專利名稱：旋轉壓實儀控制系統及綜合控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種旋轉壓實儀的控制系統，該系統利用DSP實現旋轉壓實儀數據實時采集與控制，并由主計算機進行分析、處理和參數調整；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直接轉矩控制方法，以及步進電機的閉環(huán)控制方法。
背景技術：
旋轉壓實儀是制作浙青混合料試件的基本設備之一，主要包括機械結構，相應的控制裝置及方法。旋轉壓實儀機械結構的研究和設計相對成熟，如實用新型專利旋轉壓實儀(ZL200620010462. 2)和新型旋轉壓實儀(ZL 200620010462. 2)對該問題進行了研究，但旋轉壓實儀控制系統及方法尚缺乏系統和深入的研究。因此高效的旋轉壓實儀控制系統及方法的研究，對于滿足浙青道路鋪設工程的實際需求和相關科學研究工作的需要具有重要眉、ο
目前，無刷直流電機大多采用控制電流的辦法控制轉矩，由于電機本身的換相問題，通常的控制方法不能避免大的電磁轉矩和電流脈動，且控制精度不高，阻礙了無刷直流電機在旋轉壓實儀中的應用。還有采用優(yōu)化PWM調制的方法減小開關管二二導通換相時的非導通相的電流和轉矩脈動，但只能減小換相時的轉矩脈動。當負載突變時轉矩響應慢，也不能減小由此產生的轉矩脈動。
對轉矩直接進行控制是一種比較先進的控制方法，作為一種先進的標量控制技術，其控制結構簡單，不存在旋轉坐標變換計算。能有效地抑制轉矩脈動，加快轉矩的響應速度，主要用于交流電機。近年來，開始出現出了直流無刷電機的直接轉矩控制。由于無刷直流電機的氣隙磁場是梯形波磁場，并且由于無刷直流電機本身的特性，控制時一般采用二二導通方式，特別是在換相時刻存在轉矩脈動大的問題，以上這些導致了無刷直流電機在控制方式上不同于三相異步電機和永磁同步電機。
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、神經網絡等開始應用到無刷直流電機的直接轉矩控制中。通常其控制系統的速度調節(jié)器多采用PI控制器。 但它的設計過程依賴于對象的精確數學模型，并且PI控制器的參數固定。于是又引入了模糊PI控制器，用模糊控制器對PI調節(jié)器的參數進行實時的調整，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的選取都為固定值，固定運行參數的模糊控制器缺乏較好的通用性和適應性。然而模糊控制器的量化因子、比例因子等參數的選取對系統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。并且無刷直流電機參數受溫度和磁飽和的影響，具有嚴重的非線性。系統的參數、給定或擾動變化過大時，則滿足不了該系統在時變情況下響應速度快、穩(wěn)態(tài)精度高的要求，在低速時系統甚至無法運行。
(2)同時，無刷直流電動機開關選擇表若按照6扇區(qū)劃分的方式進行直接轉矩控制，則存在著實際所選擇的空間電壓與期望的空間電壓矢量誤差，這將帶來轉矩和電流脈動較大的問題。
因此，研究旋轉壓實儀中無刷直流電機高性能的智能直接轉矩控制方式，不僅對轉速的控制響應快、控制精度高、抗干擾和自適應性強，同時也能使轉矩和電流脈動小。
同時，旋轉壓實儀控制系統的設計和優(yōu)化，角度和壓力步進電機的閉環(huán)控制算法也是重要的研究內容。發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種旋轉壓實儀控制系統，本發(fā)明的目的之二是提供一種用于旋轉壓實儀控制系統的綜合控制方法。
本發(fā)明的目的之一是通過以下技術方案實現的該種旋轉壓實儀控制系統，包括轉速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護門開關傳感器、通信模塊和主計算機；所述轉速控制模塊包括電源裝置、無刷直流電機和DSP ；所述電源裝置用于驅動無刷直流電機，所述無刷直流電機上的光電編碼器將實時獲得的無刷直流電動機轉子位置和速度信號傳輸至DSP，所述DSP將位置信號轉化成速度反饋信號，給定速度與速度反饋量形成轉速誤差和誤差變化率，并作為無刷直流電機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矩，與給定磁鏈一起通過滯環(huán)比較、開關狀態(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進行調速控制；所述角度控制模塊包括功率放大器、步進電動機、壓實角調整機構、位移傳感器和DSP， 所述DSP用于實現步進電動機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際角度反饋信號之差作為位置控制的輸入量，再經過速度控制和功率放大器的處理后，所述DSP輸出相應的脈沖至步進電動機，通過壓實角調整機構實現對旋擺角度的控制；所述壓力控制模塊包括DSP、步進電機、絲桿、試模和壓力傳感器，將壓力設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電機進行控制，所述步進電機通過齒輪減速后驅動滾珠絲杠給浙青試模施加壓實力；通信模塊與轉速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護門開關傳感器連接，進行實時狀態(tài)數據采集，經微處理器分組編碼后，以USB格式送主計算機，并對接收的主計算機控制信號經行解碼后分別送入相應的控制模塊；主計算機通過USB方式與通信模塊進行信息傳輸，進行數據采集和發(fā)出控制信號，具體完成數據解碼、存儲、分析、狀態(tài)顯示、表格打印和參數調整等功能。
進一步，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過變換后輸出，用于驅動無刷直流電機。
本發(fā)明的目的之二是通過以下技術方案實現的 所述方法包括轉速控制、角度和壓力控制；所述轉速控制是通過基于遺傳算法的模糊自適應PI速度調節(jié)器對無刷直流電機進行直接轉矩控制來實現，首先用模糊控制器推斷出PI控制器的參數，并根據模糊轉矩控制系統中過程特性發(fā)生變化后，通過遺傳算法和參數調整算法對模糊控制器的量化因子和比例因子進行優(yōu)化處理和在線調整，其中，采用遺傳算法離線粗調，采用參數調整算法在線優(yōu)化細調；所述角度和壓力控制采用步進電機閉環(huán)控制方法。
進一步，所述的基于遺傳算法的模糊自適應PI速度調節(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、比例因子的基準值和微調參數，用系統動態(tài)誤差e力變量的在線參數自調整。
