專利名稱：旋轉壓實儀控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及控制技術領域，特別涉及一種用于旋轉壓實儀多路控制的旋轉壓實儀控制系統。
背景技術：
Superpave技術是美國公路戰略研究計劃(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范、試驗和設計方法。旋轉壓實儀(SGC)是根據這一技術制作浙青混合料試件的基本設備之一，是一種較為新型的旋轉壓實設備。目前國內交通運輸業使用的壓實儀大多是傳統的老式旋轉壓實儀或是進口的SGC，老式旋轉壓實儀由于測控技術落后已經不能滿足Superpave技術規范的要求，進口壓實儀價格昂貴。我國自主生產SGC尚缺乏系統、深入的研究,隨著對Superpave技術的進一步認識,如何設計開發一套高精度、高效率、低成本的控制系統與方法成為目前國內旋轉壓實儀研發的關鍵 問題。
發明內容有鑒于此，本實用新型的目的是提供一種旋轉壓實儀控制系統，能夠實現高精度、高效率、低成本的數據采集、數據處理和系統控制。本實用新型的目的是提供一種旋轉壓實儀控制系統，所述系統包括傳感器子系統、執行部件、信號轉換子系統和主控計算機；所述傳感器子系統包括壓力傳感器、位移傳感器、角度傳感器、轉速傳感器和防護門開關傳感器，上述傳感器分別設置在旋轉壓實儀的相關部件上，并將采集的信號輸出至信號轉換子系統；所述執行部件包括D/A轉換模塊、功率放大模塊和電壓轉換模塊、壓力電機控制電路、轉速電機控制電路和角度電機控制電路，所述PID控制器用于對旋轉壓實儀的直流電動機實現PID控制，所述D/A轉換模塊用于將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉換為模擬量；所述功率放大模塊用于對模擬的控制信號進行放大處理；電壓轉換模塊用于將控制信號轉換為符合被控單元的電信號，分別送入各電機控制電路，控制相應電機的運行；所述信號轉換子系統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雙向通信。進一步，所述傳感器子系統還包括信號濾波模塊、信號放大模塊和多路數據選擇器，所述傳感器子系統的壓力傳感器、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，經多路選擇器分時輪換送入信號轉換子系統，進行A/D轉換和分組編碼。防護門開關傳感器和轉速傳感器信號為脈沖數字信號，通過并行接口直接送入信號轉換子系統進行分組編碼；即傳感器的輸出信號為模擬信號的，經濾波和放大處理后，分時輪換送入信號轉換子系統，進行A/D轉換和分組編碼；傳感器的輸出信號為數字信號的，通過并行接口直接送入信號轉換子系統進行分組編碼；進一步，所述執行部件的D/A轉換模塊由AD558高速8位D/A轉換芯片構成；所述功率放大模塊由0PA454高精度功率放大芯片構成；所述電壓轉換模塊由固態繼電器構成；進一步，所述角度電機控制電路和轉速電機控制電路采用高速D/A轉換芯片進行信號轉換；進一步，所述信號轉換子系統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芯片構成；進一步，所述主控計算機為微型計算機，用于實現具體完成狀態顯示、數據管理和參數控制；所述狀態顯示包括壓力顯示、位移顯示和偏角顯示；所述數據管理包括數據存儲、數據處理和數據打印；所述參數控制包括參數初始化、參數設置和反饋控制；·[0014]進一步，所述主控計算機過程控制采用多回路閉環反饋控制的方法，實現對旋轉壓實儀的多路控制結構；進一步，角度電機控制電路和轉速電機控制電路采用PID控制算法，系統模型為閉環反饋控制系統；壓力電機控制電路采用PWM控制方法，系統模型為閉環反饋控制系統。本實用新型的有益效果是I.本實用新型在分析和總結國內外同類SGC測控技術現狀的基礎上，采用先進的微電子技術、嵌入式單片機技術及旋轉壓實儀控制技術，形成了一套新型的SGC測控系統，能夠實現高精度、高效率、低成本的數據采集、數據處理和系統控制；2.本實用新型符合相關國家標準(JTT724-2008，JJG087-2008)，滿足在恒定垂直壓強、恒定壓實角度及規定壓實轉速三個主要技術條件共同作用下的壓實過程；3.針對旋轉壓實儀的多路控制結構，控制系統采用多回路閉環反饋控制的方法，其中控制角度偏轉、旋轉次數及轉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電機采用的是相對直接的PWM控制方法，從而使系統控制具有針對性，滿足了不同情況下的控制要求，具有較強的適應性。本實用新型的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術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。本實用新型的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述，其中圖I為本實用新型的組成部分連接示意圖；圖2為傳感器與執行機構位置示意圖；圖3為傳感器子系統結構圖；圖4為執行部件結構圖；圖5為信號轉換子系統結構示意圖；圖6為主控計算機功能圖；[0028]圖7為PID閉環反饋控制系統結構圖；圖8為PWM閉環反饋控制系統及開環控制系統結構圖。
