毕业设计（论文）-基于运动控制卡的推力校测加载控制系统设计 45页

采用运动控制卡的推力校测加载控制系统设计\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘要发动机推力是必须严格考核的重要性能指标，需要准确测量。在发动机试验的推力测量之前，对测量系统进行标定和校核是一项不可缺少的重要工作，它直接影响着测量数据的准确性与测量工作过程的可靠性。本文介绍了一种新型的采用步进电机作为推力加载执行部件的发动机测试台推力自动校验装置，阐述了该系统的结构、工作原理和软硬件设计方法。新研制的推力校准装置克服了传统液压加载校准装置的缺点，具有体积小、结构简单、成本低、维护方便等优点。为了进一步提高加载的精度和系统的稳定性，系统采用了一种较先进的控制方式——变论域自适应模糊控制，并对其进行了改进。软件采用LabWindows/CVI进行编程，LabWindows/CVI是美国国家仪器公司推出的交互式C语言开发平台，功能强大，使用灵活。按照结构化的设计原理，程序实现了加载力值的快速、精确、稳定控制和实时显示以及整个加载过程的手动和自动控制。系统的测试情况表明，新型的推力校准装置加载精度高，加载速度和稳定性有了很大的改善，完全可以满足实际应用的需求。关键词:发动机推力；校准装置；步进电机；LabWindows/CVI-I-哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-III-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）AbstractEnginethrustistheimportantperformanceindexthatmustbeexaminedstrictly,anditneedtobemeasuredprecisely.Beforemeasuringthrustintheenginetest,thecalibratingtothetestingsystemisanindispensableimportantjob,becauseitdirectlyaffectstheaccuracyoftestingdataandthedependabilityofmeasuringtheworkingcourse.Thispaperintroducesanovelandautomaticthrustcalibrationdevicewhichadoptsstepmotorasloadingactuatoronenginetestbench.Thestructure,theoperatingprinciple,thedesignofsoftwareandhardwarearepresented.Thenewpreparingthrustcalibratingdeviceavoidsthedisadvantagesofhydraulicloadingsystem,ithasmanyadvantagessuchassmallbulk,samplestructure,lowcoatandconvenientmaintenanceandusing.Forfurtherimprovingtheaccuracyofcalibratingandthedependabilityfothesystem,anadvancedcontrolmethod-variableuniversefuzzycontrol-hasbeenadopted,italsohasbeenmodified.ThesoftwareisprogrammedbyLabWindows/CVI,LabWindows/CVIisaninteractiveClanguagedevelopmentplatformintroducedbyNationalInstruments.Inaccordancewiththeprinciplesofstructureddesign,theprogrammecanrealizequick，precise，stablecontrolandreal-timedisplaytoloadingvalue.Theperformanceofthenewcalibratingdeviceinatestshowedthatloadingrapidness,precisionandstabilityinthissystemareimprovedgreatly,andtheperformancerequirementsaresatisfiedwell.Keywords:enginethrust，calibratingdevice，stepmotor，LabWindows/CVI-III-哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题来源及研究的目的和意义11.2国内外加载系统的研究现状概述11.2.1机械砝码式推力加载系统11.2.2电液式推力加载系统21.2.3采用步进电机的推力加载系统21.2.4采用伺服电机的推力加载系统31.3课题的主要研究内容4第2章推力加载系统总体结构设计52.1系统技术要求52.2系统总体结构52.3系统各部件的选取72.3.1驱动电机的选取72.3.2驱动器92.3.3推力传感器的选择112.4本章小结11第3章推力加载系统控制策略123.1常用控制方式介绍123.1.1PID控制123.1.2模糊控制133.2变论域自适应模糊控制143.2.1变论域思想的提出143.2.2变论域自适应模糊控制器153.3变论域自适应模糊控制的改进163.3.1伸缩因子的量化分级163.3.2改进型变论域自适应模糊控制器16-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.4推力加载系统的控制策略选择183.5本章小结18第4章NI运动控制卡和LabWindows/CVI204.1NI运动控制卡204.1.1硬件结构204.1.2嵌入式实时操作系统214.1.3轨迹发生器214.1.4信号连接器214.2LabWindows/CVI软件244.2.1LabWindows/CVI的开发环境244.2.2LabWindows/CVI应用程序设计步骤254.2.3LabWindows/CVI基本库函数254.3本章小结27第5章基于LabWindows/CVI的系统软件设计285.1软件要完成的主要功能285.2模糊控制策略在加载系统中的实现285.3基于LabWindows/CVI的软件设计295.3.1加载系统软件程序结构设计295.3.2加载系统软件设计305.4实验数据及结果355.5本章小结37结论38参考文献39致谢40-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义发动机推力是必须严格考核的重要性能指标，需要准确测量。台架系统精度的确定及系统误差的消除工作主要由原位校准装置完成。原位校准是对测量系统在现场进行模拟实际工况下的静态标定和校核的方法。在发动机试车台上进行地面台架试车时，采用工作传感器进行测量。在发动机试验的推力测量之前，对测量系统进行标定和校核是一项不可缺少的重要工作，它直接影响着测量数据的准确性与测量工作过程的可靠性。由于工作环境恶劣，为保证要求的测量精度必须定期校准(标定)。推力测量台架的系统精度的确定及系统误差的消除工作主要由加载校准装置完成。