專利名稱：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)及綜合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用DSP實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀數(shù)據(jù)實(shí)時采集與控制，并由主計算機(jī)進(jìn)行分析、處理和參數(shù)調(diào)整；同時還涉及一種綜合控制方法， 特別涉及智能無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，以及步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀是制作浙青混合料試件的基本設(shè)備之一，主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的控制裝置及方法。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計相對成熟，如實(shí)用新型專利旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(ZL200620010462. 2)和新型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(ZL 200620010462. 2)對該問題進(jìn)行了研究，但旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)及方法尚缺乏系統(tǒng)和深入的研究。因此高效的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)及方法的研究，對于滿足浙青道路鋪設(shè)工程的實(shí)際需求和相關(guān)科學(xué)研究工作的需要具有重要眉、ο
目前，無刷直流電機(jī)大多采用控制電流的辦法控制轉(zhuǎn)矩，由于電機(jī)本身的換相問題，通常的控制方法不能避免大的電磁轉(zhuǎn)矩和電流脈動，且控制精度不高，阻礙了無刷直流電機(jī)在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀中的應(yīng)用。還有采用優(yōu)化PWM調(diào)制的方法減小開關(guān)管二二導(dǎo)通換相時的非導(dǎo)通相的電流和轉(zhuǎn)矩脈動，但只能減小換相時的轉(zhuǎn)矩脈動。當(dāng)負(fù)載突變時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，也不能減小由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。
對轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行控制是一種比較先進(jìn)的控制方法，作為一種先進(jìn)的標(biāo)量控制技術(shù)，其控制結(jié)構(gòu)簡單，不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計算。能有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動，加快轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度，主要用于交流電機(jī)。近年來，開始出現(xiàn)出了直流無刷電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。由于無刷直流電機(jī)的氣隙磁場是梯形波磁場，并且由于無刷直流電機(jī)本身的特性，控制時一般采用二二導(dǎo)通方式，特別是在換相時刻存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，以上這些導(dǎo)致了無刷直流電機(jī)在控制方式上不同于三相異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。
近幾年來，許多新的控制思想，特別是智能控制思想如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等開始應(yīng)用到無刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中。通常其控制系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器多采用PI控制器。 但它的設(shè)計過程依賴于對象的精確數(shù)學(xué)模型，并且PI控制器的參數(shù)固定。于是又引入了模糊PI控制器，用模糊控制器對PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整，但存在著如下問題(1)因常規(guī)模糊PI控制器中的模糊控制器參數(shù)的選取都為固定值，固定運(yùn)行參數(shù)的模糊控制器缺乏較好的通用性和適應(yīng)性。然而模糊控制器的量化因子、比例因子等參數(shù)的選取對系統(tǒng)的性能影響極大而且能從根本上改變輸出特性。一旦這些因子確定后，由于在不同的工作狀態(tài)中被控對象的模型是不斷變化的。并且無刷直流電機(jī)參數(shù)受溫度和磁飽和的影響，具有嚴(yán)重的非線性。系統(tǒng)的參數(shù)、給定或擾動變化過大時，則滿足不了該系統(tǒng)在時變情況下響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高的要求，在低速時系統(tǒng)甚至無法運(yùn)行。
(2)同時，無刷直流電動機(jī)開關(guān)選擇表若按照6扇區(qū)劃分的方式進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，則存在著實(shí)際所選擇的空間電壓與期望的空間電壓矢量誤差，這將帶來轉(zhuǎn)矩和電流脈動較大的問題。
因此，研究旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀中無刷直流電機(jī)高性能的智能直接轉(zhuǎn)矩控制方式，不僅對轉(zhuǎn)速的控制響應(yīng)快、控制精度高、抗干擾和自適應(yīng)性強(qiáng)，同時也能使轉(zhuǎn)矩和電流脈動小。
同時，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化，角度和壓力步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制算法也是重要的研究內(nèi)容。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)，本發(fā)明的目的之二是提供一種用于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)的綜合控制方法。
