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液压式力标准机控制系统的改造研究

2016-5-18 16:57:57  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  笔者通过对力标准机伺服控制系统、电气控制系统及控制软件进行研究,研制出一套全新的伺服液压系统及自动控制的操作系统,保证了力值计量的高精度、高稳定度,提高了工作效率。

  一、改造面临的主要问题

  1.油缸的密封性

  在实际应用中的油缸都存在不同程度的渗漏,而且这种渗漏是不确定的,渗漏大小随着系统压力、温度高低会产生很大的变化,而且是非线性的。

  2.油泵的稳定性

  任何油泵都有一个工作区域,低于此工作区域的油泵的输出量非线性加大,且油泵的脉动会变得很大,这将导致液压系统的不稳定。

  3.伺服电机平稳性

  目前,国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性存在一定局限,在较高转速时则表现得非常平稳。

  以上是改造过程中面临的突出问题,只有解决才能保证力标准机液压动力系统的控制准确度和速度。

  二、研究方案

  1.伺服控制系统的研制

  在理想状态下伺服电机直接驱动油泵,伺服电机的转速、转矩与执行机构所需的压力、流量,通过推导符合以下关系:

  

缺插图!

  由式(1)、(2)可得:

  

缺插图!

  由于

  

缺插图!

  将式(3)代入式(4),得

  

缺插图!

  式中:P——系统功率,W;p——系统压力,Pa;Q——流量,m3/s;Tw——转矩,N·m;n——电机转速,r/s;q——油泵排量,m3/r。

  根据式(5),在理想的一套系统中q/2π为常数,所以伺服电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据Q=n×q,可知伺服电机的转速与系统所需的流量成正比。这表明只要动态地调整伺服电机的转矩、转速,就能提供执行机构所需的压力、流量。

  通常来说,任何油泵都有一个工作区域,低于此工作区域的油泵的输出量非线性加大,且油泵的脉动会变得很大,这将导致液压系统的不稳定。根据上述理论和分析,采用差值法使两个伺服电机分别控制两个油泵,两个油泵分别控制油缸的进回油,通过两个油泵的转速差决定油缸压力的增减,从而可以实现:根据控制要求将液压动力源的流量细分,提高分辨力;使伺服电机、油泵都在理想的工作区域内运行;将油缸不确定的渗漏控制成相对恒定的渗漏,提供力源控制准确度。

  根据试验:在500kN液压动力单元,采用外啮合齿轮泵,排量为1.0mL/r,齿轮泵内齿数为100个,在理想状态下,一个齿轮泵的最小出油分度值为1.0mL/100=0.01mL。在20kN测力点,平均转速为3.1r/min,也就是油缸对油泵的供油要求为1.0mL/r×3.1r/min=3.1mL/min,采用的控制速度为100Hz(每秒钟调整100次),即60×100=6000次/min,这就要求流量的最小分度为3.1/6000=0.00052mL,显然用一个油泵很难满足这种高精度的控制要求。而采用两个伺服电机分别控制两个油泵,两个油泵分别控制油缸的进回油,两个油泵的转速差乘以油泵的排量等于油泵对油缸的供油量,在控制上将回油的油泵转速定为300r/min,这样在20kN测力点进油油泵的转速理论上为303.1r/min,这时虽然两个油泵对油缸的供油量还是3.1mL/min,但在这种状态下油泵的转速为300r/min,两个油泵流量迭加后的最小分度为3.1/100/300=0.00001mL,这样就完全能满足流量的最小分度为0.00052mL要求。

  由于两个伺服电机在300r/min左右可以非常平稳地运行,并且有一个油泵在控制回油,油缸在采取用密封圈等方法处理后,其渗漏远远小于油泵回油的速度,且这种渗漏可通过油泵回油速度的降低来解决,这就相当于制造了一个渗漏相对恒定的环境。

  2.电气控制系统设计

  (1)数据采集单元

  数据采集单元由高精度控制仪、RS232、RS485接口等组成,其中,高精度控制仪是数据采集单元的核心部件。某公司研制的CLY2008等高精度控制仪用于采集被检传感器的输出信号,并传输到控制计算机进行数据处理。

  (2)数据处理单元

  数据处理单元由控制计算机和打印机组成。为便于操作,控制计算机选用国内知名品牌商用机。计算机通过RS232、RS485等接口与高精度控制仪、传感器进行数据通信,处理数据采集单元输送的数据,根据检定规程要求进行数据处理,形成校准或检定数据文档。

  控制计算机选型要求:主频2GHz,19寸液晶显示器。为保证系统安全,防止计算机病毒侵入等问题损坏系统,计算机必须专机专用,不可用于其他用途。

  打印机用于数据打印或证书打印,选用HP激光打印机。

  3.软件部分设计

  系统软件的作用是配合相关硬件实现传感器的校准或检定。

  (1)工作原理

  用于检定或校准的传感器,在测力点上力值波动产生的“逆向效应”会影响检测准确度,通过数学方法形成一套计算机程序算法实现快速又高精度的定位,并研制快速响应的控制软件。

  采用多级指数衰减,但适应性不强,各种机器差异比较大,于是提高动态控制频率(≥100Hz),适应性大大加强。为了提高控制效果用数学方法建立了一个变参数表,从而形成一整套计算机程序算法来实现快速而高精度的定位,如图1所示。

  (2)总体流程

  软件启动时,首先需要操作人员输入口令,只有身份认证成功以后,才可进入软件的“功能选择”界面,进而完成相应的功能及参数设置。

  (3)主要功能

  软件设计开发可编程控制器,开发的快速运行软件程序主要功能为:

  ①符合JJG734-2001《力标准机检定规程》、JJG144-2007《标准测力仪检定规程》、JJG391-2009《力传感器检定规程》、JJG669-2003《称重传感器检定规程》等标准和规程对试验的要求,编制软件,可实现数据自动采集、自动处理。

  ②系统软件按照国家检定规程生产工艺规范及管理要求,自动生成原始记录及证书,打印检定结果。

  ③便于输入各种检定信息,对不常改变的信息(如标准参数等)具有记忆功能。

  ④完整、灵活、方便的在线文档,用户在使用软件过程中遇到问题时,可以通过“帮助”按钮获得帮助。

  ⑤检定、校准、测试过程的有关参数可分别在计算机上直观、形象地显示。

  

缺插图!

   图1 PID算法流程

  ⑥包含多种保护设置:标准传感器最大信号保护、被检传感器量程过载保护、液压过载保护。

  ⑦具有较好的容错能力,对检定过程中出现的异常情况及时提示。

  ⑧确保数据安全,测试数据不得更改。

  ⑨具有密码保护功能,其中有单独的管理员管理界面。

  ⑩具有灵活的查询功能,可按校准日期、传感器编号等信息查询历史记录。

  三、试验结果

  1.测量不确定度分析

  对试验数据进行分析,测量结果的扩展不确定度按正态分布(k=2),则

,简要计算依据如表1所示。

  

缺插图!

   表1

  2.试验结论

  通过以上方案进行改造后,液压式力标准机运行状态良好,力值稳定,工作效率高。在正常工作一年后,经中国计量科学研究院计量检定,结果表明此力标准机计量技术性能良好,符合规程要求,改造成功。

  主要检定结果如下:各级负荷的力值误差δ不超过-0.05%;各级负荷的力值重复性R不大于0.003%;测量结果扩展不确定度:Urel=0.03%(k=2)。

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