本发明专利技术涉及一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置及控制方法，属于设计和控制技术领域，所述装置包括受控于工控机的加载机构、电动平移台机构和传动机构，所述加载机构固定设置于电动平移台机构上，所述电动平移台机构设置于机架上，所述机架内设有传动机构，且机架的下方设有滑轮；控制方法包括加载试验的进行、加载机构运行轨道半径的调节、样品台旋转的控制、采用分数阶PID控制加载系统、采用不同的加载波形进行加载试验、试验数据的实时显示与控制以及加载过程中摩擦力与摩擦系数的获取。本发明专利技术装置结构简单，采用分数阶PID控制算法，控制结构简单，扩大了参数可调范围，控制精度更高，实现了对加载压力稳定、快速控制。快速控制。快速控制。
【技术实现步骤摘要】
基于分数阶PID的电动变载荷加载装置及控制方法
[0001]本专利技术涉及一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置及控制方法，属于设计和控制
技术介绍
[0002]摩擦与磨损是生活中普遍存在的问题，在机器或是装备的运行中，相互接触的零部件之间的摩擦磨损现象是不可避免的。它会造成机械能损耗、产生噪音，对零部件造成变形，影响其寿命。摩擦磨损试验机是实现对一种特性材料在给定的条件下对摩擦磨损性能的探究，并能求得摩擦力与摩擦系数的模拟试验机。摩擦磨损试验机的出现在生产中减少能源损耗、提高生产效率等方面起着重大作用。但目前大部分试验机加载形式为恒值且控制系统相对单一，难以模拟那些对加载精度要求高，运动较为复杂的摩擦过程。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是提供一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置及控制方法，来解决上述问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置，包括受控于工控机的加载机构、电动平移台机构和传动机构，所述加载机构固定设置于电动平移台机构上，所述电动平移台机构设置于机架上，所述机架内设有传动机构，且机架的下方设有滑轮。
[0006]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述加载机构包括加载机构伺服电机、压力传感器、电动缸和摩擦压头，所述加载机构伺服电机通过连接块与电动缸连接，所述电动缸的另一端连接有摩擦压头，且电动缸内设有压力传感器，所述加载机构伺服电机通过连接块内部的同步带和电动缸内部的丝杠将旋转运动转化为竖直方向的直线运动。
[0007]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述电动平移台机构包括电动平移台机构步进电机、同步带、丝杠、滑块和基座；所述电动平移台机构步进电机固定设置于机架的一端，且电动平移台机构步进电机与一条丝杠连接，所述丝杠依次穿过电动平移台机构步进电机侧的基座及滑块后另一端与远离电动平移台机构步进电机的基座连接，所述两个基座平行设置，且两个基座之间还设有与丝杠平行的另一丝杠，所述两条丝杠上设有保证两条丝杠的同步运行的同步带，所述两条丝杠上还设有能够在两个基座之间移动的滑块，所述滑块与电动缸连接，进而整个加载机构固定在所述滑块上面。
[0008]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述传动机构包括传动机构伺服电机和样品台，所述样品台包括上下设置的旋转区和固定区，所述旋转区与摩擦压头相对应、能够加载样品，所述固定区内部设有带动旋转区旋转运动的摩擦连杆，所述摩擦连杆的旋转由传动机构伺服电机通过内部同步带带动。
[0009]一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置的控制方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：工控机通过控制箱对压力传感器的压力信号进行采集，将采集到的压力信
号进行数据处理，然后与给定的期望输入信号做差求得误差信号；经过分数阶PID控制算法将所产生的输出信号通过控制箱发送
‑
10V到+10V的转矩指令作用于加载机构伺服电机的驱动器，驱动器接到指令后驱动加载机构伺服电机运转，加载机构伺服电机通过同步带与丝杠将旋转运动转化为竖直方向的直线运行，从而实现摩擦压头对样品台的加载试验；
[0011]步骤2：工控机分别发送脉冲信号和数字量信号给电动平移台机构步进电机的驱动器，控制电动平移台机构步进电机运行的速度和方向，同步带保证两条丝杠同步运转，丝杠带动滑块在两个基座之间移动，所述加载机构固定在滑块上，从而能够对加载机构的运行轨道半径进行调节；
[0012]步骤3：工控机利用控制箱发送
‑
10V
‑
+10V转速指令给传动机构伺服电机的驱动器，传动机构伺服电机通过同步带与摩擦连杆带动样品台的旋转区转动，其中
‑
10V～0V时控制样品台顺时针旋转，0～+10V时控制样品台逆时针旋转；
[0013]步骤4：采用分数阶PID控制加载系统，其控制器传递函数为：C(s)＝K
p
+K
i
s
‑
λ
+K
d
s
μ
；K
P
、K
i
、K
d
为控制器的调节参数，λ、μ分别是控制器的积分阶数和微分阶数；
[0014]步骤5：采用不同的加载波形进行加载试验；
[0015]步骤6：试验数据由控制箱传送给工控机并通过界面进行实时显示与控制；
[0016]步骤7：加载过程中摩擦力与摩擦系数的获取。
[0017]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤4中采用分数阶PID控制对试验机加载系统进行控制，采用Oustaloup近似化方法对分数阶微积分算子近似化，假定选定拟合频率段为(ω
b
,ω
h
