空压机试验台测控系统研究与应用

文章编号:1001-2265(2007)11-0033-03收稿日期:2007-05-18;修回日期:2007-06-22作者简介:胡杰(1973 ),女,湖北武汉人,同济大学电子与信息工程学院硕士研究生,宁波工程学院机械学院实验师,主要从事机电一体化研究,(E -m ail)hu jie3551@s i na .co m 。

空压机试验台测控系统研究与应用胡杰1,2,王坚1,郑祥明2(1.同济大学电子与信息工程学院,上海 200092;2.宁波工程学院机械学院,浙江宁波 315016)摘要:介绍了空压机总成性能试验台测控系统的总体结构,该系统采用了 软化 的设计思想,并应用模糊控制(F UZZY)算法实现了系统的智能控制。

实际应用结果表明,该控制系统调节参数速度快、测量准确、测试范围宽、自动化水平高,各技术指标均符合试验要求。

关键词:试验台;测控系统;系统结构;控制算法中图分类号:TG65 文献标识码:ASyste m atical Investigation and Application of t he M easuri n g and C ontro lling Syste m of t heExperi m ent Desk of t he A ir C o m pressorHU Jie 1,2,WANG Jian 1,Z H E NG X iang -m i n g2(1.Co llege o fE lectr onics and I n for m ati o n Eng i n eeri n g ,Tong jiU niversity ,Shangha i200092,Ch i n a ;2.Schoo l ofM echan ica lEng i n eeri n g ,N ingbo U niversity o fTechno logy ,N i n gbo Zhe jiang 315016,Ch i n a)Abst ract :The overa ll construction of the m easuri n g and contro lling syste m o f the experi m ent desk of a ir co m-presso r w as i n troduced i n t h is paper ,in w hich t h e so ftened design m ethod and fuzzy controlli n g a l g orithm w as used to realize the i n telli g ent contro.l The practica l applicati o ns had been suggested that the faster ad j u s-t m ent o f the syste m para m eters ,t h e mo re accurate m easure m en,t the w i d er d i m ensi o n test and the higher level of auto m atization could be ach ieved w ith a ll the satisfied qualificati o ns of t h e experi m ents i n the syste m.K ey w ords :experi m ent desk ;m easuring and controlli n g syste m;syste m constr uction ;contro lling algor ith m0 概述在空压机总成的设计开发和生产过程中,空压机总成性能试验台是必不可少的设备。

空压机性能试验台用于空压机的性能特性、充气特性、气密特性、限压阀开启特性和随气排油量特性试验。

根据试验数据通过计算输出报表和试验曲线。

空压机总成性能试验台由试验台架、传动、测试管路、调压、润滑、冷却等装置和计算机测控系统组成,测控系统是试验台的核心。

一个完整的计算机测控系统,简单说来可分作三大部分,计算机系统、过程通道及控制对象。

图1为空压机性能试验台测控系统框图。

由于采用了 软化 的设计思想,即采用一级计算机系统中软件的两个子系统(试验测控子系统和试验管理子系统)取代通常采用的由测控机和管理机组成的两级计算机测控系统的功能,应用先进的一体化传感器和智能化的控制器,系统的硬件结构简单,开放性好。

系统不受计算机的发展、升级及备件的制约。

计算机接口采用标准接口板,而驱动装置和传感器采用带有计算机标准接口信号的产品,更换驱动装置和传感器型号不会影响整个系统。

图1 空压机性能试验台测控系统框图33 2007年第11期控制与检测2 主要控制量系统结构空压机性能试验台在试验中,是在控制量达到控制精度范围内,进行各测量参数的测量,控制参数调节的好坏直接影响试验结果的精度,控制系统结构是很重要的。

本系统有三个控制量,分别为速度控制量、排气压力控制量和温度控制量。

其中排气压力控制量最为重要。

压力控制系统结构如图2所示,它由压力控制器(计算机软件)、D /A 接口板输出、电动比例调节阀、压力传感变送器、A /D 数据采集板组成闭环调压系统,其核心是电动比例调节阀。

它是由D /A 接口板输出的4-20mA 电流信号控制阀的位置变化。

阀的位置变化改变阀门开口的大小,阀门的开口大小的变化改变被测泵出口压力。

出口压力由压力传感变送器测量,其信号由A /D 数据采集板采集。

再由压力控制器接收反馈信号,经过一定的控制算法运算后,将运算结果送给电动比例调节阀,从而完成对压力参数和状态的控制,达到调节出口压力目的。

由于本系统调压范围宽,要求精度高,故采用了双调节阀控制。

图2 压力控制系统结构双电动比例调节阀实行闭环排气压力控制,排气压力控制器是由计算机软件采用模糊控制(FUZZ Y )算法实现,提高了排气压力的调节精度、调节速度和调节范围。