加载校准装置的加载精度、加载稳定性、操作便利性会对试验测试精度、试验结果的可靠性、试验结果分析及提高试验效率产生重要影响。在国防、航空航天领域以及其他方面的科学研究和工业生产中，推力加载测试系统都有着非常广泛的应用。因此，对采用伺服电动机的加载系统的控制问题进行研究，取得一些有实用价值的理论分析和实验研究成果，无疑具有十分重要的价值和意义。1.2国内外加载系统的研究现状概述1.2.1机械砝码式推力加载系统机械砝码式推力校准装置是由砝码和杠杆组成。砝码重力通过杠杆放大后给工作传感器施加压力，用砝码对工作推力表进行校准，校准只能在几个固定点上进行。其加载方式是人工或机械来增添或减少标准砝码，加载时容易造成加载砝码的摆动，而造成传感器输出力值的振荡。因为未考虑发动机试车台架的影响，校准精度不高，需人力加、卸沉重的砝码，校准费力费时，使用很不方便，当测试台架测试范围较大时，此种加载方式就不再适用。这种加载方式多在实验室进行测力范围很小的微小型测力机构校测或高精度小量程测力传感器校验中采用，在推力测量装置校验的实际工程中已基本不采用。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1.2.1电液式推力加载系统电液式推力校准装置由液压源、液压缸、标准传感器及其显示仪表标准推力表、发动机试车台台架组成。液压缸的工作压力P可用调压电位器进行无级调节。液压缸同时给标准传感器和工作传感器施加压力，用标准推力表对工作推力表进行校准，它可在推力测量范围内完成对任意需要点的校准[1]。图1-1表示该液压式推力校准装置的原理图。其工作原理是靠液压泵驱动液压缸的活塞左右位移来实现双向加载，工作压力可以通过输出泵、蓄能器、比例阀和流量阀用调压电位器进行无级调节，可对任意点校准，可手动和自动。1液压站2比例阀3调压电位器4换向阀5液压缸6推力传感器图1-1电液式推力加载系统原理图这种推力校准装置具有如下特点：采用标准推力表和工作压力P无级调节的液压加载系统代替了目前广泛使用的人工操作的砝码杠杆系统，大大减轻了劳动强度，提高了推力测量精度。但也存在一些问题：受气体可压缩性的影响，加载滞后，精确加载困难；液压油路易产生液压油渗漏现象，造成加载数值不稳定；由于加载过程为人工操作控制，易产生人为误差，产生粗大点；由于加载油缸与执行油缸距离较远，加载滞后，且在校准过程中不易实现过载保护，容易造成传感器的损坏。1.2.2采用步进电机的推力加载系统由哈尔滨工业大学和航天科工集团31所等单位研制成功了采用步进电机的推力模拟器，其工作原理如图1-2所示-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文），是通过数控向电机输入脉冲信号使它旋转一定的角度，再经过减速机构带动丝杠旋转并产生微量的位移，从而压缩弹簧及传感器，当传感器上感受到的负载与设定负载一致时，立即停止转动，丝杠螺母自锁，加载完成。步进电机加载与砝码和液压加载不同的是，其本身并不能精确控制施加力值，而是通过精确的位移控制来分解传感器的总变形量，从而达到精确施加载荷的目的。这种推力模拟器的主要功能有：电机伺服控制；参数设定；清零；动态检测；正向过载保护；反向移动位置限制等调校功能。1控制器2步进电机3减速器4轴承5丝杠6推力传感器图1-2步进电机推力加载系统原理图1.2.1采用伺服电机的推力加载系统吉林大学奥德赛研究室研制成功了伺服电机驱动的液压加载装置如图1-3所示，该成果已在各种固体火箭发动机试验系统中应用。其特点是可手动、半自动和自动加载、数据采集和处理、实时动画显示、网络传输，可打印或存盘，采用压电陶瓷力传感器，其伺服电机既可直接驱动滚珠丝杠机械加载，又可驱动液压加载，前者适合0~50吨负荷的发动机，后者可达500吨。1控制器2伺服电机3减速器4柱塞式增压缸5液压缸6推力传感器图1-3伺服电机推力加载系统原理图-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1.1课题的主要研究内容本课题旨在从理论和实际应用上研究发动机推力加载的控制问题，从而实现高精度、稳定性好的推力加载校测系统，并使整个系统具备良好的适应性。为此本课题完成了发动机推力电动加载系统的总体设计，重点研究了加载的控制，从而保证实际的推力能够满足给定的技术要求。课题的研究内容主要集中在以下几个方面：(1)完成系统的总体结构设计：包括各个部件如电动机及其驱动器、传感器等关键部件的选择，使选取的各个部件的指标能够满足系统的要求。(2)控制理论的研究：分析研究可用于加载系统的控制方式、相关控制理论和基于这些理论设计的控制器，根据需求选择一种并对其进行适当改进使其更适合本加载系统。(3)分析加载过程，具体实现加载控制：分析加载系统控制中的主要难点问题，选择相应的算法，不断补充和完善加载控制程序，最终使加载推力满足一定的精度和技术性要求。(4)系统软件的设计：发动机推力加载校测系统具体实现加载校准的各项功能，软件程序的结构设计应层次清晰，具备良好的可靠性和可维护性，界面友好，安全可靠，功能设置尽量满足用户要求，且方便高效。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章推力加载系统总体结构设计本章主要介绍加载系统的总体结构，各组成部件的主要功能，以及系统各元件的选择和主要特性。2.1系统技术要求系统各项技术要求如下：(1)功耗：小于300W。(2)环境温度：。(3)加载范围：0~45kN。(4)加载精度：±10N。(5)稳定时间：1min以上。(6)不确定度：0.5%以内。(7)校准完成时间：小于30分钟。2.2系统总体结构加载系统主要由工控机、步进电机、电机驱动器、减速机构、丝杠－螺母副、传感器及运动控制卡构成。系统功能示意图如图2-1所示。图2-1系统功能示意图-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）各部分的主要功能如下：(1)工控机：整个加载系统的控制中心，结合用户的实际给定，通过控制程序计算出驱动信号并发送到电机驱动器，并完成图形显示、存储、打印测量信息等功能。(2)驱动器：接受工控机发送的给定信号，驱动步进电动机。(3)步进电动机：加载系统的执行元件，由它提供加载转矩。(4)推力传感器：由推力传感器直接测量出加载的实际推力值，提供给工控机作为测量信号，同时在工控机上进行图形显示和存储。系统总体结构图如图2-2所示。工控机与运动控制卡采用PCI总线连接方式；工控机与VXI机箱采用1394总线通讯方式；运动控制卡向步进电机驱动器发出脉冲指令和方向信号。图2-2系统总体结构图发动机试车台架的结构图如图2-3所示，主要由动架、定架及连接用的弹簧板簧组成，推力加载机构固定于定架上。原位校准时，加载机构产生模拟推力带动动架移动，压缩弹性组件和标准传感器产生微小位移，由标准传感器测得推力值。动架的移动也使工作传感器受到相应的载荷，两者的差值可看做主要的系统误差。校准时，加载机构在正反行程上产生可逐级增减变化的模拟推力作用于标准传感器，通过将标准传感器的输出电压值与工作传感器对比，得到系统的校准曲线。通过对曲线的分析和处理可以确定系统的综合不确定度，用于消除系统误差[2]。实际发动机测试时，标准传感器脱开，工作传感器的输出量通过校准曲线得到对于标准传感器的实际测量值。加载机构采用步进电机－丝杠－螺母副-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）的机械传动方式，步进电机带动传动丝杠旋转，使螺母轴向上产生微量位移压缩弹簧，通过控制微小位移量实现精确加载[3]。