專利名稱：旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于旋轉(zhuǎn)壓實儀多路控制的旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
Superpave技術(shù)是美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)作為浙青、路面性能方面的主要研究成果，是一套新的浙青和浙青混合料規(guī)范、試驗和設(shè)計方法。旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)是根據(jù)這一技術(shù)制作浙青混合料試件的基本設(shè)備之一，是一種較為新型的旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)備。目前國內(nèi)交通運輸業(yè)使用的壓實儀大多是傳統(tǒng)的老式旋轉(zhuǎn)壓實儀或是進(jìn)口的SGC，老式旋轉(zhuǎn)壓實儀由于測控技術(shù)落后已經(jīng)不能滿足Superpave技術(shù)規(guī)范的要求，進(jìn)口壓實儀價格昂貴。我國自主生產(chǎn)SGC尚缺乏系統(tǒng)、深入的研究,隨著對Superpave技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識,如何設(shè)計開發(fā)一套高精度、高效率、低成本的控制系統(tǒng)與方法成為目前國內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實儀研發(fā)的關(guān)鍵 問題。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本實用新型的目的是提供一種旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率、低成本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。本實用新型的目的是提供一種旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和主控計算機；所述傳感器子系統(tǒng)包括壓力傳感器、位移傳感器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和防護(hù)門開關(guān)傳感器，上述傳感器分別設(shè)置在旋轉(zhuǎn)壓實儀的相關(guān)部件上，并將采集的信號輸出至信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)；所述執(zhí)行部件包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊、壓力電機控制電路、轉(zhuǎn)速電機控制電路和角度電機控制電路，所述PID控制器用于對旋轉(zhuǎn)壓實儀的直流電動機實現(xiàn)PID控制，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊用于將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量；所述功率放大模塊用于對模擬的控制信號進(jìn)行放大處理；電壓轉(zhuǎn)換模塊用于將控制信號轉(zhuǎn)換為符合被控單元的電信號，分別送入各電機控制電路，控制相應(yīng)電機的運行；所述信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包括微處理器模塊和USB通信模塊，通過USB通信模塊，所述微處理器模塊與主控計算機實現(xiàn)雙向通信。進(jìn)一步，所述傳感器子系統(tǒng)還包括信號濾波模塊、信號放大模塊和多路數(shù)據(jù)選擇器，所述傳感器子系統(tǒng)的壓力傳感器、位移傳感器和角度傳感器信號為模擬信號，通過信號濾波模塊和信號放大模塊處理，經(jīng)多路選擇器分時輪換送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和分組編碼。防護(hù)門開關(guān)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器信號為脈沖數(shù)字信號，通過并行接口直接送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)進(jìn)行分組編碼；即傳感器的輸出信號為模擬信號的，經(jīng)濾波和放大處理后，分時輪換送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和分組編碼；傳感器的輸出信號為數(shù)字信號的，通過并行接口直接送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)進(jìn)行分組編碼；進(jìn)一步，所述執(zhí)行部件的D/A轉(zhuǎn)換模塊由AD558高速8位D/A轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成；所述功率放大模塊由0PA454高精度功率放大芯片構(gòu)成；所述電壓轉(zhuǎn)換模塊由固態(tài)繼電器構(gòu)成；進(jìn)一步，所述角度電機控制電路和轉(zhuǎn)速電機控制電路采用高速D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換；進(jìn)一步，所述信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的微處理器模塊采用STC系列8位單片機；USB通信模塊采用FT245BM芯片構(gòu)成；進(jìn)一步，所述主控計算機為微型計算機，用于實現(xiàn)具體完成狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)管理和參數(shù)控制；所述狀態(tài)顯示包括壓力顯示、位移顯示和偏角顯示；所述數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打印；所述參數(shù)控制包括參數(shù)初始化、參數(shù)設(shè)置和反饋控制；·[0014]進(jìn)一步，所述主控計算機過程控制采用多回路閉環(huán)反饋控制的方法，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)壓實儀的多路控制結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步，角度電機控制電路和轉(zhuǎn)速電機控制電路采用PID控制算法，系統(tǒng)模型為閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)；壓力電機控制電路采用PWM控制方法，系統(tǒng)模型為閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。