于在工业环境工作的以单片机作为核心控制器的嵌入式控制器和可编程控制器(PLC)。其中嵌入式控制器要实现设备中主要工作流程的控制和多路模拟信号的采集和处理,其性能关系到基准机各项性能指标的好坏。 该嵌入式控制器采用51系列的单片机作为中央处理单元,分别实现对三个被控单元动横梁机构、预加载机构、移动笼机构的运行控制。通过判断设备的工作状态,自动引入设备的检测信号作为反馈信号控制吊挂防摆机构以跟踪吊挂的摆动。为了实现对设备的准确可靠的控制就要准确的检测设备的工作过程中的各项信号。该控制器通过接受已经由位移传感器及其附加电路处理过的信号检测各设备的行程,能够准确判断设备的工作状态和实现连续的动作目标。 经过长时间的连续试验和工作,控制器工作基本正常,性能满足设备的工作要求。 WP=71 三.为倒码过程的可靠实现,优选了控制算法 1MN基准测力机有多项功能,每一功能也分为多个过程。测力机部分工作过程比较简单明了,可以采取简单的控制过程和控制方法得以实现。砝码加载过程中的倒码过程决定了设备的力值准确度,为了解决倒码过程中的大滞后、非线性、大惯性给设备工作产生的影响就需要选取合理的控制算法。 PID算法是工业生产控制最常用的控制算法。计算机技术和信息技术的迅速发展使数字PID控制在测控系统中得到了很广泛的应用。目前常用的数字PID控制有增量式PID、位置式PID、积分分离式PID等,他们各有优缺点,分别适用于不同的控制场合。设备工作过程中预加载过程和横梁调平衡的过程都采用了该算法,试验证明通过参数的调整可以顺利的实现控制目标。 由于倒码过程涉及的控制部件部件多、控制要求高、动态范围大、动作临界过程难以判断,使得其工作控制非常难以实现。传统的PID控制方法难以适应该过程的大滞后和强非线性。模糊控制本身属于非线性控制范畴,对于控制模型不易建立、工作过程非线性、大滞后的控制系统有着良好的控制能力,所以在此过程中选用了模糊控制方法。通过对反馈输入、和动作输出的模糊化,根据手动控制经验,编制了模糊控制规则,并且在控制器中编制了控制程序。通过试验证明该控制方法的采用顺利解决了上述各种控制难点,达到了控制目标,满足了设备的工作要求。 结论: 通过对1MN基准测力机力学和控制学系统建模和分析,和对其工作过程的分析,为该设备设计了可靠的控制器,通过算法的优化选取,能够实现控制目标,可以满足设备的工作要求。由于时间和经验问题,在控制器的设计过程中,忽略了通用性的问题,使得系统升级的灵活性不高,因此在今后的工作中需要解决此问题。


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