液压式力标准机的自动控制研究

　　力标准机是力学计量中对力传感器、测力仪、称重仪表进行检定或测试的设备。目前绝大多数区域计量站、省市计量局以及工厂计量部门的力标准机是六、七十年代的产品,限于当时的技术水平,力标准机的电气控制部分较为落后,只能实现手动加荷、卸荷控制,工作效率较低;经过二、三十年的使用,这些力标准机的电气控制部分已严重老化,故障频繁,有的已无法正常工作,造成力标准机瘫痪,严重影响了科研、生产和计量工作的顺利进行[1]。为了提高力标准机的工作精度、效率,降低劳动强度,对力标准机实行自动化改造是必要的。

　　本文介绍以工业PC为控制器,采用智能PID控制和模糊控制相结合的控制算法,以Windows操作系统为软件开发平台,用Visual C++开发控制软件,实现液压式力标准机的自动化改造。

　　1　液压式力标准机基本工作原理

　　液压式力标准机是以帕斯卡原理为基础设计制造的。帕斯卡定律指出,作用于密闭容器中的流体上的压力不减弱地传到整个流体,并且垂直地作用在它所接触的所有界面上。根据这一原理,作用于封闭液体的外力,以相等的压力向密闭液体所接触的容器或管道的表面传递。因而,在液压式力标准机的液压系统中,作用于小面积的测力活塞上的标准砝码的重力W,会在大面积的工作活塞上产生一个大的标准力值F作用到待检的测力计或测力传感器上,如图1所示。

　　力标准机有快速响应指标,既加载和卸载速度不能过慢;有超调量指标,既进程读数时不允许有回程,回程读数不允许有进程,力值平衡时要有10s以上的稳定时间。而由于液压介质自身的特性和机械摩擦,液压系统压力传递滞后,会出现:在刚开始加载和卸载时的一段时间,系统内的压力保持不变;刚停止加载和卸载后,系统内的压力还要发生较大变化[2]。因此在液压式力标准机中快速响应指标和超调量指标是相互矛盾的,自动控制难点就在于怎样解决这个矛盾,使系统具有快速响应和无超调的特性。

　　2　控制算法

　　为获得比较满意的控制效果,根据液压式力标准机本身的特点,结合大量实验,采取分段控制的方法:当压力上升而小活塞不动时采用压力反馈控制;当压力基本不变而小活塞上升时采用小活塞的行程量反馈控制。

　　在压力反馈阶段采取智能PID的控制技术。其基本原理是: (1)将过程分为两个阶段:第一阶段使系统以尽可能高的速度运行,以实现快速响应;第二阶段以减速入手,平稳逼近到目标压力,并以无超调作为优化指标。(2)智能化求过渡压力点:两个阶段是以过渡压力点进行划分的,过渡压力点远离目标压力点,将影响快速性;过渡压力点距目标压力点太近,无超调指标就难于实现,所以过渡压力点的求取是非常重要的。另外,对于不同的目标压力点系统的负载特性不同,系统动态性能就不同,其过渡压力点也就不同。通过计算机软件的编制,使其具有学习和记忆功能,自动寻出最优过渡压力点,并能实时地加以修正。