本實用新型的有益效果是I.本實用新型在分析和總結(jié)國內(nèi)外同類SGC測控技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、嵌入式單片機技術(shù)及旋轉(zhuǎn)壓實儀控制技術(shù)，形成了一套新型的SGC測控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率、低成本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制；2.本實用新型符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)(JTT724-2008，JJG087-2008)，滿足在恒定垂直壓強、恒定壓實角度及規(guī)定壓實轉(zhuǎn)速三個主要技術(shù)條件共同作用下的壓實過程；3.針對旋轉(zhuǎn)壓實儀的多路控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)采用多回路閉環(huán)反饋控制的方法，其中控制角度偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)次數(shù)及轉(zhuǎn)速的大力矩伺服直流電動機采用的是PID控制算法；控制壓實壓力的步進(jìn)電機采用的是相對直接的PWM控制方法，從而使系統(tǒng)控制具有針對性，滿足了不同情況下的控制要求，具有較強的適應(yīng)性。本實用新型的其他優(yōu)點、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本實用新型的實踐中得到教導(dǎo)。本實用新型的目標(biāo)和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實現(xiàn)和獲得。

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中圖I為本實用新型的組成部分連接示意圖；圖2為傳感器與執(zhí)行機構(gòu)位置示意圖；圖3為傳感器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為執(zhí)行部件結(jié)構(gòu)圖；圖5為信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為主控計算機功能圖；[0028]圖7為PID閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖8為PWM閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)及開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
以下將參照附圖，對本實用新型的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本實用新型，而不是為了限制本實用新型的保護(hù)范圍。如圖I所示，本實用新型包括傳感器子系統(tǒng)I、執(zhí)行部件II、信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)III和主控計算機IV。如圖2所示，所述傳感器子系統(tǒng)包括壓力傳感器I、位移傳感器2、角度傳感器3、信號濾波模塊8、信號放大模塊9 ;上述傳感器采集壓力、位移、角度的模擬量，通過信號濾波、放大，進(jìn)而送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)對傳感器模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分組編碼、A/D轉(zhuǎn)換。 本實施例中，信號濾波、放大以及分組編碼是通過信號濾波模塊8、信號放大模塊9和多路數(shù)據(jù)選擇器10來實現(xiàn)的。傳感器子系統(tǒng)的壓力傳感器I、位移傳感器2和角度傳感器3信號為模擬信號，通過信號濾波模塊8和信號放大模塊9處理，經(jīng)多路數(shù)據(jù)選擇器10分時輪換送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)III，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和分組編碼。防護(hù)門開關(guān)傳感器5和轉(zhuǎn)速傳感器4的信號為脈沖數(shù)字信號，通過并行接口直接送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)進(jìn)行分組編碼；傳感器的輸出信號為模擬信號的，經(jīng)濾波和放大處理后，分時輪換送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和分組編碼；傳感器的輸出信號為數(shù)字信號的，通過并行接口直接送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)進(jìn)行分組編碼。