1模拟发动机2标准传感器I3推力加载机构I4标准传感器II5推力加载机构II6工作传感器图2-3发动机测试台架结构示意图2.1系统各部件的选取加载系统中各部件的正确选取，是进行加载控制的前提和保证。不但要使各部件的参数和特性能够达到加载的基本要求，还要尽量减小由组成元件所带来的各种干扰因素对加载转矩控制的影响，尽可能降低控制的复杂程度，同时还要使整套系统具备良好的稳定性、可操作性和可维护性并尽量降低系统成本。2.3.1驱动电机的选取本系统的驱动电机有两种选择：步进电机或者交流伺服电机。由于两种驱动电机的价格差距明显，在本文设计的加载系统中，重点要求的是精确定位功能，而对于其它方面的要求较低，通过计算分析，步进电机的位置控制精度完全能够满足系统设计需要。因此，在本系统的设计中选用步进电动机作为执行元件。2.3.1.1步进电动机概述步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电动机来说，步进电动机可以简单地定义为，根据输入的脉冲信息，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，它是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分[4]。其系统框图如图2-4所示。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图2-4步进电动机系统框图2.3.1.1步进电动机工作特点采用步进电动机作为加载执行元件，加载电动机应具有如下工作特点：(1)易于启动、停止、正反转及变速，响应性好。(2)停止时具有自锁能力。(3)位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统。(4)在正常加载范围内，加载电机的转速、转角及其变化受加载系统控制。2.3.1.2步进电动机本课题加载系统要求的推力输出精度小于0.5N，推力输出精度为步进电机旋转一个步距角时，由于螺母轴向微小移动压缩弹簧变形，向传感器施加压力的增加值。其中丝杠－螺母副选择的是T形螺纹，螺距为Tr30×3；弹簧采用的是碟形弹簧，其刚度为K=600N/mm。步进电动机通过的减速器的减速比为。因此，步进电动机的步距角最大值为显然，这个步距角是非常大的，而实际的步进电动机的步距角一般都在以下，当然都能满足校准精度的要求。考虑到实际系统可能存在的误差，以及步进电动机本身的失步和共振带来的影响，步距角的选择是越小越好，最后我们确定采用的步距角为，以这个步距角计算出来的推力输出精度为（校准精度）实际型号采用德国百格拉公司三相混合式步进电动机，选择VRDM366/LHA型号，其具体参数如下：(1)额定扭矩；-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(1)保持扭矩；(2)最高启动速度；(3)相电压；(4)相电流；(5)转动惯量；由上面计算出来的推力输出精度为0.045N，完全满足校准精度，而且留有相当大的余量。2.3.2驱动器2.3.2.1驱动器概述步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备，即步进电动机驱动器。步进电动机驱动器的主要构成如图2-5所示，一般有环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有许多保护线路。环形分配器用来接收来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接收控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是决定了步进电动机的转向。图2-5步进电动机驱动器构成2.3.2.2驱动器的特点步进电动机驱动与一般电子设备的驱动有不同的特点，主要体现在：(1)各相绕组都是开关工作。多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。例如，三相反应式步进电动机在三相六拍状态工作时，各相施加电压的波形如图2-6所示。(2)电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(3)绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都将产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。(4)电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。图2-6VR三相电动机三相六拍工作时各相绕组电压波形(5)电动机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用于功率器件。当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，使驱动级工作条件更为恶化。2.3.2.1电机驱动器选用德国百格拉公司的三相混合式步进电动机驱动器，型号为D921，它采用交流伺服原理工作，主要驱动百格拉公司生产的0.45、0.9、1.5、1.7和3.7的步进电机，该驱动器及配套的步进电机是为了满足用户低压安全要求（24VDC）而特殊开发生产的驱动系统。输出扭矩仅与电机的转速有关，而与电机每转步数无关。优点是低速运行平稳、无共振区、无爬行、噪音小、高速扭矩大，在每转步能够精确定位。2.3.3推力传感器的选择加载系统是对力值进行控制，因此需要采集实际力值作为反馈量，同时还要在工控机上显示，这就要求配置能够检测加载力值的传感器。实际采用梅特勒-托利多TSB-5传感器。TSB-5额定容量5t，灵敏度2±0.002mV/V，不重复性≤0.01%R.O.，滞后≤±0.02%R.O.，非线性≤±0.02%R.O.，符合要求。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2.1本章小结本章主要介绍了加载系统的总体结构，组成系统的各个部件所完成的功能和选择的标准，以及根据标准所选部件的具体型号。根据加载系统的指标要求，实际选择的各部件的特性，完全能满足加载指标的需要。这些都为了加载系统控制的进行提供了一个良好的前提和基础。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章推力加载系统控制策略本章主要对推力加载系统的控制策略进行介绍，包括两种常用的控制方式，即PID控制方式和模糊控制方式，重点介绍变论域自适应模糊控制，并对其进行了改进，使其更加适用于本系统。3.1常用控制方式介绍3.1.1PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确地系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。典型PID控制器的传递函数为：(3-1)　　其中，，为需要整定的三个参数。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。现在一般采用的是临界比例法。PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除静差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或者容量滞后较大、控制要求较高的场合。