有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)是新系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)階段。根據(jù)系統(tǒng)分析階段所確定的新系統(tǒng)的邏輯模型、功能要求，在用戶提供的環(huán)境條件下，設(shè)計(jì)出一個(gè)能在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上實(shí)施的方案，即建立新系統(tǒng)的物理模型。
第一篇
1測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際分析，裝置的設(shè)計(jì)需滿足以下條件:1)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)-20～50℃范圍內(nèi)任意時(shí)刻的檢測(cè)并保證測(cè)試設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試結(jié)果無(wú)影響;2)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的自動(dòng)化水平，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，用戶只需簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)就可完成整個(gè)測(cè)試。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出的裝置整體示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。
系統(tǒng)由恒溫試驗(yàn)箱、三軸平臺(tái)、激光位移傳感器、控制系統(tǒng)等主要部分組成。
工作時(shí)，將待測(cè)零件固定在工裝板上并放置到試驗(yàn)箱安裝支架上，然后關(guān)閉試驗(yàn)箱測(cè)試室門，當(dāng)測(cè)試室達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，三軸平臺(tái)帶著傳感頭運(yùn)動(dòng)，傳感頭發(fā)出的光束透過(guò)雙層隔熱玻璃從每個(gè)零件表面掃過(guò)，同時(shí)測(cè)量值被傳感控制器接收，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)LabVIEW中。
在此過(guò)程中，控制系統(tǒng)主要控制伺服電機(jī)、恒溫試驗(yàn)箱、報(bào)警裝置等的工作，還對(duì)激光位移傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、處理和輸出。
2測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，提高測(cè)試效率，保證系統(tǒng)的可靠性，本文提出的雙金屬片形變測(cè)試系統(tǒng)硬件部分整體框圖如圖2所示。
因傳統(tǒng)水域測(cè)量法采用水作為雙金屬片的傳熱介質(zhì)，在節(jié)能、效率、測(cè)量精度等方面均存在不足。
因此，本文選擇恒溫試驗(yàn)箱為測(cè)試系統(tǒng)提供測(cè)試環(huán)境，并完成試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)和激光位移傳感器的選型。
2.1分體式恒溫試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)目前，市場(chǎng)上的恒溫試驗(yàn)箱的測(cè)試區(qū)與制冷系統(tǒng)為一體式[8]，壓縮機(jī)等部件在工作過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致被測(cè)雙金屬片的振動(dòng)，從而影響測(cè)試精度。
因此，本文設(shè)計(jì)了分體式恒溫試驗(yàn)箱。
該試驗(yàn)箱由制冷、制熱系統(tǒng)、循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)、測(cè)試室以及控制系統(tǒng)等部分組成，分左右2個(gè)箱體，2個(gè)箱體之間用軟管連接用于通風(fēng)循環(huán)，制冷回路、加熱管以及風(fēng)機(jī)安裝在左箱體中，測(cè)試室安裝在右箱體中并在其頂側(cè)開有玻璃窗用于激光位移傳感器的透光檢測(cè)。
試驗(yàn)箱通過(guò)熱平衡控溫法實(shí)現(xiàn)測(cè)試室溫度控制，表1為分體式恒溫試驗(yàn)箱的主要性能參數(shù)。
2.2激光位移傳感器的選擇激光位移傳感器由傳感頭和傳感控制器組成，是測(cè)試系統(tǒng)的核心。
傳感頭主要實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)的采集，傳感控制器對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并及時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，考慮到測(cè)試過(guò)程中傳感器檢測(cè)光需透過(guò)雙層玻璃，為保證測(cè)試精度，分別選用松下和基恩士的傳感器產(chǎn)品做透雙層玻璃試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試比較多個(gè)產(chǎn)品的綜合性能，最終選用基恩士LK—G5000型激光位移傳感器，其傳感頭主要性能見(jiàn)表2所示。