如圖3所示，所述執(zhí)行部件包括D/A轉(zhuǎn)換模塊12、功率放大模塊13、電壓轉(zhuǎn)換模塊14、防護(hù)門開關(guān)模塊、壓力電機控制電路15、轉(zhuǎn)速電機控制電路和角度電機控制電路16，其受控對象為電機7，PID控制器11用于對旋轉(zhuǎn)壓實儀的直流電動機6實現(xiàn)PID控制，D/A轉(zhuǎn)換模塊12用于將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量；功率放大模塊13用于對模擬的控制信號進(jìn)行放大處理；所述D/A轉(zhuǎn)換模塊包括AD558高速8位D/A轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)纹瑱C模塊送出的已解碼的控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量；所述功率放大模塊包括0PA454高精度功率放大電路，對模擬的控制信號進(jìn)行放大處理；電壓轉(zhuǎn)換模塊用于將控制信號轉(zhuǎn)換為符合被控單元的電信號，分別送入各電機控制電路，控制相應(yīng)電機的運行；所述防護(hù)門開關(guān)模塊包括光感元件和開關(guān)元件。限位控制限制了壓頭的極限端位移，使工作過程安全化，本實施例中，防護(hù)門開關(guān)采用感應(yīng)式設(shè)計，旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)僅在防護(hù)門關(guān)閉完好才能工作。主控計算機發(fā)出的系統(tǒng)控制信號，先經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的分組解碼模塊，確定相應(yīng)的被控對象，進(jìn)而選擇通道對控制信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，所得模擬控制信號經(jīng)放大電路處理后，再對其進(jìn)行電壓變換，進(jìn)而控制執(zhí)行部件工作。傳感器部件與執(zhí)行部件位置參考附圖4。如圖5所示，信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包括單片機模塊17、USB通信模塊18。單片機模塊采用STC系列8位單片機，具有8通道10位高速ADC，既保證了數(shù)據(jù)采集的高效性也能獲得更佳的控制精度；單片機模塊完成對傳感器子系統(tǒng)采集的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分組編碼，A/D轉(zhuǎn)換；通信模塊同時具有8位輸入輸出端口與USB接口，所述主控計算機與通信模塊連接，通過USB通信模式與信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速率、高精度的存儲、處理和分析。見附圖5。如圖6所示，所述主控計算機主要完成數(shù)據(jù)存儲19、參數(shù)控制20、狀態(tài)顯示21、打印等功能；主控計算機通過USB通信模塊從傳感器子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，按照特定的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成規(guī)范化的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)；通過人機交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、調(diào)整；附有實時狀態(tài)顯示、壓實資料打印等功能。本實用新型中，旋轉(zhuǎn)壓實儀的控制方法包含基于PID算法的角度、轉(zhuǎn)速反饋控制，基于PWM的壓力反饋控制。I.基于PID算法的角度、轉(zhuǎn)速反饋控制基于PID算法的角度、轉(zhuǎn)速反饋控制的每個控制循環(huán)都是先根據(jù)反饋補償計算出給定值，將給定值與角度、轉(zhuǎn)速等參量的測量值比較后送到PID調(diào)節(jié)器，計算出輸出值轉(zhuǎn)
化成模擬電壓輸入給直流電動機。設(shè)給定值是q 是被控信號的階躍響應(yīng)曲線，曲
(U K
線在處斜率不為0，然后上升到穩(wěn)定狀態(tài)，可用一階慣性環(huán)節(jié)來描述
^ =—,為達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間的O. 63倍值。綜合上述得到PID速度控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)學(xué) Ts
模型:砵)=_-詐+1)。如圖7所示，給定值與實際測量值的偏差增大時，增大偏差控制作用的權(quán)重，以快速消除偏差，提高系統(tǒng)響應(yīng)的速度；當(dāng)偏差偏小時，需加大偏差變化量控制作用的權(quán)重，使系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。基于PWM的壓力反饋控制如圖8所示，基于PWM壓力反饋控制在每個控制環(huán)內(nèi)先將給定值與壓力傳感器實測數(shù)據(jù)比較得出偏差值，根據(jù)偏差值調(diào)整PWM信號，送入PWM發(fā)生器，經(jīng)PWM分配器送入專用的步進(jìn)電機驅(qū)動電路以驅(qū)動步進(jìn)電機帶動的壓力傳動機構(gòu)。主控計算機發(fā)出的系統(tǒng)控制信號，先經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的分組解碼模塊，確定相應(yīng)的被控對象，進(jìn)而選擇通道對控制信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，所得模擬控制信號經(jīng)放大電路處理后，再對其進(jìn)行電壓變換，進(jìn)而控制執(zhí)行部件工作。