专利名称：旋转压实仪控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及控制技术领域，特别涉及一种用于旋转压实仪多路控制的旋转压实仪控制系统。
背景技术：
Superpave技术是美国公路战略研究计划(SHRP)作为浙青、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规范、试验和设计方法。旋转压实仪(SGC)是根据这一技术制作浙青混合料试件的基本设备之一，是一种较为新型的旋转压实设备。目前国内交通运输业使用的压实仪大多是传统的老式旋转压实仪或是进口的SGC，老式旋转压实仪由于测控技术落后已经不能满足Superpave技术规范的要求，进口压实仪价格昂贵。我国自主生产SGC尚缺乏系统、深入的研究,随着对Superpave技术的进一步认识,如何设计开发一套高精度、高效率、低成本的控制系统与方法成为目前国内旋转压实仪研发的关键 问题。
发明内容有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种旋转压实仪控制系统，能够实现高精度、高效率、低成本的数据采集、数据处理和系统控制。本实用新型的目的是提供一种旋转压实仪控制系统，所述系统包括传感器子系统、执行部件、信号转换子系统和主控计算机；所述传感器子系统包括压力传感器、位移传感器、角度传感器、转速传感器和防护门开关传感器，上述传感器分别设置在旋转压实仪的相关部件上，并将采集的信号输出至信号转换子系统；所述执行部件包括D/A转换模块、功率放大模块和电压转换模块、压力电机控制电路、转速电机控制电路和角度电机控制电路，所述PID控制器用于对旋转压实仪的直流电动机实现PID控制，所述D/A转换模块用于将单片机模块送出的已解码的控制信号转换为模拟量；所述功率放大模块用于对模拟的控制信号进行放大处理；电压转换模块用于将控制信号转换为符合被控单元的电信号，分别送入各电机控制电路，控制相应电机的运行；所述信号转换子系统包括微处理器模块和USB通信模块，通过USB通信模块，所述微处理器模块与主控计算机实现双向通信。进一步，所述传感器子系统还包括信号滤波模块、信号放大模块和多路数据选择器，所述传感器子系统的压力传感器、位移传感器和角度传感器信号为模拟信号，通过信号滤波模块和信号放大模块处理，经多路选择器分时轮换送入信号转换子系统，进行A/D转换和分组编码。防护门开关传感器和转速传感器信号为脉冲数字信号，通过并行接口直接送入信号转换子系统进行分组编码；即传感器的输出信号为模拟信号的，经滤波和放大处理后，分时轮换送入信号转换子系统，进行A/D转换和分组编码；传感器的输出信号为数字信号的，通过并行接口直接送入信号转换子系统进行分组编码；进一步，所述执行部件的D/A转换模块由AD558高速8位D/A转换芯片构成；所述功率放大模块由0PA454高精度功率放大芯片构成；所述电压转换模块由固态继电器构成；进一步，所述角度电机控制电路和转速电机控制电路采用高速D/A转换芯片进行信号转换；进一步，所述信号转换子系统的微处理器模块采用STC系列8位单片机；USB通信模块采用FT245BM芯片构成；进一步，所述主控计算机为微型计算机，用于实现具体完成状态显示、数据管理和参数控制；所述状态显示包括压力显示、位移显示和偏角显示；所述数据管理包括数据存储、数据处理和数据打印；所述参数控制包括参数初始化、参数设置和反馈控制；·[0014]进一步，所述主控计算机过程控制采用多回路闭环反馈控制的方法，实现对旋转压实仪的多路控制结构；进一步，角度电机控制电路和转速电机控制电路采用PID控制算法，系统模型为闭环反馈控制系统；压力电机控制电路采用PWM控制方法，系统模型为闭环反馈控制系统。本实用新型的有益效果是I.本实用新型在分析和总结国内外同类SGC测控技术现状的基础上，采用先进的微电子技术、嵌入式单片机技术及旋转压实仪控制技术，形成了一套新型的SGC测控系统，能够实现高精度、高效率、低成本的数据采集、数据处理和系统控制；2.本实用新型符合相关国家标准(JTT724-2008，JJG087-2008)，满足在恒定垂直压强、恒定压实角度及规定压实转速三个主要技术条件共同作用下的压实过程；3.针对旋转压实仪的多路控制结构，控制系统采用多回路闭环反馈控制的方法，其中控制角度偏转、旋转次数及转速的大力矩伺服直流电动机采用的是PID控制算法；控制压实压力的步进电机采用的是相对直接的PWM控制方法，从而使系统控制具有针对性，满足了不同情况下的控制要求，具有较强的适应性。