但是对于非线性、大惯性及对鲁棒性和自适应性以及超调有要求的复杂系统，PID-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）控制往往不能满足设计要求，因此，PID控制多用于一些系统非线性度较低的场合。3.1.1模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法。1965年，加州大学伯克利分校的计算机专家LoftyZadeh提出“模糊逻辑”的概念。1974年，英国的Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，将其应用在锅炉和蒸汽机的研制中并获得了成功。模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理、控制过程的方法与策略通过所谓的模糊控制器来实现的。因此该理论多应用于一些强耦合、多参数、非线性、时变性、大惯性、纯滞后的复杂的、建立数学模型困难的系统。模糊控制系统与传统的闭环控制系统不同之处，就是用模糊控制器代替了模拟式控制器。模糊控制的基本原理:根据系统的输入输出之差,可以产生系统的输出误差及误差变化率。通过量化因子将连续的误差及误差变化率转化到模糊论域,变为离散量。根据这些论域内的离散量确定当前的误差及误差变化率的模糊语言值,再由这两个语言值根据由条件语句组合而来的模糊控制规则确定语言输出值,最后将输出语言值经比例因子清晰化,从而得到实际控制量输出值。模糊控制器本质上就是一个采用了模糊控制算法的计算机或芯片，其组成如图3-1所示[5]。它分成三个部分：(1)模糊化：将由测量得到的清晰数转化为模糊量。(2)模糊推理：根据模糊控制算法进行推理。(3)解模糊：将模糊集合变成清晰值的过程。图3-1模糊控制器组成模糊控制器具有对过程建模的要求不高、控制算法简单方便、易于实现实时控制、高鲁棒性等特点。但是由于其控制精度取决于控制规则的数量，在控制精度要求较高的场合需要相当多的控制规则。因此，模糊控制只适用于粗糙控制场合，对于高精度的控制问题，模糊控制的效果不理想，还得依赖经典控制或模糊控制与经典控制相结合的控制[6]。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.1变论域自适应模糊控制由于模糊控制在高精度的控制场合控制效果不理想，导致其适用范围太窄，于是很多的学者提出了与神经网络和遗传算法等先进算法相结合的模糊算法，其中很多算法都取得了相当好的控制效果，但这些算法在改善控制效果的同时，也增加了算法复杂度，提高了对控制系统资源的要求，因此，很多算法不适合应用于对实时性要求较高的领域[7]。变论域自适应模糊控制理论于1995年由北京师范大学李洪兴教授首次提出，并于1999年完善了相关方面的理论，它控制精度高，相对神经网络或遗传算法来说具有算法简单实用、控制器结构简单的特点。3.2.1变论域思想的提出模糊控制器本质上就是插值器，目前常用的模糊控制模型如Mamdani模型、Mizumoto模型、Sugeno模型、Takagi模型等均可归结为某种插值函数[8]。在插值的意义下，作为表示模糊推理条件的模糊集恰为插值的基函数。因此，由插值得到的控制函数是否充分地逼近真实控制函数，要看这些模糊集峰点之间的距离是否充分的小，这意味着控制规则要足够的多，而这对于依赖领域专家知识总结控制规则的模糊控制器来说是困难的，这样便导致模型控制的稳态误差较大。针对这一问题，首次提出了变论域思想[9]：在规则形式（形状）不变的前提下，论域随着误差变小而收缩（亦可随着误差增大而扩展）。局部地看，论域收缩相当于增加规则，即插值节点加密，从而提高了精度。论域的压缩与膨胀情况如图3-2所示[10]。（a）为初始论域，（b）、（c）为压缩后论域图3-2论域压缩与膨胀情况-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）这是一种动态逐点收敛的插值器，而这对控制来讲是足够的。不难看出，基于变论域的模糊控制器实际上是一种自适应模糊控制器。此外，基于变论域的模糊控制器的设计无需太多的领域专家知识，只要知道规则的大致趋势，至于论域是否等距划分，隶属函数取什么形式，在论域收缩之下已显得无关紧要了[11]。3.2.1变论域自适应模糊控制器以双输入单输出模糊控制器为例，变论域自适应模糊控制系统的结构如图3-3所示。，，分别为论域X，Y，Z的伸缩因子，伸缩因子的变化将导致隶属函数变形，从而改变了控制规则，达到了自适应的效果。显然，如何选取伸缩因子将决定变论域自适应模糊控制器的性能。一种常见伸缩因子组合表达式如下：(3-2)图3-3变论域自适应模糊控制系统结构-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.1变论域自适应模糊控制的改进变论域自适应模糊控制器改善了模糊控制器的控制精度，扩大了模糊控制的应用范围，但其不可避免地存在一些缺陷。要想得到伸缩因子需要进行复杂的高等函数计算，变换隶属函数，实现起来复杂，计算量大，会影响系统的实时性。基于上述原因，有必要对变论域自适应模糊控制器进行改进，使其更符合实际应用的要求。3.3.1伸缩因子的量化分级针对伸缩因子在线调整耗费系统资源大的问题，可以利用分级控制的思想对其进行改造。即不再实时调整伸缩因子，而是将伸缩因子的值分成若干等级，根据不同的误差范围取不同的值。设，将其量化分级后得(3-3)其中为级数。显然，保留了变论域的思想，是对的近似简化。当足够大时，能获得“逼近”的性能。在实际应用中，及可根据需要取值，由离线计算得到，并生成伸缩因子查询表。经此处理后，控制器只需查表获得伸缩因子的值，并且只在固定点，，…，处计算变换后的隶属函数，这样无疑将大大提高系统的实时性。3.3.2改进型变论域自适应模糊控制器综上所述，我们可以得到一种改进型变论域自适应模糊控制器，其结构如图3-4所示：-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图3-4改进型变论域自适应模糊控制器结构图其中，虚线框内为与具体系统无关的普通模糊控制器，具有固定的输入论域和及输出论域。，分别为经过放大的误差及误差变化，为经过缩小的输出，即有：系统的初始输入论域为和，有：(3-4)(3-5)，分别为系统输入误差及输入误差变化的分级数。设系统的初始输出论域为，可得：-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(3-6)若为简单起见，可令(3-7)，分别为系统输入误差及输入误差变化对系统输出的影响因素，根据不同系统酌情取值。改进后的变论域自适应模糊控制器保留了原控制器控制精度高的优点。与原控制器相比，运算量大为减少，能够节省大量的系统资源。3.1推力加载系统的控制策略选择加载系统中存在着许多影响加载稳定性的因素，主要有以下两点：加载过程中存在不确定性扰动。当达到加载设定值附近时，如果停止电机转动，加载力值可能向大（或小）的方向产生小的持续变化，直到最后稳定到某一力值。这种力值扰动与许多因素有关，如达到此设定值的区间段的加载速度、方向、设定点和设定点附近的调整速率等，还可能与机械机构存在滞弹性、摩擦甚至间隙等一些因素有关，并且在特定的加载点附近有一定规律性。位移调整的速度应该仔细选择，位移的调整速度过大会使加载力值围绕设定点产生振荡，过小则会影响加载的效率。传感器仪表的测量滞后特性。仪表实现模拟量到数字量转换和处理需要一定的时间，范围在0.5s到数秒。