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和主控計算機； 所述傳感器子系統(tǒng)包括壓力傳感器(I)、位移傳感器(2)、角度傳感器(3)、轉(zhuǎn)速傳感器(4)和防護(hù)門開關(guān)傳感器(5)，上述傳感器分別設(shè)置在旋轉(zhuǎn)壓實儀的相關(guān)部件上，并將采集的信號輸出至信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)； 所述執(zhí)行部件包括D/A轉(zhuǎn)換模塊(12)、功率放大模塊(13)、防護(hù)門開關(guān)模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊(14)、壓力電機控制電路、轉(zhuǎn)速電機控制電路和角度電機控制電路，所述PID控制器(11)用于對旋轉(zhuǎn)壓實儀的直流電動機實現(xiàn)PID控制，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊(12)用于將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量；所述功率放大模塊(13)用于對模擬的控制信號進(jìn)行放大處理；電壓轉(zhuǎn)換模塊用于將控制信號轉(zhuǎn)換為符合被控單元的電信號，分別送入各電機控制電路，控制相應(yīng)電機的運行； 所述信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包括微處理器模塊(17)和USB通信模塊(18)，通過USB通信模塊(18),所述微處理器模塊(17)與主控計算機實現(xiàn)雙向通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器子系統(tǒng)還包括信號濾波模塊(8)、信號放大模塊(9)和多路數(shù)據(jù)選擇器(10)； 所述傳感器子系統(tǒng)的壓力傳感器(I)、位移傳感器(2)和角度傳感器(3)信號為模擬信號，通過信號濾波模塊(8)和信號放大模塊(9)處理，經(jīng)多路數(shù)據(jù)選擇器分時輪換送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)III，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和分組編碼，防護(hù)門開關(guān)傳感器(5)和轉(zhuǎn)速傳感器(4)信號為脈沖數(shù)字信號，通過并行接口直接送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)進(jìn)行分組編碼；即傳感器的輸出信號為模擬信號的，經(jīng)濾波和放大處理后，分時輪換送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和分組編碼；傳感器的輸出信號為數(shù)字信號的，通過并行接口直接送入信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)進(jìn)行分組編碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述執(zhí)行部件的D/A轉(zhuǎn)換模塊(12)由AD558高速8位D/A轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成；所述功率放大模塊(13)由OPA454高精度功率放大芯片構(gòu)成；所述電壓轉(zhuǎn)換模塊(14)由固態(tài)繼電器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述角度電機控制電路和轉(zhuǎn)速電機控制電路采用高速D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的微處理器模塊(17)采用STC系列8位單片機，USB通信模塊(18)采用FT245BM芯片構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控計算機為微型計算機，用于實現(xiàn)具體完成狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)管理和參數(shù)控制。
專利摘要本實用新型公開了一種旋轉(zhuǎn)壓實儀控制系統(tǒng)，包括傳感器子系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和主控計算機；傳感器子系統(tǒng)包括壓力傳感器、位移傳感器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和防護(hù)門開關(guān)傳感器，上述傳感器分別設(shè)置在旋轉(zhuǎn)壓實儀的相關(guān)部件上，并將采集的信號輸出至信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)；執(zhí)行部件包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊、防護(hù)門開關(guān)模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊、壓力電機控制電路、轉(zhuǎn)速電機控制電路和角度電機控制電路，信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包括微處理器模塊和USB通信模塊，本實用新型在分析和總結(jié)國內(nèi)外同類SGC測控技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、嵌入式單片機技術(shù)及旋轉(zhuǎn)壓實儀控制技術(shù)，形成了一套新型的SGC測控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率、低成本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。
文檔編號G05B19/418GK202677157SQ20122021126
公開日2013年1月16日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者張開洪, 李聰, 張文會 申請人:重慶交通大學(xué)