本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的該種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護(hù)門開關(guān)傳感器、通信模塊和主計算機(jī)；所述轉(zhuǎn)速控制模塊包括電源裝置、無刷直流電機(jī)和DSP ；所述電源裝置用于驅(qū)動無刷直流電機(jī)，所述無刷直流電機(jī)上的光電編碼器將實(shí)時獲得的無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度信號傳輸至DSP，所述DSP將位置信號轉(zhuǎn)化成速度反饋信號，給定速度與速度反饋量形成轉(zhuǎn)速誤差和誤差變化率，并作為無刷直流電機(jī)的速度控制器的輸入量，輸入量在DSP中通過處理后得到輸出給定電磁轉(zhuǎn)矩，與給定磁鏈一起通過滯環(huán)比較、開關(guān)狀態(tài)選擇環(huán)節(jié)后，由 DSP的事件單元形成具有一定占空比的PWM信號控制量，通過隔離電路后對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制；所述角度控制模塊包括功率放大器、步進(jìn)電動機(jī)、壓實(shí)角調(diào)整機(jī)構(gòu)、位移傳感器和DSP， 所述DSP用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的位置控制和速度控制，在位置控制中，將角度給定信號與位移傳感器檢測到的實(shí)際角度反饋信號之差作為位置控制的輸入量，再經(jīng)過速度控制和功率放大器的處理后，所述DSP輸出相應(yīng)的脈沖至步進(jìn)電動機(jī)，通過壓實(shí)角調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對旋擺角度的控制；所述壓力控制模塊包括DSP、步進(jìn)電機(jī)、絲桿、試模和壓力傳感器，將壓力設(shè)定值與下行過程中不斷檢測到的壓頭所承受壓力之差作為DSP的輸入量，DSP輸出控制信號對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，所述步進(jìn)電機(jī)通過齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲杠給浙青試模施加壓實(shí)力；通信模塊與轉(zhuǎn)速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護(hù)門開關(guān)傳感器連接，進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)微處理器分組編碼后，以USB格式送主計算機(jī)，并對接收的主計算機(jī)控制信號經(jīng)行解碼后分別送入相應(yīng)的控制模塊；主計算機(jī)通過USB方式與通信模塊進(jìn)行信息傳輸，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)出控制信號，具體完成數(shù)據(jù)解碼、存儲、分析、狀態(tài)顯示、表格打印和參數(shù)調(diào)整等功能。
進(jìn)一步，所述電源裝置包括三相交流電源、整流器和逆變電路，所述三相交流電源輸出的交流電先經(jīng)整流電路整流后變換為直流電，再通過逆變電路將直流電經(jīng)過變換后輸出，用于驅(qū)動無刷直流電機(jī)。
本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 所述方法包括轉(zhuǎn)速控制、角度和壓力控制；所述轉(zhuǎn)速控制是通過基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器對無刷直流電機(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制來實(shí)現(xiàn)，首先用模糊控制器推斷出PI控制器的參數(shù)，并根據(jù)模糊轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中過程特性發(fā)生變化后，通過遺傳算法和參數(shù)調(diào)整算法對模糊控制器的量化因子和比例因子進(jìn)行優(yōu)化處理和在線調(diào)整，其中，采用遺傳算法離線粗調(diào)，采用參數(shù)調(diào)整算法在線優(yōu)化細(xì)調(diào)；所述角度和壓力控制采用步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方法。
進(jìn)一步，所述的基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，包括基本模糊控制器，用遺傳算法離線優(yōu)化模糊控制器的量化因子、比例因子的基準(zhǔn)值和微調(diào)參數(shù)，用系統(tǒng)動態(tài)誤差e力變量的在線參數(shù)自調(diào)整。
進(jìn)一步，基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，用基本模糊控制器調(diào)整PI控制器的參數(shù)，對轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率先模糊化，在模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊推理、解模糊后再乘上比例因子后作用于PI控制器。
進(jìn)一步，所述的基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，用遺傳算法離線優(yōu)化模糊控制器的量化因子、、，比例因子*μρ、* Τ的4個基準(zhǔn)值Ira、* ^和 、“和4個微調(diào)參數(shù)為、毛、為和毛。
進(jìn)一步，所述的基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，對模糊控制器的量化 W ·κ、K及比例W η、^進(jìn)行在線自動調(diào)整，采用以系統(tǒng)動態(tài)誤差β力變量的參數(shù)自調(diào)整公式
權(quán)利要求
1.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述裝置包括轉(zhuǎn)速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護(hù)門開關(guān)傳感器、通信模塊和主計算機(jī)；所述轉(zhuǎn)速控制模塊包括電源裝置、無刷直流電機(jī)和DSP ；所述電源裝置用于驅(qū)動無刷直流電機(jī)，所述無刷直流電機(jī)上的光電編碼器將實(shí)時獲得的無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度信號傳輸至DSP，所述DSP將位置信號轉(zhuǎn)化成速度反饋信號，給定速度與速度反饋量形成轉(zhuǎn)速誤差和誤差變化率，并作為無刷直流電機(jī)的速度控制器的輸入量，輸入量在DSP中通過處理后得到輸出給定電磁轉(zhuǎn)矩，與給定磁鏈一起通過滯環(huán)比較和開關(guān)狀態(tài)選擇環(huán)節(jié)后， 由DSP的事件單元形成具有一定占空比的PWM信號控制量，通過隔離電路后對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制；所述角度控制模塊包括功率放大器、步進(jìn)電動機(jī)、壓實(shí)角調(diào)整機(jī)構(gòu)、位移傳感器和DSP， 