这种测量滞后容易导致加载力值的波动。由于存在这些不确定因素，常规PID控制很难取得很好的控制效果。普通模糊控制器存在一定的稳态误差，不符合加载精度的要求。改进后的变论域自适应模糊控制器易于实现，并能大幅度提高模糊控制系统的控制精度，因此非常适合作为本推力加载系统的控制器。3.2本章小结本章介绍了两种控制方式（PID控制方式和模糊控制方式），-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）并对它们的控制性能进行了简要分析，重点介绍了变论域自适应模糊控制器并对其加以改进，并选择改进的变论域自适应模糊控制策略为加载系统的控制策略。这无疑为加载系统的软件设计奠定了基础。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章NI运动控制卡及LabWindows/CVI本章介绍美国国家仪器公司（NI公司）推出的NI7330运动控制卡的特点及关于它的操作的一些信息，另外还对NI公司的LabWindows/CVI软件进行了介绍。4.1NI运动控制卡运动控制卡是基于PCI总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。4.1.1NI7330运动控制卡NI7330运动控制卡是基于PCI总线的一种步进电机控制器，7330提供完全可编程的长达四个独立或协调的轴向运动控制。我们可以利用7330运动控制卡控制步进电机进行点对点的和直线的运动。7330控制器能够采用步进电机进行任意复杂的轨迹的运动。步进轴可以在开环或者闭环模式下操作。在闭环模式下，步进轴采用正交编码或模拟输入做为位置和速度反馈。所有步进轴支持全、半和微步进应用。4.1.1.1硬件结构7330采用一种先进的双处理器结构，处理器使用32位CPU，包括一个数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列(FPGA),这使得7330具有很高的性能。对于所有的闭环控制，7330都通过DSP来实现。FPGA支撑着DSP芯片，它完成超高速编码器的接口、位置捕获和断点功能、运动I/O处理和步进脉冲产生等硬件的实时功能。其结构如图4-1所示。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1RTSI连接器2序列号3提醒标志4柔性排线认证标志5识别号码6装配号7数字I/O连接器8运动I/O连接器9CPU10DSP图4-1PCI-7330结构图4.1.1.1嵌入式实时操作系统嵌入式的固件是基于一个嵌入式的RTOS核心，它在各种运动控制应用中提供最优化的系统性能。运动控制任务被优化了。运动控制任务的执行顺序是由每个任务的优先级、整个运动控制系统的状态、I/O或者其他的系统事件和实时的时钟共同决定的。DSP芯片是一个与CPU分开的、独立的但是又受到CPU的同化的处理器。7330是一个真正意义上的多重处理和多任务执行的嵌入式控制器。4.1.1.2轨迹发生器7330控制器轨迹发生器在控制轴向目标位置运动的过程中计算出控制速度和加速度的瞬时的命令。这些命令然后被送到步进脉冲发生器。为了实施无限的轨迹控制，7330控制器在DSP芯片内集成了8个轨迹发生器。每个发生器为每段更新时间计算出一个瞬时位置。简单的点对点运动只需要一个轨迹发生器，而对于复杂的运动和无限的轨迹控制过程则需要两个发生器同时工作。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4.1.1.1信号连接器7330有三个连接器，他们控制了外部运动系统发出或接受的所有信号。这三个连接器是：运动I/O连接器；数字I/O连接器；RTSI连接器。(1)运动I/O连接器。运动I/O连接器包含了用于控制最多四轴步进运动的所有信号，包括：运动控制步进输出；编码器反馈输入；断点输出；触发脉冲输入；抑制输出。下图显示了7330上运动I/O连接器的引脚分配。图4-2运动I/O连接器管脚分配图-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(1)数字I/O连接器。所有7330上的多用途的数字I/O线在一个单独的68引脚的数字I/O连接器上都是可用的。下图是该连接器的管脚分配。图4-3数字I/O连接器管脚分配图(2)RTSI连接器。PCI7330采用带状电缆连接到其他的PCI装置。7330运动控制卡最多允许使用8个RTSI触发线做为触发输入源。RTSI触发线同样可以作为一般的数字I/O口。RTSI星形触发线只能用作触发输入。断点输出产生一个持续200ns的高电平脉冲。如图4-4所示：-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图4-4断点输出脉冲图4.1LabWindows/CVI软件LabWindows/CVI是NationalInstruments公司(美国国家仪器公司，简称NI公司)推出的交互式C语言开发平台。LabWindows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境[12]。LabWindows/CVI是为C语言程序员提供的软件开发系统，在其交互式开发环境中编写的程序必须符合标准C规范。使用LabWindows/CVI可以完成如下工作：(1)交互式的程序开发；(2)具有功能强大的函数库，用来创建数据采集和仪器控制的应用程序；(3)充分利用完备的软件工具进行数据采集、分析和显示；(4)利用向导开发IVI仪器驱动程序和创建ActiveX服务器；(5)为其它程序开发C目标模块、动态连接库（DLL）、C语言库。4.2.1Labwindows/CVI的开发环境4.2.1.1Labwindows/CVI的主要窗口Labwindows/CVI开发环境的三个主要窗口是工程窗口、源代码窗口和用户界面编辑器窗口，文件类型和对应窗口见表4-1。工程窗口列出了组成该工程或程序的所有文件。源代窗口是开发C源文件的地方，源代码窗口与标准C语言规范完全兼容，可在源代码中使用任何标准C语言结构或标准库函数。而用户界面编辑器窗口让用户可以以“所见即所得”的方式轻松地创建并编辑图形用户界面，Labwindows/CVI为用户提供了丰富的控件类型，共有14种，每一类控件下面又细分为几种不同样式的控件。表4-1文件类型和对应窗口-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）文件类型对应窗口*.prj工程窗口*.c源代码窗口*.uir用户界面编辑器窗口4.2.1.1生成交互式代码LabWindows/CVI中包含有交互式代码生成工具，使用本工具可大大减少编程人员编写源代码的工作量。在函数面板上放置好所需的控件，并且设置好所有控件的相应属性之后，可以运用生成交互式代码的工具，生成一个程序的框架，之后再由用户向其中添加剩余的代码，这样就大大节省了编程人员花费在编写源代码上面的时间，提高了编程的效率。4.2.1.2执行和调试程序LabWindows/CVI提供了非常友好的程序执行和调试工具，综合使用这些工具，在程序调试过程中可以迅速发现问题，提高编程、调试的效率。4.2.2LabWindows/CVI应用程序设计步骤使用LabWindows/CVI进行程序设计的步骤如下：(1)创建工程文件，编辑图形用户界面。打开工程窗口，创建一个用户界面文件，打开用户界面编辑窗口，在窗口中创建控件，并修改用户界面中各控件元素的属性。