弹性轴类零件液压伺服摆振试验机电气控制系统设计与研究

论文摘要

液压伺服摆振试验机是检测弹性轴类零件性能参数的重要设备,为研究弹性轴类零件的性能提供了有力的保证。论文研究的重点是在传动机构核心部件—新型力（运动）转换机构的基础上研制出30kN·m扭矩弹性轴类零件试验机的电气控制系统,对大扭矩弹性轴类零件进行试验,从而获得其材料的性能参数。为保证试验机能够满足大扭矩输出和高精度控制的技术要求,而采用液压伺服传动与控制技术,以液压系统为动力源并设计相关电气控制系统的硬件和软件。试验机电气控制系统采用伺服控制系统与数据采集系统相独立的结构,并设计满足本试验机控制系统要求的DSP高速伺服控制器,提高了控制器伺服控制的实时性,以完成对伺服阀的闭环伺服控制、故障保护等功能。试验机的数据采集系统由PCI数据采集卡进行试验数据的采集和读取,试验数据的采集速度也大为增加。工控机与伺服控制器之间通过串口进行数据通信,同时试验数据的分析和处理均由计算机完成。当用此试验机进行弹性轴类零件试验时,由于其被试验负载的特性在大范围内变化,故每次试验前都需要对控制算法进行重新参数整定,此种试验方法较为繁琐。为解决此问题,保证试验机的控制精度和抗干扰能力,对传统PID控制和模糊控制方案的特点进行比较分析后,将参数自整定模糊PID（Fuzzy-PID）复合控制方案应用于该试验台控制系统,利用MATLAB/Simulink工具箱,分别采用控制系统数学模型仿真和半实物仿真对控制算法进行仿真分析,建立了数字仿真模型和现场物理模型以快速验证其算法有效性,最终将此算法转化为C语言并写入基于DSP芯片的液压伺服控制器中。在工控机上使用Visual C++软件编制试验机的现场测控程序,对试验过程进行实时监控,显示并存储试验数据,同时采用软、硬件抗干扰措施,试验机控制精度可以达到0.5%的技术要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及目的
• 1.2 国内外试验机电控系统研究现状
• 1.3 课题研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 液压伺服摆振试验机结构原理及总体设计
• 2.1 液压扭摆试验机的主要技术参数
• 2.2 液压伺服系统的工作原理
• 2.3 力（运动）转换机构工作原理
• 2.4 控制系统的总体设计方案
• 2.4.1 试验机工作特性分析
• 2.4.2 控制系统硬件方案
• 2.4.3 控制系统软件方案
• 2.5 小结
• 3 电气控制系统硬件设计
• 3.1 下位高速伺服控制器电路设计
• 3.1.1 DSP 伺服控制器最小系统
• 3.1.2 控制器辅助电源模块
• 3.1.3 模拟量A/D 前向采样电路
• 3.1.4 模拟量D/A 后向输出电路
• 3.1.5 复杂可编程逻辑器件CPLD 电路
• 3.1.6 串口通信模块
• 3.1.7 电机及电磁溢流阀控制电路
• 3.2 主要元器件的设计与选择
• 3.2.1 伺服液压缸
• 3.2.2 伺服控制器
• 3.2.3 伺服阀放大器
• 3.2.4 传感器
• 3.2.5 数据采集卡
• 3.2.6 工业控制计算机系统
• 3.3 小结
• 4 伺服系统控制策略设计与仿真研究
• 4.1 试验机控制系统数学模型
• 4.2 数字PID 伺服控制算法
• 4.3 参数自整定模糊PID 伺服控制算法
• 4.4 控制系统仿真
• 4.4.1 控制系统数学模型仿真
• 4.4.2 控制系统快速半实物仿真
• 4.5 仿真结果分析
• 4.6 小结
• 5 测试与控制软件设计
• 5.1 下位机DSP 伺服控制器软件实现
• 5.1.1 DSP 软件开发流程
• 5.1.2 DSP 程序编制
• 5.2 上位工控机测控软件的编程实现
• 5.3 控制系统的抗干扰设计
• 5.3.1 硬件抗干扰措施
• 5.3.2 软件抗干扰措施
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间所承担的主要科研项目目录
• C. 主要附图目录