3 数字控制器与控制算法设计3 1 数字控制器在由计算机组成的控制系统中,直接数字控制(D irect D ig ita l Control)是目前国内外应用较广泛的一种控制方式。

它用数字形式的算式代替模拟的组合,计算机的运算结果以数字量形式或转换成模拟量形式直接控制控制对象。

通常这是一种多回路的数字调节装置。

微型计算机利用多路采样器,顺序地对多路被测参数进行采样,然后根据事先确定的某种控制规律的算式进行必要的比较、分析和计算,最后将运算结果顺序地送给相应的执行元件,从而完成对各回路参数的控制。

这样,使各项控制参数保持在预定值上。

在以上系统设计中,系统参数和状态的控制是由控制器完成的,控制器的好坏在系统中起着关键作用。

空压机总成性能试验台有转速、压力、温度三种控制量,这三种控制量的控制是由数字控制器完成,数字控制器采用的就是直接数字控制方式。

3 2 控制算法设计3 2 1 空压机测控系统的模糊控制策略对一个控制系统进行分析或设计,应当建立该系统的数字模型。

所谓数学模型就是系统特性的数学描述,这个特性包括静态特性和动态特性。

它反映了系统内部状态和输入、输出之间结果和数量关系。

数学模型为计算机进行控制提供了依据,控制算法正确与否直接影响控制系统的品质,甚至决定整个系统的成败。

可见确定控制算法是控制系统设计中最重要的工作之一。

下面以排气压力控制器的控制算法为例来说明本系统的控制算法。

排气压力控制是调节电动比例调节阀的开度来调节排气压力,由于这个调节系统是一个非线性系统,找出它的数学模型比较困难,而且电动比例调节阀的调节速度又较慢,很难用传统的PI D 调节方式实现这个系统的控制。

而考虑采用模糊控制器是一个非常可行的方案。

一个模糊控制的过程包括以下三个步骤:一是将输入量模糊化(Fuzzy ficati o n),即在不确切了解控制对象的数学模型条件下,通过模糊子集中的隶属度函数转换成相应隶属度的过程,相当于将输入量转变成控制器所能识别的模糊语言。

二是进行模糊推理(r u le eva l u ti o n),所谓模糊理论就是通过模糊条件语句(类似于BASI C 语言中的I F THEN 语句)描述转换成为一系列的语言控制规则。

三是反模糊化(defuzzi ficati o n),所谓反模糊化就是将模糊推理的结果再用一个具体的数据表示,以便进行输出控制。

因此,模糊控制器又相当于一种采用比例因子进行参数设定的控制器,所以应用广泛有较强的适应性。

3 2 2 确定模糊控制器的结构本系统排气压力控制器选择应用较为广泛的二维模糊控制器,其结构如图3所示。

它选用二维输入和一维输出。

输入变量为压力误差E 和压力误差变化量EC ,输出变量为调节阀输出控制量U 。

图3 二维模糊控制器结构34 控制与检测组合机床与自动化加工技术3 2 3 确定语言变量需要确定的语言变量有三个,即压力误差E 、压力误差变化EC 和调节阀输出控制量U 。

(1)定义压力误差E 的模糊子集是为{PB ,P M,PS ,ZO,NS,NM,NB};(2)定义系统压力误差变化EC 的模糊子集为{PB ,P M,PS ,ZO,NS,NM,NB};(3)定义调节阀输出控制量U 的模糊子集为{PB ,P M,PS ,Z O,NS ,NM,NB };其中,模糊子集代码的含义如表1所示。

表1 模糊子集代码的含义代码PB P M PS Z O NS N M NB 含义正大正中正小零负小负中负大3 24 确定语言值的隶属度函数(1)对压力误差E 语言值给定模糊化的隶属度函数,选择三角形函数,如图4所示。

图4 压力误差E 的隶属度函数将上面的隶属度函数图整理为数值方法,可得表2。

表2 压力误差E 的隶属度函数隶属度元素-3-2-10+1+2+3模糊集合PB 000000 51P M 00000 510 5PS 0000 510 50ZO 000 510 500NS 00 510 5000N M 0 510 50000NB10 5(2)对压力误差变化EC 语言值给定模糊化的隶属度函数,选择三角形函数,如图5所示。

图5 压力误差变化EC 的隶属度函数将上面的隶属度函数图整理为数值方法,可得表3。

表3 压力误差变化EC 的隶属度函数隶属度元素-3-2-10+1+2+3模糊集合PB00000 30 71PS 0000 510 50Z O 000 510 500NS 00 510 5000NB10 70 3(3)对调节阀输出控制量U 语言值给定模糊化的隶属度函数,选择正态分布函数如图6所示。