(2)生成源代码文件。利用代码生成器建立源文件的函数框架。(3)添加源代码。添加源代码可分为两部分：主程序段及其前缀部分和以CVICALLBACK为标志的控件回调函数部分。(4)程序的执行。4.2.3LabWindows/CVI基本库函数编程中常用的LabWindows/CVI中的基本库函数主要包括：用户界面库（UserInterfaceLibrary）；格式化与I/O库（FormattingandI/O）；实用函数库。4.2.3.1用户界面库用户界面库（UserInterfaceLibrary）中提供了许多与面板上各种控件打交道的函数，通过这些函数，可以设置和编辑Panel上某个控件的属性值，实时地在Panel的图形控件上显示波形，在数值型控件上显示数据。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）用户界面库函数包括所有与用户界面设计有关的函数，按用途分类，主要有以下13类函数：(1)面板操作类函数（Panels）：对用户自定义面板执行调用/创建、修改、卸载/释放等操作的函数。(2)菜单结构类函数（ManuStructures）：对用户自定义菜单结构执行调用/创建、修改、卸载/释放等操作的函数。(3)控件操作类函数（Controls/Graphs/StripCharts）：对控件、图形执行创建、控制、修改和释放等操作的函数。(4)弹出式面板类函数（Pop-upPanels）：实现用户定义对话框或已定义对话框的安装和交互作用等操作的函数。(5)按键响应函数（KeyPressEventFunctions）：响应按键消息处理的相关函数。(6)回调函数（CallbackFunctions）：实现用户自定义回调函数（响应用户界面事件和Windows消息的处理函数）的安装操作的函数。(7)用户界面管理类函数（UserInterfaceManagement）：对用户输入和屏幕显示进行控制的函数。(8)打印类函数（Printing）：用于定制打印和打印输出的函数。(9)鼠标和光标控制类函数（MouseandCursor）：实现对鼠标、鼠标光标和沙漏光标的状态进行捕获和设置操作的函数。(10)矩形和点操作类函数（RectanglesandPoints）：用于创建和操作矩形和点结构的函数。(11)位图操作类函数（Bitmaps）：用于创建和释放位图（bitmaps）的函数。(12)剪贴板操作类函数（Clipboard）：实现对系统剪贴板的访问函数。(13)LWDOS兼容类函数（LWDOSCompatibilityFunctions）：与现有DOS版本的LabWindows/CVI保持兼容的函数。(14)监控类函数（Monitors）：获取运行过程中出现故障时的错误信息。(15)其他类函数（Miscellaneous）：无法归入上述类别的其他函数。4.2.3.1格式化与I/O库格式化与I/O库主要包括以下5个函数类：(1)文件I/O函数。(2)字符串处理函数。(3)数据格式化函数。(4)获得格式I/O错误函数。(5)获得格式I/O错误相对应的字符串函数。4.2.3.2实用函数库-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）实用函数库主要包括如下15个类函数：(1)定时/等待函数类。(2)日期/时间函数类。(3)键盘函数类。(4)文件应用函数类。(5)路径实用函数类。(6)外部模块函数类。(7)I/O端口函数类。(8)标准输入/输出窗口函数类。(9)实时错误报告函数类。(10)中断函数类。(11)物理内存访问函数类。(12)多线程函数类。(13)任务切换函数类。(14)运行可执行文件函数类。(15)其他函数类。4.1本章小结本章介绍了NI7330运动控制卡和LabWindows/CVI软件，主要阐述了7330的硬件结构、嵌入式实时操作系统、轨迹发生器和信号连接器，说明了LabWindows/CVI的开发环境、程序设计步骤和基本库函数，为后来的编程做了铺垫。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章基于LabWindows/CVI的系统软件设计在推力加载系统中，要编程实现加载过程的自动、手动控制，以及加载参数的设定，和实际测量力值和状态的显示、存储等许多功能，这些功能是由基于C语言的Labwindows/CVI来编程实现的。本章主要介绍基于Labwindows/CVI的推力加载系统的软件设计。5.1软件要完成的主要功能根据课题的要求，本套加载系统主要对步进电动机进行加载控制，同时还要完成加载力值的测量。对推力校测软件而言，具体需要实现的功能如下：(1)参数设定功能：应可以对量程、分度值、加载次数、加载单位步长、加载点数、正反行程等参数进行设定。(2)清零功能：如零位漂移不大于满量程的，而且没有检测到重量变动，则可按此键令显示器显示零。(3)显示功能：主界面和自动、手动加载界面显示加载力值，传感器的数值显示单位为，显示更新速度为10次/秒。(4)调校功能：当进行初次安装时，或当称重系统中部分零件发生改变以及观察到有漂移时、或当前仪表不能满足用户使用要求，都应进行调校。(5)采集功能：要求加载到位稳定后，能发出电信号给试车台数采系统，使数采系统对工作传感器信号进行采集。5.2模糊控制策略在加载系统中的实现前面已经介绍了改进的变论域自适应模糊控制策略。下面讨论其在控制系统中的具体实现。偏差量做为输入，输出量为运动控制卡单位时间内输出脉冲的个数，即位移调整量的大小，它决定了控制的精细程度，而每次的间隔时间反映了加载的速度。加载的速度和力值与设定点稳定程度有很大关系，需要适当选择此外由于存在测量滞后，每次输出的间隔时间应大于测量滞后时间，也就是说在前一次的控制作用产生的输出量稳定之后再施加下次控制，这种间歇式的控制可以有效克服测量滞后对加载稳定性的影响。基于上面的分析，系统的加载采用如下的实现方式：-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）将误差范围分为4个等级，即、、、，不同的范围选取不同的速度和步数，其中误差等级，，都可由用户在面板上输入，而不同的误差范围对应的不同的速度和步数也可由用户手动输入，用户可根据具体的加载情况设定这些参数。在较小的两个误差范围内，还可由用户设置延时时间，用以消除或减小测量滞后对加载稳定性的影响。当电机由某一加载位置向设定的位置加载时，将实时力值与设定力值的偏差做为模糊控制器的输入，根据偏差所在的误差区间，选择加载的速度和步数。这样，在距离目标值较远的位置进行粗调，而在接近目标值的位置进行细调，从而实现了加载的精确、快速和稳定控制。5.1基于LabWindows/CVI的软件设计5.3.1加载系统软件程序结构设计在推力加载系统软件设计中我们采用了结构化的设计，即采用自顶向下逐步求精的方法，把一个复杂的系统分解和细化成一个由许多子程序组成的层次结构的软件系统。子程序是C数据说明、可执行语句等程序对象的集合，每个子程序完成一个子功能，把这些子程序集合起来组成一个整体，就可以完成指定的任务。采用结构化原理，可以使软件结构清晰，不仅容易设计也容易阅读和理解。因为程序错误通常局限在有关的子程序及它们之间的接口中，所以使用子程序使软件容易测试和调整，因而有助于提高软件的可靠性。因为变动往往只涉及少数几个子程序，所以结构化的设计方法能够提高软件的可修改性。同时采用子程序结构也有助于软件开发工程的组织和管理。本系统程序由初始化，输入处理，全体管理，自动加载，手动加载，异常处理等几个任务组成，程序流程如图4-1所示。