3測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1基于PLC的控制程序設(shè)計(jì)本文選用臺(tái)達(dá)DVP40EH—PLC作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、報(bào)警裝置的控制，其控制流程如圖3所示。
系統(tǒng)在完成原點(diǎn)回歸后，以當(dāng)前位置作為檢測(cè)起始點(diǎn)，由于不同類型零件高度不同且激光位移傳感器的測(cè)試范圍為定值，所以，程序運(yùn)行時(shí)首先根據(jù)上位機(jī)選擇的零件類型，Z軸電機(jī)運(yùn)行到指定的位置，然后控制三軸平臺(tái)進(jìn)行XY平面移動(dòng)，待測(cè)試完成，系統(tǒng)重新初始化，等待下一次檢測(cè)。
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，PLC立即停止電機(jī)輸出，報(bào)警燈響起，并把錯(cuò)誤信息傳輸給上位機(jī)和觸摸屏，以便用戶處理。
此外，觸摸屏除顯示測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)外，還能實(shí)現(xiàn)PLC相關(guān)參數(shù)的修改。
3.2基于LabVIEW的控制程序設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW作為上位機(jī)控制軟件[9]，主要實(shí)現(xiàn)以下功能:1)通過(guò)TCP/IP協(xié)議對(duì)激光位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理、顯示、儲(chǔ)存;2)經(jīng)過(guò)NIOPCServers實(shí)現(xiàn)硬件接口的轉(zhuǎn)換，通過(guò)RS—232串行接口實(shí)現(xiàn)與PLC的連接并通過(guò)該端口控制PLC工作;3)通過(guò)RS—485串行接口，實(shí)現(xiàn)與DTC的數(shù)據(jù)傳輸;4)根據(jù)測(cè)試要求編寫人性化的人機(jī)界面。
3.2.1數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理測(cè)試中，LabVIEW根據(jù)PLC發(fā)送檢測(cè)開始信號(hào)，調(diào)用數(shù)據(jù)采集子VI。
由于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理量大并增加編程的難度，并且在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中零件需在不同溫度下重復(fù)檢測(cè)，為此，程序設(shè)計(jì)分2步:1)在傳感器檢測(cè)時(shí)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù);2)檢測(cè)完畢試驗(yàn)箱升溫或降溫時(shí)，調(diào)用檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
1)數(shù)據(jù)采集傳感控制器與LabVIEW是基于TCP/IP協(xié)議利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩者的通信。
首先設(shè)置傳感控制器和計(jì)算機(jī)的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)，然后在LabVIEW中運(yùn)用“Getdllpath”，“DllretcodetoVIErrcode”等函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集子VI，供LabVIEW主程序調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集。
LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)工具包基于ODBC(openda-tabaseconnectivity)技術(shù)，利用DSN(datasourcenames)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和查詢。
圖4為傳感器數(shù)據(jù)采集程序。
2)數(shù)據(jù)處理LabVIEW對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)截取、數(shù)據(jù)過(guò)濾以及求平均值。
在每次檢測(cè)完畢后，LabVIEW調(diào)用測(cè)試原始數(shù)據(jù)，由于被檢測(cè)的零件成規(guī)則排布，可根據(jù)伺服電機(jī)的行走路徑、行走速度以及采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算出每個(gè)零件數(shù)據(jù)的范圍并截取出每個(gè)零件的數(shù)據(jù)段，然后針對(duì)每個(gè)零件數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，除去誤差較大的數(shù)值，最后對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求平均值，即可得零件某溫度下的位移量。
待零件所有溫度檢測(cè)點(diǎn)全部檢測(cè)完畢后，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出雙金屬片在各溫度間的相對(duì)變形量，然后與標(biāo)準(zhǔn)變形量比較，就可判斷出零件的合格性。
當(dāng)產(chǎn)品檢測(cè)不合格時(shí)，記下該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的序列號(hào)，測(cè)試時(shí)間和各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)，并在人機(jī)界面上顯示，用戶可根據(jù)約定的排練順序，取出不合格產(chǎn)品。
