基于现场称重测试系统的设计与研究

称重传感器测试系统可以分为两大类:一类包括静重式、杠杆式和液压式,它们是以砝码作为力源,以砝码的质量作为力值的基准;另一类是叠加式,这一类基于标准传感器测量力值,具体的施力装置可以是液压装置(如双向液压千斤顶或液压活塞装置),也可采用步进电机驱动结构.有资料显示,用液压作为动力源,在负荷迅速施加并保持负荷时,由于油缸内液体和周围介质进行热交换,使油温下降,从而导致油压的下降,随之加到传感器的负荷也下降.在卸载过程中,负荷迅速下降并保持负荷时,同样油缸内液体和周围介质进行热交换,油温上升,导致油压上升,随之加到传感器的负荷也增加,从而造成力值的波动,给传感器有关指标的测量带来影响,甚至难以测得传感器的蠕变特性.步进电机具有易于实现自动控制,力值波动小,无污染,噪声小,控制灵活等优点,因此被越来越多地用于称重传感器测试系统.本文依据系统结构原理,推导出了数学模型.基于该模型提出了一种简单、易行、适合于称重传感器测试系统的控制策略.

1　测试系统原理

叠加式称重测试系统由步进电机、加荷装置、标准传感器、开关量控制端和计算机测控系统组成,如图1所示.

　　当需要加/卸至某一载荷时,计算机根据标准传感器的载荷-电压曲线,将载荷值转化成标准传感器的电压输出值,并存储,然后采样标准传感器的实际输出电压与该值比较,两者的差值作为数字控制器的输入,控制器根据给定的算法计算出调节量,由步进电机带动加荷机构将力施加到传感器上,从而减小标准传感器的实际输出和给定值的差值.

2　测试系统控制模型的建立

叠加式称重测试系统可等效为图2所示的弹簧-质量-阻尼系统,将被测传感器和标准传感器等效为理想弹簧k1和质量m1,工作台等效为m2,框架等效为弹簧k3,丝杠和减速器及其它弹性元件等效为弹簧k2,其质量忽略不计.

　　步进电机输出转矩作用下,m(包括m1和m2)位移y与步进电机步距角θ之间关系式表示为

式中:f为粘性摩擦系数;Pλ为输入步进电机的脉冲个数;θ为步进电机的步距角;t为丝杠的螺距,16 mm;i1、i2为减速器减速比.

　　传感器的输出电压与变形量成正比,现假设标准传感器的变形量占传感器总变形量的1/k′,则有

当加载的速度较低,加速度很小时,可将系统简化成弹簧的静平衡问题,此时系统模型可等效为图3所示的弹簧串并联系统.

3　控制策略选择和参数确定

　　控制过程分成两个阶段:第一阶段为快速加/卸载阶段,这一阶段要求以尽量快的速度加/卸到设定值的附近;第二阶段采用P控制,以很低的速度进行微调整,将载荷稳定设定范围内.