本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中图I为本实用新型的组成部分连接示意图；图2为传感器与执行机构位置示意图；图3为传感器子系统结构图；图4为执行部件结构图；图5为信号转换子系统结构示意图；图6为主控计算机功能图；[0028]图7为PID闭环反馈控制系统结构图；图8为PWM闭环反馈控制系统及开环控制系统结构图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。如图I所示，本实用新型包括传感器子系统I、执行部件II、信号转换子系统III和主控计算机IV。如图2所示，所述传感器子系统包括压力传感器I、位移传感器2、角度传感器3、信号滤波模块8、信号放大模块9 ;上述传感器采集压力、位移、角度的模拟量，通过信号滤波、放大，进而送入信号转换子系统对传感器模拟数据进行分组编码、A/D转换。 本实施例中，信号滤波、放大以及分组编码是通过信号滤波模块8、信号放大模块9和多路数据选择器10来实现的。传感器子系统的压力传感器I、位移传感器2和角度传感器3信号为模拟信号，通过信号滤波模块8和信号放大模块9处理，经多路数据选择器10分时轮换送入信号转换子系统III，进行A/D转换和分组编码。防护门开关传感器5和转速传感器4的信号为脉冲数字信号，通过并行接口直接送入信号转换子系统进行分组编码；传感器的输出信号为模拟信号的，经滤波和放大处理后，分时轮换送入信号转换子系统，进行A/D转换和分组编码；传感器的输出信号为数字信号的，通过并行接口直接送入信号转换子系统进行分组编码。如图3所示，所述执行部件包括D/A转换模块12、功率放大模块13、电压转换模块14、防护门开关模块、压力电机控制电路15、转速电机控制电路和角度电机控制电路16，其受控对象为电机7，PID控制器11用于对旋转压实仪的直流电动机6实现PID控制，D/A转换模块12用于将单片机模块送出的已解码的控制信号转换为模拟量；功率放大模块13用于对模拟的控制信号进行放大处理；所述D/A转换模块包括AD558高速8位D/A转换电路，能够将单片机模块送出的已解码的控制信号转换为模拟量；所述功率放大模块包括0PA454高精度功率放大电路，对模拟的控制信号进行放大处理；电压转换模块用于将控制信号转换为符合被控单元的电信号，分别送入各电机控制电路，控制相应电机的运行；所述防护门开关模块包括光感元件和开关元件。限位控制限制了压头的极限端位移，使工作过程安全化，本实施例中，防护门开关采用感应式设计，旋转压实仪控制系统仅在防护门关闭完好才能工作。主控计算机发出的系统控制信号，先经过信号转换子系统的分组解码模块，确定相应的被控对象，进而选择通道对控制信号进行D/A转换，所得模拟控制信号经放大电路处理后，再对其进行电压变换，进而控制执行部件工作。传感器部件与执行部件位置参考附图4。如图5所示，信号转换子系统包括单片机模块17、USB通信模块18。单片机模块采用STC系列8位单片机，具有8通道10位高速ADC，既保证了数据采集的高效性也能获得更佳的控制精度；单片机模块完成对传感器子系统采集的模拟数据进行分组编码，A/D转换；通信模块同时具有8位输入输出端口与USB接口，所述主控计算机与通信模块连接，通过USB通信模式与信号转换子系统实现数据传输，实现数据高速率、高精度的存储、处理和分析。见附图5。如图6所示，所述主控计算机主要完成数据存储19、参数控制20、状态显示21、打印等功能；主控计算机通过USB通信模块从传感器子系统采集数据，按照特定的算法对数据进行处理，形成规范化的数据存储结构；通过人机交互界面进行参数设定、调整；附有实时状态显示、压实资料打印等功能。本实用新型中，旋转压实仪的控制方法包含基于PID算法的角度、转速反馈控制，基于PWM的压力反馈控制。I.基于PID算法的角度、转速反馈控制基于PID算法的角度、转速反馈控制的每个控制循环都是先根据反馈补偿计算出给定值，将给定值与角度、转速等参量的测量值比较后送到PID调节器，计算出输出值转
化成模拟电压输入给直流电动机。设给定值是q 是被控信号的阶跃响应曲线，曲
(U K
线在处斜率不为0，然后上升到稳定状态，可用一阶惯性环节来描述
^ =—,为达到稳态的时间的O. 63倍值。综合上述得到PID速度控制系统闭环数学 Ts