此外，LabVIEW利用數(shù)據(jù)庫(kù)工具包和報(bào)表工具包編寫數(shù)據(jù)庫(kù)管理和生成Word報(bào)表程序，從而用戶可在人機(jī)界面上查詢數(shù)據(jù)并打印報(bào)表。
3.2.2基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制LabVIEW與PLC通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為2步:1)建立PLC與NIOPC服務(wù)器的連接:在NIOPCServers軟件中添加新的Channl后，選擇ModbusSerial驅(qū)動(dòng)程序，并設(shè)置通信格式，然后新建設(shè)備名并添加標(biāo)簽屬性。
2)建立OPC與LabVIEW的連接:首先，創(chuàng)建I/O服務(wù)器，并通過(guò)I/O服務(wù)器連接OPC標(biāo)簽的共享變量，然后將帶標(biāo)簽的共享變量拖入程序框圖，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的通信。
測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行中，LabVIEW通過(guò)RS—232串行接口把設(shè)置的參數(shù)和操作量傳遞給PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部程序執(zhí)行上位機(jī)的指令，并向上位機(jī)傳輸PLC狀態(tài)。
3.2.3基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)DTC的控制在恒溫試驗(yàn)箱運(yùn)行中，LabVIEW通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)與溫控器通信并控制溫控器工作。
LabVIEW程序運(yùn)用NIModbus函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控器的控制，采用“MBSerialInit”函數(shù)進(jìn)行端口配置、“MBSerialMasterQuery(poly)”函數(shù)讀寫寄存器的值、“VISA關(guān)閉”函數(shù)關(guān)閉等函數(shù)進(jìn)行編程并把程序封裝成溫控器子VI。
圖5為溫控器子VI。
3.2.4LabVIEW人機(jī)界面的設(shè)計(jì)本測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)界面由主控、調(diào)試、報(bào)警、查詢、登入等界面組成。
為了用戶能夠更好地操作測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了人性化操作界面，其中主控界面有基本參數(shù)選擇按鈕，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示功能，激光位移傳感器采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等。
4試驗(yàn)研究
4.1系統(tǒng)標(biāo)定按檢測(cè)流程標(biāo)定出測(cè)試范圍(-20～50℃)內(nèi)每個(gè)整數(shù)溫度下工裝板的形變，以便系統(tǒng)計(jì)算零件形變量時(shí)除去此部分誤差，從而保證測(cè)量精度。
4.2試驗(yàn)描述與結(jié)果分析所研制的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)寧波藍(lán)寶石科技儀器有限公司煤氣表C型溫度補(bǔ)償片進(jìn)行了測(cè)試。
先將零件安置到試驗(yàn)箱中，并設(shè)置試驗(yàn)箱測(cè)試點(diǎn)溫度:-5，5，15，25，35℃。
測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行后，待測(cè)試室溫度由室溫降到-5℃，然后三軸平臺(tái)帶著傳感頭運(yùn)動(dòng)檢測(cè)出各零件與傳感器基準(zhǔn)之間的相對(duì)位移，傳感器依次檢測(cè)各個(gè)溫度點(diǎn)，5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)總共檢測(cè)時(shí)間大約58min，每次檢測(cè)零件數(shù)為180個(gè)且不良零件全部檢出。
表3為部分零件檢測(cè)數(shù)據(jù)。
結(jié)果表明:該測(cè)試系統(tǒng)工作效率高、可靠性好、自動(dòng)化程度高。
5結(jié)論
基于恒溫試驗(yàn)箱、激光位移傳感器等硬件平臺(tái)和Lab-VIEW軟件平臺(tái)研制了雙金屬片形變測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明:1)所研制的恒溫試驗(yàn)箱很好地解決了壓縮機(jī)等部件的振動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并為檢測(cè)提供了穩(wěn)定、可靠的測(cè)試環(huán)境，提高了檢測(cè)效率。
2)所研制的測(cè)試系統(tǒng)控制部分以LabVIEW為核心，采用性能優(yōu)良的激光位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了透過(guò)雙層玻璃的檢測(cè)，且可較好地實(shí)現(xiàn)高效精確的數(shù)據(jù)傳輸和分析功能。