所述DSP用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的位置控制和速度控制，在位置控制中，將角度給定信號與位移傳感器檢測到的實(shí)際角度反饋信號之差作為位置控制的輸入量，再經(jīng)過速度控制和功率放大器的處理后，所述DSP輸出相應(yīng)的脈沖至步進(jìn)電動機(jī)，通過壓實(shí)角調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對旋擺角度的控制；所述壓力控制模塊包括DSP、步進(jìn)電機(jī)、絲桿、試模和壓力傳感器，將壓力設(shè)定值與下行過程中不斷檢測到的壓頭所承受壓力之差作為DSP的輸入量，DSP輸出控制信號對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，所述步進(jìn)電機(jī)通過齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲杠給浙青試模施加壓實(shí)力；通信模塊與轉(zhuǎn)速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護(hù)門開關(guān)傳感器連接，進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)微處理器分組編碼后，以USB格式送主計算機(jī)，并對接收的主計算機(jī)控制信號經(jīng)行解碼后分別送入相應(yīng)的控制模塊；主計算機(jī)通過USB方式與通信模塊進(jìn)行信息傳輸，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)出控制信號，具體完成數(shù)據(jù)解碼、存儲、分析、狀態(tài)顯示、表格打印和參數(shù)調(diào)整功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述電源裝置包括三相交流電源、整流器和逆變電路，所述三相交流電源輸出的交流電先經(jīng)整流電路整流后變換為直流電，再通過逆變電路將直流電經(jīng)過變換后輸出，用于驅(qū)動無刷直流電機(jī)。
3.用于如權(quán)利要求1至2任一所述的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)的綜合控制方法，其特征在于所述方法包括轉(zhuǎn)速控制、角度和壓力控制；所述轉(zhuǎn)速控制是通過基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器對無刷直流電機(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制來實(shí)現(xiàn)，首先用模糊控制器推斷出PI控制器的參數(shù)，并根據(jù)模糊轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中過程特性發(fā)生變化后，通過遺傳算法和參數(shù)調(diào)整算法對模糊控制器的量化因子和比例因子進(jìn)行優(yōu)化處理和在線調(diào)整，其中，采用遺傳算法離線粗調(diào)，采用參數(shù)調(diào)整算法在線優(yōu)化細(xì)調(diào)；所述角度和壓力控制采用步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合控制方法，其特征在于所述的基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，包括基本模糊控制器，用遺傳算法離線優(yōu)化模糊控制器的量化因子、比例因子的基準(zhǔn)值和微調(diào)參數(shù)，用系統(tǒng)動態(tài)誤差 β為變量的在線參數(shù)自調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合控制方法，其特征在于基于遺傳算法的模糊自適應(yīng) PI速度調(diào)節(jié)器，用基本模糊控制器調(diào)整PI控制器的參數(shù)，對轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率先模糊化，在模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊推理、解模糊后再乘上比例因子后作用于PI控制
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合控制方法，其特征在于所述的基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，用遺傳算法離線優(yōu)化模糊控制器的量化因子* 、K ,比例因子Λ^、* τ的4個基準(zhǔn)值*、、ro和* OT、^ CT和1個微調(diào)參數(shù)為、毛、為和4 。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合控制方法，其特征在于所述的基于遺傳算法的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，對模糊控制器的量化因子* 、《W及比例因子*MF、* 進(jìn)行在線自動調(diào)整，采用以系統(tǒng)動態(tài)誤差β力變量的參數(shù)自調(diào)整公式卜-+A今，H今K=\22[WtVM. M 今毛今，M今I ^+Vkl,式中，* n、*Mro和*miot、*^為基準(zhǔn)值；為微調(diào)參數(shù)，取值范圍為=Λ :0 Km ，^ :o Km，λ,:(廣Jimfm ,毛(廣，為誤差基本論域的正最大值， W =^Km,其中》為模糊集論域。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合控制方法，其特征在于采用空間12扇區(qū)劃分的方法， 將整個360°空間分為12個30°的扇區(qū)，然后根據(jù)定子磁鏈所在扇區(qū)以及系統(tǒng)所處的狀態(tài)來選擇開關(guān)表中的空間電壓矢量，控制逆變器實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合控制方法，其特征在于角度控制采用雙閉環(huán)控制，壓力控制采用單閉環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護(hù)門開關(guān)傳感器、通信模塊和主計算機(jī)。通信模塊采集各控制模塊和傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)分組編碼和格式轉(zhuǎn)換送入主計算機(jī)進(jìn)行后期處理，并將主計算機(jī)調(diào)整后的控制參數(shù)送入各控制模塊，本發(fā)明還公開了一種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀控制方法，轉(zhuǎn)速采用智能無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，而角度和壓力采用步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方法，滿足在規(guī)定壓實(shí)轉(zhuǎn)速、恒定垂直壓力和恒定壓實(shí)角度三個主要技術(shù)條件共同作用下的壓實(shí)過程要求，并能根據(jù)試驗和科研實(shí)際需求對壓力、角度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時動態(tài)調(diào)整。
文檔編號H02P21/12GK102497152SQ20111037350
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者張開洪, 張文會, 徐凱, 李聰, 柴毅 申請人:重慶大學(xué)