具體實施方式
以下將參照附圖，對本實用新型的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優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范圍。如圖I所示，本實用新型包括傳感器子系統I、執行部件II、信號轉換子系統III和主控計算機IV。如圖2所示，所述傳感器子系統包括壓力傳感器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，進而送入信號轉換子系統對傳感器模擬數據進行分組編碼、A/D轉換。 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和多路數據選擇器10來實現的。傳感器子系統的壓力傳感器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，經多路數據選擇器10分時輪換送入信號轉換子系統III，進行A/D轉換和分組編碼。防護門開關傳感器5和轉速傳感器4的信號為脈沖數字信號，通過并行接口直接送入信號轉換子系統進行分組編碼；傳感器的輸出信號為模擬信號的，經濾波和放大處理后，分時輪換送入信號轉換子系統，進行A/D轉換和分組編碼；傳感器的輸出信號為數字信號的，通過并行接口直接送入信號轉換子系統進行分組編碼。如圖3所示，所述執行部件包括D/A轉換模塊12、功率放大模塊13、電壓轉換模塊14、防護門開關模塊、壓力電機控制電路15、轉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用于對旋轉壓實儀的直流電動機6實現PID控制，D/A轉換模塊12用于將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉換為模擬量；功率放大模塊13用于對模擬的控制信號進行放大處理；所述D/A轉換模塊包括AD558高速8位D/A轉換電路，能夠將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉換為模擬量；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行放大處理；電壓轉換模塊用于將控制信號轉換為符合被控單元的電信號，分別送入各電機控制電路，控制相應電機的運行；所述防護門開關模塊包括光感元件和開關元件。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，防護門開關采用感應式設計，旋轉壓實儀控制系統僅在防護門關閉完好才能工作。主控計算機發出的系統控制信號，先經過信號轉換子系統的分組解碼模塊，確定相應的被控對象，進而選擇通道對控制信號進行D/A轉換，所得模擬控制信號經放大電路處理后，再對其進行電壓變換，進而控制執行部件工作。傳感器部件與執行部件位置參考附圖4。如圖5所示，信號轉換子系統包括單片機模塊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，既保證了數據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采集的模擬數據進行分組編碼，A/D轉換；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通信模式與信號轉換子系統實現數據傳輸，實現數據高速率、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據存儲19、參數控制20、狀態顯示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采集數據，按照特定的算法對數據進行處理，形成規范化的數據存儲結構；通過人機交互界面進行參數設定、調整；附有實時狀態顯示、壓實資料打印等功能。本實用新型中，旋轉壓實儀的控制方法包含基于PID算法的角度、轉速反饋控制，基于PWM的壓力反饋控制。I.基于PID算法的角度、轉速反饋控制基于PID算法的角度、轉速反饋控制的每個控制循環都是先根據反饋補償計算出給定值，將給定值與角度、轉速等參量的測量值比較后送到PID調節器，計算出輸出值轉
化成模擬電壓輸入給直流電動機。設給定值是q 是被控信號的階躍響應曲線，曲
(U K
線在處斜率不為0，然后上升到穩定狀態，可用一階慣性環節來描述