3)研制的測(cè)試系統(tǒng)采用觸摸屏和LabVIEW人機(jī)界面，系統(tǒng)可視性提高，便于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。
作者：樓應(yīng)侯 朱文斌 王賢成 胡寧波 王友林 單位：浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院 機(jī)電與能源工程學(xué)院 太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院
第二篇
1自抗擾控制系統(tǒng)
1.1ADRC系統(tǒng)設(shè)計(jì)ADRC結(jié)構(gòu)如圖1所示。
此系統(tǒng)主要跟蹤微分器(TD)、分線性組合、被控對(duì)象、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器4部分組成。
整個(gè)系統(tǒng)的流程安排主要由跟蹤微分器完成。
擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器主要作用是估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)、模型和干擾[6]。
非線性組合主要是完成非線性誤差反饋(NLSEF)確定一個(gè)固定的控制信號(hào)。
如果異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是矢量控制的，此時(shí)應(yīng)該選用一階模型控制器，其結(jié)構(gòu)也應(yīng)該與其匹配的二階ESO結(jié)構(gòu)[7]。
基于一階ADRC轉(zhuǎn)速控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
轉(zhuǎn)子鏈條不點(diǎn)是矢量控制的一個(gè)重要的特點(diǎn)。
如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，此時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)模型誤差和負(fù)載擾動(dòng)的情況，可以利用ADRC的特點(diǎn)，通過(guò)ESO觀測(cè)此時(shí)的擴(kuò)張狀態(tài)Z2[8]。
1.2ADRC的優(yōu)化在如圖2的結(jié)構(gòu)中，并沒(méi)有TD的輸出，這是因?yàn)镋SO輸出的觀測(cè)值并沒(méi)有被控制對(duì)象的微分項(xiàng)輸出。
如果NLSEF被線性比例調(diào)節(jié)所代替，代替之后的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)化、計(jì)算量減小，同時(shí)還能很好的保證控制器的性能[9]。
優(yōu)化后的一階ADRC轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。
整個(gè)系統(tǒng)的編程采用結(jié)構(gòu)化的形式進(jìn)行，在軟件STEP7V5.2環(huán)境下通過(guò)語(yǔ)句表STL完成[11]。
3測(cè)試結(jié)果和分析
測(cè)試系統(tǒng)主要由監(jiān)控軟件、變頻器和光電編碼器構(gòu)成。
其中監(jiān)控軟件使用的是WinCC。
變頻器使用的型號(hào)是S7-300PLC。
具體的連接示意圖如圖5所示。
在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，控制器的離散控制周期決定了參數(shù)β01(β01=1/h)和β02(β02=1/(5h)2)的值。
在測(cè)試中設(shè)定h=100ms，所以相應(yīng)的β01和β02的值分別為10和20。
kp和b0通過(guò)由小到大的試湊法整定。
變頻器是矢量控制方式，原始速度為200r/min，周期為60s，整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)可以通過(guò)變化的三角波得到。
其中n的變化范圍是200r/min～500r/min。
具體的測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。
通過(guò)圖6可以看出，傳統(tǒng)的PLD控制和ADRC控制方式相比，PLD控制的跟隨性很差。
而ADRC控制方式的跟隨性很好。
通過(guò)圖7(a)可以看出，ADRC控制方式和傳統(tǒng)的PLD控制方式相比，其魯棒性和抗干擾性具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)圖7(b)可以看出，ADRC控制方式和傳統(tǒng)的PLD控制方式相比，其動(dòng)態(tài)性能更好。
4結(jié)論
傳統(tǒng)的PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)存在一些不足，為了很好的解決這些問(wèn)題，文章提出了一種基于自抗擾控制器的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。
文章主要介紹了此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和具體的實(shí)現(xiàn)方法。
測(cè)試結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)相比運(yùn)行性能提高了很多。
文章還介紹了ADRC的優(yōu)化方法。
優(yōu)化后的系統(tǒng)不但減少了計(jì)算量，而且控制器的參數(shù)也大大減少。
作者：馬宏騫 單位：遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自控系
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