其中，“输入处理”任务实现数据采集及处理，参数设置等功能；“全体管理”任务根据输入及各任务的执行情况管理全体任务的执行或等待；“自动加载”任务控制自动加载整体进程；“手动加载”任务处理手动参数输入并控制手动加载进程；“运动控制”任务根据“自动加载”任务或“手动加载”任务提供的目标力值及传感器反馈的实际力值，运用控制器实现力值加载和稳定功能；“输出处理”任务实现输出力值以及状态信息的显示。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图5-1程序流程图5.3.1加载系统软件设计加载系统主要分为6个界面，分别是主界面、自动加载参数设置界面、高级参数设置界面、传感器系数设置界面、自动模式加载界面，手动模式加载界面。5.3.2.1主界面设计主界面要完成的功能有清零、恢复清零、复位、停止复位、标准传感器测量力值的显示、系统状态信息的显示、退出以及切换到其他界面的功能。界面如图4-2所示。其中设置了4个CommandButton控件，分别是恢复清零、清零、复位和停止，分别实现恢复清零、清零、复位和停止复位的功能；1个Numeric控件，用于显示标准传感器的力值；1个TextBox控件，用于显示系统状态信息，1个PictureButton控件，用于实现退出功能；菜单条用于实现向其他界面切换的功能。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图4-2主界面面板清零回调函数的功能是，将主界面显示力值变为零，并自锁清零键，将刚才的偏差存入一个变量中，以备在计算力值时将偏差消除，同时停止主界面的始终，即停止刷新力值。恢复清零回调函数的功能是，解锁清零键，将刚才存入偏差的变量赋零。复位回调函数的功能是，检查运动控制卡是否已经初始化，若没有则提示错误信息，若已经初始化，则锁定复位按钮，解锁停止按钮，并启动复位线程，根据加载点现在的位置，选定电机运动的方向，通过运动控制卡的命令进行复位，加载到零位置时停止，显示复位完成。停止回调函数的功能是，通过标志位的设定使复位线程中止，解锁复位按钮，锁定停止按钮。PictureButton按钮回调函数的功能是，检测加载和复位线程是否结束，检测传感器是否受力，若线程没有结束或传感器受力则提示错误信息，若线程结束且传感器不受力，则关闭运动控制卡和数采卡。菜单条实现切换到自动加载参数设置界面、高级参数设置界面、传感器系数设置界面、自动模式加载界面以及手动模式加载界面的功能。5.3.2.1自动加载参数设置界面设计自动加载参数设置界面要完成的功能有，压向最大值、拉向最大值、加载点数、加载行程、稳定时间、加载方向、过载设定的输入和加载零点的选择。界面如图4-3所示-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图4-3自动加载参数设置面板“压向最大值”和“拉向最大值”分别是正向加载和反向加载可以达到的最大力值；“稳定时间”是指达到加载目标值后，需要测量力的显示值保持不变所持续的时间，在达到稳定时间后，加载系统通知1411B采集工作传感器的值；加载点数是指一次加载行程中所加载的点的个数，加载次数是指加载行程的次数；“过载设定”设定最大的过载值(拉向和压向同为此设定值)。加载零点的选择决定了加载行程是从零开始，还是从拉向最大值开始。确定按钮回调函数的功能是，将用户输入的参数存到计算机内部的变量中，方便其他的程序段调用。取消按钮回调函数的功能是隐藏自动加载参数设置面板。5.3.2.1高级参数设置界面设计高级参数设置面板要完成的功能有误差范围、加载速度、步进电机行进的步数和延时这些参数的输入。界面如图4-4所示。按与目标值接近的程度将加载进程分为四段，由于加载的速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于其驱动脉冲的频率，所以通过改变脉冲的发生频率或每个采样周期内发出的个数可以改变加载速度，越接近目标值加载速度越慢。误差在10N以内时设置延迟时间以提高加载稳定性，延迟时间越短，调节速度越快。确定按钮回调函数的功能是，将用户输入的误差、速度、步数和延时参数存到变量中，之后隐藏高级参数设置面板。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）取消按钮回调函数的功能是，直接隐藏高级参数设置面板。图4-4高级参数设置面板5.3.2.1传感器系数设置界面设计传感器系数设置面板的作用就是输入传感器的4个系数，传感器的公式为，输入的4个参数分别是力表现为压力时的a值和b值，还有力表现为拉力时的a值和b值。界面如图4-5所示。图4-5传感器系数设置面板-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）其中x是电压值，单位为mV，y为力值，单位为N。确定按钮回调函数的功能是将4个传感器参数存到变量中，之后隐藏传感器系数设置面板。取消按钮回调函数的功能是直接隐藏传感器参数设置面板。5.3.2.1自动模式加载界面设计自动模式加载面板完成的功能有，标准传感器与工作传感器力值的显示，加载参数（包括正向最大值、反向最大值、加载行程、加载点数和运行方向）的显示，系统状态信息的显示，启动自动加载，暂停自动加载，复位，继续，切换到手动，加载进程的显示，返回主界面。其界面如图4-6所示图4-6自动加载模式面板启动按钮回调函数的功能是，检测数采卡的初始化状态，锁定启动按钮，给各个标志位赋值，启动自动加载线程。自动加载线程启动后，先进行加载准备，通过运动控制卡的命令控制步进电机的运动，在接近加载点的时候，降低加载速度，等到加载到预定加载点之后，经过稳定时间之后，进行记录，接着再加载下一个点，并在自动加载界面上显示加载的进程和加载参数。暂停按钮回调函数的功能是，停止正在进行的自动加载进程，锁定暂停和复位按钮，解锁继续和手动按钮。复位按钮回调函数的功能是，复位即将加载的位置回到初始位置，锁定继续、暂停和手动按钮。继续按钮回调函数的功能是，继续刚才停止了的的自动加载进程，并锁定继续和手动按钮，解锁暂停和复位按钮。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）手动按钮回调函数的功能是，隐藏自动加载面板，显示手动加载面板。5.3.2.1手动模式加载界面设计手动加载界面要完成的功能有，标准传感器和工作传感器的力值显示，连续模式的手动加载，目标值模式的手动加载，返回自动模式，返回主界面，系统状态信息的显示。其界面如图4-7所示。图4-7手动加载模式面板连续模式是指以一定的速度连续加载，速度由用户输入；目标值模式是指输入一个力值，也就是一个点的位置，然后加载到该位置。反向按钮回调函数的功能是，检测数采卡初始化状态，启动手动模式界面的数采计时器，调用子函数，以用户输入的速度进行反向加载。正向按钮回调函数与反向按钮回调函数在功能上，除了方向相反外完全一样。连续模式下的停止按钮回调函数的功能是停止连续模式下的手动加载进程。开始按钮回调函数功能是，检测数采卡初始化状态，启动目标值模式的加载线程，开始加载，加载到目标值位置后停止加载。目标值模式下的停止按钮回调函数的功能是停止目标值模式下的手动加载进程。返回启动模式按钮回调函数的功能是，隐藏手动加载面板，显示自动加载面板。5.1实验数据及结果实际应用中常用一条工作直线来代替实际的校准曲线，它反映推力台架的输入和输出关系，可用下面的方程表示：-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）（4-1）其中，X为标准传感器读数（输入量），Y为工作传感器数值（校准数据），a和b根据校准数据采用最小二乘法确定。