^ =—,為達到穩態的時間的O. 63倍值。綜合上述得到PID速度控制系統閉環數學 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重，以快速消除偏差，提高系統響應的速度；當偏差偏小時，需加大偏差變化量控制作用的權重，使系統快速進入穩態。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內先將給定值與壓力傳感器實測數據比較得出偏差值，根據偏差值調整PWM信號，送入PWM發生器，經PWM分配器送入專用的步進電機驅動電路以驅動步進電機帶動的壓力傳動機構。主控計算機發出的系統控制信號，先經過信號轉換子系統的分組解碼模塊，確定相應的被控對象，進而選擇通道對控制信號進行D/A轉換，所得模擬控制信號經放大電路處理后，再對其進行電壓變換，進而控制執行部件工作。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述系統包括傳感器子系統、執行部件、信號轉換子系統和主控計算機； 所述傳感器子系統包括壓力傳感器(I)、位移傳感器(2)、角度傳感器(3)、轉速傳感器(4)和防護門開關傳感器(5)，上述傳感器分別設置在旋轉壓實儀的相關部件上，并將采集的信號輸出至信號轉換子系統； 所述執行部件包括D/A轉換模塊(12)、功率放大模塊(13)、防護門開關模塊和電壓轉換模塊(14)、壓力電機控制電路、轉速電機控制電路和角度電機控制電路，所述PID控制器(11)用于對旋轉壓實儀的直流電動機實現PID控制，所述D/A轉換模塊(12)用于將單片機模塊送出的已解碼的控制信號轉換為模擬量；所述功率放大模塊(13)用于對模擬的控制信號進行放大處理；電壓轉換模塊用于將控制信號轉換為符合被控單元的電信號，分別送入各電機控制電路，控制相應電機的運行； 所述信號轉換子系統包括微處理器模塊(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)與主控計算機實現雙向通信。
2.根據權利要求I所述的旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述傳感器子系統還包括信號濾波模塊(8)、信號放大模塊(9)和多路數據選擇器(10)； 所述傳感器子系統的壓力傳感器(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，經多路數據選擇器分時輪換送入信號轉換子系統III，進行A/D轉換和分組編碼，防護門開關傳感器(5)和轉速傳感器(4)信號為脈沖數字信號，通過并行接口直接送入信號轉換子系統進行分組編碼；即傳感器的輸出信號為模擬信號的，經濾波和放大處理后，分時輪換送入信號轉換子系統，進行A/D轉換和分組編碼；傳感器的輸出信號為數字信號的，通過并行接口直接送入信號轉換子系統進行分組編碼。
3.根據權利要求I所述的旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述執行部件的D/A轉換模塊(12)由AD558高速8位D/A轉換芯片構成；所述功率放大模塊(13)由OPA454高精度功率放大芯片構成；所述電壓轉換模塊(14)由固態繼電器構成。
4.根據權利要求I所述的旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述角度電機控制電路和轉速電機控制電路采用高速D/A轉換芯片進行信號轉換。
5.根據權利要求I所述的旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述信號轉換子系統的微處理器模塊(17)采用STC系列8位單片機，USB通信模塊(18)采用FT245BM芯片構成。
6.根據權利要求I所述的旋轉壓實儀控制系統，其特征在于所述主控計算機為微型計算機，用于實現具體完成狀態顯示、數據管理和參數控制。
專利摘要本實用新型公開了一種旋轉壓實儀控制系統，包括傳感器子系統、執行部件、信號轉換子系統和主控計算機；傳感器子系統包括壓力傳感器、位移傳感器、角度傳感器、轉速傳感器和防護門開關傳感器，上述傳感器分別設置在旋轉壓實儀的相關部件上，并將采集的信號輸出至信號轉換子系統；執行部件包括D/A轉換模塊、功率放大模塊、防護門開關模塊和電壓轉換模塊、壓力電機控制電路、轉速電機控制電路和角度電機控制電路，信號轉換子系統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國內外同類SGC測控技術現狀的基礎上，采用先進的微電子技術、嵌入式單片機技術及旋轉壓實儀控制技術，形成了一套新型的SGC測控系統，能夠實現高精度、高效率、低成本的數據采集、數據處理和系統控制。
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 優先權日2012年5月11日
發明者張開洪, 李聰, 張文會 申請人:重慶交通大學