)，其近似的有理传递函数模型为
[0018][0019]其中
[0020][0021]式中r为分数阶阶次,2N+1为近似化次数，ω
b
和ω
h
分别为选定的拟合频率上下限；
[0022]将粒子群优化算法用于分数阶PID控制器中，对控制器参数进行优化整定，采用改进惯性权重ω的粒子群优化算法对控制器参数进行优化，改进惯性权重ω公式为：
[0023][0024]其中，ω为惯性权重系数，一般取值为0.4～0.9，t为当前迭代次数，t
max
为最大迭代次数。
[0025]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤5中的加载波形为恒值加载、三角波加载、方波加载和正弦波加载中的一种，且加载波形的幅值和周期自由设置。
[0026]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤6中的试验数据包括传动机构伺服电机的转矩和加载载荷，将采集到的数据进行去极值平均滤波以消除干扰，然后在工控机上利用QtCharts将得到的实验数据转化为波形图。
[0027]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤7的具体步骤为：首先获得传动机构中传动机构伺服电机空载运行的空载转矩T0，然后加载机构以载荷F
N
进行加载试验，获得传动机构伺服电机在载荷F
N
加载情况下的输出转矩T，测量摩擦压头距样品台旋转区中心的距离R，加载过程中的摩擦力f和摩擦系数μ可以表示为
[0028][0029]由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术效果有：
[0030]本专利技术的电动变载荷摩擦磨损试验装置结构简单，实验参数获取容易，易于操作。
[0031]本专利技术的电动变载荷摩擦磨损试验装置的加载系统采用分数阶PID控制算法，其控制结构简单，较常规PID控制多了两个可调参数，扩大了参数可调范围，控制精度更高，实现了对加载压力稳定、快速控制。
[0032]本专利技术的电动变载荷摩擦磨损试验装置能够进行不同波形的变载荷加载且波形的幅值、周期可自由设置，克服了以往试验机只能进行恒值加载，难以模拟较为复杂摩擦环境的困难。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置，其特征在于：包括受控于工控机的加载机构、电动平移台机构和传动机构，所述加载机构固定设置于电动平移台机构上，所述电动平移台机构设置于机架(10)上，所述机架(10)内设有传动机构，且机架(10)的下方设有滑轮(8)。2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置，其特征在于：所述加载机构包括加载机构伺服电机(1)、压力传感器(2)、电动缸(3)和摩擦压头(6)，所述加载机构伺服电机(1)通过连接块与电动缸(3)连接，所述电动缸(3)的另一端连接有摩擦压头(6)，且电动缸(3)内设有压力传感器(2)，所述加载机构伺服电机(1)通过连接块内部的同步带和电动缸(3)内部的丝杠将旋转运动转化为竖直方向的直线运动。3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置，其特征在于：所述电动平移台机构包括电动平移台机构步进电机(12)、同步带(5)、丝杠(11)、滑块(13)和基座(4)；所述电动平移台机构步进电机(12)固定设置于机架(10)的一端，且电动平移台机构步进电机(12)与一条丝杠(11)连接，所述丝杠(11)依次穿过电动平移台机构步进电机(12)侧的基座(4)及滑块(13)后另一端与远离电动平移台机构步进电机(12)的基座(4)连接，所述两个基座(4)平行设置，且两个基座(4)之间还设有与丝杠(11)平行的另一丝杠(11)，所述两条丝杠(11)上设有保证两条丝杠(11)的同步运行的同步带(5)，所述两条丝杠(11)上还设有能够在两个基座(4)之间移动的滑块(13)，所述滑块(13)与电动缸(3)连接，进而整个加载机构固定在所述滑块(13)上面。4.根据权利要求1所述的一种基于分数阶PID的电动变载荷加载装置，其特征在于：所述传动机构包括传动机构伺服电机(9)和样品台(7)，所述样品台(7)包括上下设置的旋转区和固定区，所述旋转区与摩擦压头(6)相对应、能够加载样品，所述固定区内部设有带动旋转区旋转运动的摩擦连杆，所述摩擦连杆的旋转由传动机构伺服电机(9)通过内部同步带带动。5.一种基于权利要求1～4任一权利要求所述的基于分数阶PID的电动变载荷加载装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：工控机通过控制箱对压力传感器(2)的压力信号进行采集，将采集到的压力信号进行数据处理，然后与给定的期望输入信号做差求得误差信号；经过分数阶PID控制算法将所产生的输出信号通过控制箱发送
‑
10V到+10V的转矩指令作用于加载机构伺服电机(1)的驱动器，驱动器接到指令后驱动加载机构伺服电机(1)运转，加载机构伺服电机(1)通过同步带与丝杠将旋转运动转化为竖直方向的直线运行，从而实现摩擦压头(6)对样品台(7)的加载试验；步骤2：工控机分别发送脉冲信号和数字量信号给电动平移台机构步进电机(12)的驱动器，控制电动平移台机构步进电机(12)运行的速度和方向，同步带(5)保证两条丝杠(11)同步运转，丝杠(11)带动滑块(13)在两个基座(4)之间移动，所述加载机构...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘福才，王海澎，赵旭，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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