進一步，基于遺傳算法的模糊自適應PI速度調節(jié)器，用基本模糊控制器調整PI控制器的參數，對轉速偏差和轉速偏差變化率先模糊化，在模糊控制規(guī)則基礎上進行模糊推理、解模糊后再乘上比例因子后作用于PI控制器。
進一步，所述的基于遺傳算法的模糊自適應PI速度調節(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個基準值Ira、* ^和 、“和4個微調參數為、毛、為和毛。
進一步，所述的基于遺傳算法的模糊自適應PI速度調節(jié)器，對模糊控制器的量化 W ·κ、K及比例W η、^進行在線自動調整，采用以系統動態(tài)誤差β力變量的參數自調整公式
權利要求
1.旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述裝置包括轉速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護門開關傳感器、通信模塊和主計算機；所述轉速控制模塊包括電源裝置、無刷直流電機和DSP ；所述電源裝置用于驅動無刷直流電機，所述無刷直流電機上的光電編碼器將實時獲得的無刷直流電動機轉子位置和速度信號傳輸至DSP，所述DSP將位置信號轉化成速度反饋信號，給定速度與速度反饋量形成轉速誤差和誤差變化率，并作為無刷直流電機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矩，與給定磁鏈一起通過滯環(huán)比較和開關狀態(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進行調速控制；所述角度控制模塊包括功率放大器、步進電動機、壓實角調整機構、位移傳感器和DSP， 所述DSP用于實現步進電動機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際角度反饋信號之差作為位置控制的輸入量，再經過速度控制和功率放大器的處理后，所述DSP輸出相應的脈沖至步進電動機，通過壓實角調整機構實現對旋擺角度的控制；所述壓力控制模塊包括DSP、步進電機、絲桿、試模和壓力傳感器，將壓力設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電機進行控制，所述步進電機通過齒輪減速后驅動滾珠絲杠給浙青試模施加壓實力；通信模塊與轉速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護門開關傳感器連接，進行實時狀態(tài)數據采集，經微處理器分組編碼后，以USB格式送主計算機，并對接收的主計算機控制信號經行解碼后分別送入相應的控制模塊；主計算機通過USB方式與通信模塊進行信息傳輸，進行數據采集和發(fā)出控制信號，具體完成數據解碼、存儲、分析、狀態(tài)顯示、表格打印和參數調整功能。
2.根據權利要求1所述的一種旋轉壓實儀控制系統，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過變換后輸出，用于驅動無刷直流電機。
3.用于如權利要求1至2任一所述的旋轉壓實儀控制系統的綜合控制方法，其特征在于所述方法包括轉速控制、角度和壓力控制；所述轉速控制是通過基于遺傳算法的模糊自適應PI速度調節(jié)器對無刷直流電機進行直接轉矩控制來實現，首先用模糊控制器推斷出PI控制器的參數，并根據模糊轉矩控制系統中過程特性發(fā)生變化后，通過遺傳算法和參數調整算法對模糊控制器的量化因子和比例因子進行優(yōu)化處理和在線調整，其中，采用遺傳算法離線粗調，采用參數調整算法在線優(yōu)化細調；所述角度和壓力控制采用步進電機閉環(huán)控制方法。
4.根據權利要求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PI速度調節(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、比例因子的基準值和微調參數，用系統動態(tài)誤差 β為變量的在線參數自調整。
5.根據權利要求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 PI速度調節(jié)器，用基本模糊控制器調整PI控制器的參數，對轉速偏差和轉速偏差變化率先模糊化，在模糊控制規(guī)則基礎上進行模糊推理、解模糊后再乘上比例因子后作用于PI控制
6.根據權利要求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PI速度調節(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個基準值*、、ro和* OT、^ CT和1個微調參數為、毛、為和4 。
7.根據權利要求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PI速度調節(jié)器，對模糊控制器的量化因子* 、《W及比例因子*MF、* 進行在線自動調整，采用以系統動態(tài)誤差β力變量的參數自調整公式卜-+A今，H今K=\22[WtVM. M 今毛今，M今I ^+Vkl,式中，* n、*Mro和*miot、*^為基準值；為微調參數，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.根據權利要求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)，然后根據定子磁鏈所在扇區(qū)以及系統所處的狀態(tài)來選擇開關表中的空間電壓矢量，控制逆變器實現無刷直流電機的控制。
9.根據權利要求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)明公開了一種旋轉壓實儀控制系統，該系統主要包括轉速控制模塊、角度控制模塊、壓力控制模塊、位移傳感器、防護門開關傳感器、通信模塊和主計算機。通信模塊采集各控制模塊和傳感器數據，經分組編碼和格式轉換送入主計算機進行后期處理，并將主計算機調整后的控制參數送入各控制模塊，本發(fā)明還公開了一種旋轉壓實儀控制方法，轉速采用智能無刷直流電機直接轉矩控制方法，而角度和壓力采用步進電機閉環(huán)控制方法，滿足在規(guī)定壓實轉速、恒定垂直壓力和恒定壓實角度三個主要技術條件共同作用下的壓實過程要求，并能根據試驗和科研實際需求對壓力、角度和轉速進行實時動態(tài)調整。
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