模型:砵)=_-诈+1)。如图7所示，给定值与实际测量值的偏差增大时，增大偏差控制作用的权重，以快速消除偏差，提高系统响应的速度；当偏差偏小时，需加大偏差变化量控制作用的权重，使系统快速进入稳态。基于PWM的压力反馈控制如图8所示，基于PWM压力反馈控制在每个控制环内先将给定值与压力传感器实测数据比较得出偏差值，根据偏差值调整PWM信号，送入PWM发生器，经PWM分配器送入专用的步进电机驱动电路以驱动步进电机带动的压力传动机构。主控计算机发出的系统控制信号，先经过信号转换子系统的分组解码模块，确定相应的被控对象，进而选择通道对控制信号进行D/A转换，所得模拟控制信号经放大电路处理后，再对其进行电压变换，进而控制执行部件工作。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.旋转压实仪控制系统，其特征在于所述系统包括传感器子系统、执行部件、信号转换子系统和主控计算机； 所述传感器子系统包括压力传感器(I)、位移传感器(2)、角度传感器(3)、转速传感器(4)和防护门开关传感器(5)，上述传感器分别设置在旋转压实仪的相关部件上，并将采集的信号输出至信号转换子系统； 所述执行部件包括D/A转换模块(12)、功率放大模块(13)、防护门开关模块和电压转换模块(14)、压力电机控制电路、转速电机控制电路和角度电机控制电路，所述PID控制器(11)用于对旋转压实仪的直流电动机实现PID控制，所述D/A转换模块(12)用于将单片机模块送出的已解码的控制信号转换为模拟量；所述功率放大模块(13)用于对模拟的控制信号进行放大处理；电压转换模块用于将控制信号转换为符合被控单元的电信号，分别送入各电机控制电路，控制相应电机的运行； 所述信号转换子系统包括微处理器模块(17)和USB通信模块(18)，通过USB通信模块(18),所述微处理器模块(17)与主控计算机实现双向通信。
2.根据权利要求I所述的旋转压实仪控制系统，其特征在于所述传感器子系统还包括信号滤波模块(8)、信号放大模块(9)和多路数据选择器(10)； 所述传感器子系统的压力传感器(I)、位移传感器(2)和角度传感器(3)信号为模拟信号，通过信号滤波模块(8)和信号放大模块(9)处理，经多路数据选择器分时轮换送入信号转换子系统III，进行A/D转换和分组编码，防护门开关传感器(5)和转速传感器(4)信号为脉冲数字信号，通过并行接口直接送入信号转换子系统进行分组编码；即传感器的输出信号为模拟信号的，经滤波和放大处理后，分时轮换送入信号转换子系统，进行A/D转换和分组编码；传感器的输出信号为数字信号的，通过并行接口直接送入信号转换子系统进行分组编码。
3.根据权利要求I所述的旋转压实仪控制系统，其特征在于所述执行部件的D/A转换模块(12)由AD558高速8位D/A转换芯片构成；所述功率放大模块(13)由OPA454高精度功率放大芯片构成；所述电压转换模块(14)由固态继电器构成。
4.根据权利要求I所述的旋转压实仪控制系统，其特征在于所述角度电机控制电路和转速电机控制电路采用高速D/A转换芯片进行信号转换。
5.根据权利要求I所述的旋转压实仪控制系统，其特征在于所述信号转换子系统的微处理器模块(17)采用STC系列8位单片机，USB通信模块(18)采用FT245BM芯片构成。
6.根据权利要求I所述的旋转压实仪控制系统，其特征在于所述主控计算机为微型计算机，用于实现具体完成状态显示、数据管理和参数控制。
专利摘要本实用新型公开了一种旋转压实仪控制系统，包括传感器子系统、执行部件、信号转换子系统和主控计算机；传感器子系统包括压力传感器、位移传感器、角度传感器、转速传感器和防护门开关传感器，上述传感器分别设置在旋转压实仪的相关部件上，并将采集的信号输出至信号转换子系统；执行部件包括D/A转换模块、功率放大模块、防护门开关模块和电压转换模块、压力电机控制电路、转速电机控制电路和角度电机控制电路，信号转换子系统包括微处理器模块和USB通信模块，本实用新型在分析和总结国内外同类SGC测控技术现状的基础上，采用先进的微电子技术、嵌入式单片机技术及旋转压实仪控制技术，形成了一套新型的SGC测控系统，能够实现高精度、高效率、低成本的数据采集、数据处理和系统控制。
文档编号G05B19/418GK202677157SQ20122021126
公开日2013年1月16日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者张开洪, 李聪, 张文会 申请人:重庆交通大学