在正反行程逐级加载3次，实验数据及分析结果如表4-2所示。表4-2实验数据处理（mV）测量信号1（正）0.7505.63110.15415.39720.2751（反）0.7505.63310.51815.39720.2782（正）0.7515.62810.51315.39020.2782（反）0.7555.62910.51715.39620.2783（正）0.7505.63110.51415.39720.2753（反）0.7505.63310.51815.39720.278平均值（正）0.7505.63010.51415.39520.276平均值（反）0.7525.63210.51815.39720.278总平均值0.7515.63110.51615.39620.277台架工作曲线a=0.b=0.75067非线性误差0.008%迟滞误差0.020%重复性误差0.089%不确定度0.094%计算各级载荷指示值的平均值，得到推力台架的校准曲线，如图4-8所示。图4-8校准曲线根据推力台架的检定标准，由校准曲线可以确定台架系统的如下参数：-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）非线性误差、迟滞误差、重复性以及综合的不确定度。通过实验结果，可以看出正、反行程校准曲线基本吻合，从而总的推力校准曲线具有良好的特性，并且各种评定误差都控制在很小的范围内。这说明推力台架具有较高的设计精度水平，也说明本文设计的新型推力校测机构能够满足试车台实验要求。5.1本章小结本章对推力加载校测系统的编程进行了阐述，给出了改进的变论域自适应模糊控制策略在系统中的实现方法。根据课题的要求，分析了加载系统要完成的主要功能然后根据这些功能要求，采用LabWindows/CVI软件进行编程，按照结构化的设计原理，将系统分为若干个子程序和线程，从而保证了程序的可靠性、稳定性和可维护性。最后给出了一组实验数据以及由这些数据生成的曲线，并由此分析了系统的性能。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）结论本课题主要对发动机推力加载的控制问题进行了研究。首先建立了一套采用步进电动机作为加载元件的推力加载系统，然后分析了加载过程中可能出现的情况，最后完成了推力加载软件的设计。通过对发动机推力模拟这一问题的研究，本文得出如下结论：(1)在推力加载方式选择上，传统的加载方式液压加载，存在加载滞后，液压油渗漏现象，加载数值不稳定、操作不方便等问题，因此考虑采用电机加载方式来代替传统的液压加载系统。(2)本装置在设备选型方面进行了研究，采用高精度推力传感器，小步距角的步进电机，以及工控机的实时采集、测量推力值，提高了测量系统的可靠性，提高了工作效率，缩短了试验周期，减轻了劳动强度。(3)对加载的控制方式进行了研究，重点研究了变论域模糊控制并对其进行了改进。改进型变论域模糊控制具有良好的控制性能，能有效提高系统的加载精度和稳定性。(4)推力加载系统采用基于C语言的Labwindows/CVI软件进行编程，应用结构化的原理设计程序结构，软件功能完备，结构清晰，便于阅读和理解，同时容易测试和修改，具备较好的可靠性和可维护性；界面设计美观、友好、规范，充分考虑了用户使用的方便性、简便性和自动化，最大限度减少了用户对控制的参与。本课题对发动机推力加载控制问题进行了初步的研究，取得了一些有一定实用价值的成果，无论对推动电动加载领域的研究，对提高电动加载设备的性能，对提高我国发动机测试水平都具有重要的价值和意义。-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）参考文献[1]杨生发，樊丁，李元业.发动机推力测量新型校准装置研制.西北工业大学学报.1997，15(3)：338~342[2]Taylor,P.Robert,Steele,etal.Freedie.Uncertaintyanalysisofrocketmotorthrustmeasurementswithcorrelaltedbiases[J].ISATransactions,1995,34(3):253~259[3]郭犇，李俊杰，王明彦.采用模糊控制的推力测量系统自动校验装置[J].仪器仪表学报.2006，27(6)：1486~1488[4]刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨工业大学出版社.1997[5]邵裕森，戴先中.过程控制工程.机械工业出版社.2009[6]李洪兴.Fuzzy控制的本质与一类高精度Fuzzy控制器的设计.控制理论与应用.1997[7]周勇，李智.变论域模糊控制器的改进及其应用.控制系统.2008，24(1)：41~42[8]李洪兴.模糊控制的插值机理.中国科学(E辑).1998，28(3)：259~267[9]李洪兴.从模糊控制的数学本质看模糊逻辑的成功.模糊系统与数学，1995，9（4）：1~14[10]李洪兴，苗志宏，王加银.非线性系统的变论域稳定自适应模糊控制.中国科学(E辑).2002，32(2)：211~223[11]李洪兴.变论域自适应模糊控制器.中国科学(E辑).1999，29(7)：32~42[12]孙晓云.基于Labwindows/CVI的虚拟仪器设计与应用（第2版）.电子工业出版社.2010[13]Guan-ChyunHsieh，andJung-Chien.DesignandImplementationofanACActiveLoadSimulatorCircuit.IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems.1993，Vol.29，NO.1：157~165[14]Seok-HeeHan，Yong-HoonKim，andIn-JoogHa.IterativeIdentificationofState-DependentDisturbanceTorqueforHigh-PrecisionVelocityControlofServoMotors.IEEETransactionsonAutomaticaControl.1998，Vol.43，No.5：724~728[15]XiaohuiDai,C.K.LiandA.B.Rad.AdaptiveControlofaClassofNonlinearSystemswithFuzzyApproximators.2003，Vol.1，No.1：384~389-45-\n哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）致谢本课题的开展和本论文从立题到撰写都是在导师的精心指导下完成的。在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容，没有导师的帮助也就没有今天的这篇论文。在课题进行当中，导师提出了许多富有建设性的意见和建议，为本论文的顺利完成提供了各种有利条件。导师渊博的知识，丰富的经验，敏锐的洞察力，成熟稳重的作风，一丝不苟的治学精神是我学习的榜样，对我的严格要求将永远鞭策我前进。值此论文完成之际，谨向辛勤培育和教导我的导师致以衷心的感谢。谢谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！-45-