材料试验机测控系统关键技术的研究与实现咗

技术中心发布时间:2021-12-02

材料试验机测控系统关键技术的研究与实现

21材料试验机测控系统的组成和工作原理试验机由硬件和软件两个部分组成。硬件有机械本体尸,机电机及其驱动器测控卡,其它附件有力传感器变形传感器引伸计或编码器打印机等。力传感器固定在机械本体的夹头,引伸计直接卡在试样上,编码器常常和滚轴丝杆连接在起。4给试样加载时,力传感器和引伸计分别把力和变形转化为电压信号,输人到力变形电压信号放大器中,放大器输出经过信号调理模数转换后,通过测控卡送人计算机,再经过比例换算等处理得到力和变形量值,同时绘出主要从事计算机测控方向的研究。  力变形等特征曲线。测控卡输出控制信号给驱动器,控制电机运行,从而驱动执行机构运动。材料试验机系统组成1.  2材料试验机测控系统软件的体系结构和功能测控系统软件是在80++6.0环境下开发的,采用模块化的设计思路和面向对象2的设计方法。系统包括多个模块,2,每个模块都有相应的功能实现要求,通过动态链接库,以将它们整合在起构成个完善的测控系统软件平台。测控系统软件要实现的主要功能如下完成实时控制任务,响应用户界面操作;系统运行状态实时监测提小和报警,在紧急情况下能够自动停机;试验数据的保存处理指标计算数据回放;试验过程中能够随时对试验参数重新设置,以符合国家标准规定的材料试验规程;方便进行系统调整标定和传感器的吏换,适应不同材料的试验需要;用户自定义报输出和数据库管理;实时的数据显和曲线动态绘制;程控自动测试和系统自动诊断功能。  模块化的设计思路和面向对象的设计方法的优点现在以下几个方面易于明确每个模块的功能要求,可以分,进行需求分析和设计开发,也便于系统扩展;方便系统升级。每个模块都是用0,和人6控件实现,升级程序在很大程度上只需要对特定模块进行升级,有利于系统维护和管理;软件测试方便。模块之间仅仅是通过少量的接口进行通信,降低了开发过程中软件调试软件测试131和代码管工撖控制材料试验机测控系统关键技术的研究与实现杨汴何年北方工业大学机电工程学院,北京求,如何进行测试数据的处埋,如何实现程控0动测试,提出了有效的解决方案,总结出材料试验机测控系统软件的通用模块化结构;该系统在实际应用中取得了良好的效果,打印机I显器1其他设备绘仪力传感器变形传感器电机和驱动器理的难度。  3材料试验机测控系统强实时性要求的解决方法材料试验过程中,测控系统的实时性要求现突出,但是在以如操作系统下保证测控系统的实时性存在较大困难。  主要原因在于其,由于职,胳的消息机制和非抢先特性4使得它不能够控制任务开关和处理每个任务的时间,导致某些消息如实现定时的1肘无法及时处理,现为实时性差;其,在,下面,应用程序无法直接访问硬件,对硬件的操作不如在,03或其它些实时操作系统下面那样便捷。后,对于测控系统本身,测试数据状态监测数据以及电机伺服控制数据的处理任务繁重,硬件的,将会给测控系统带来了定程度上的滞后,3,在本文开发的测控系统中,采用了贾01设备驱动程序151提高硬件访问效率数据的多级存取高精度多媒体定时器,多线程7等途径成功解决了实时性问,系统性能良好。  器消息,但其小定时间隔约为55,远不能满足实时数据采集和控制的定时要求,为此需要使用多媒体定时器实现小间隔定时。大致过程是开始计时之前,先调用函数,此,1叱9此以获取,夯,诓考剖逼鞯氖敝悠德省,后再调用函数QueyPerformanceCounter获取当前时钟计数器的计数值,利用计数值和时钟频率就可以实现计时功能,计时精度为计算机内部时钟周期。  在测控系统软件的开发中,为数据采集与处理系统状态监测电机伺服控制分别安排个线程。线程之间的数据共享和通讯是个很关键的问,使用诸如临界区互斥量信号灯等方法保证多个线程对共享数据的正确访问。数据采集与处理线程直在运行,获得的力和变形数据放人共享内存缓冲区人内,获得的状态监测数据放人共享内存缓冲区8内,直到测控系统退出时这些线程才终止运行。读取共享缓冲区时,仅仅是将其数据拷贝到其他内存单元中,因为某个线程长时间独占共享缓冲区会阻塞其他线程的运行。  电机伺服控制线程任务是读取缓冲区人中的当前测试力和变形数据解算控制算法向电机驱动器发出控制脉冲等。监控线程任务是读取缓冲区8中的数据,判断电机运行速度是否在容许范围之内横梁是否接近预设的极限位置试样是否已经破坏等等,同时更新8中的数据。  4实时测试数据的处理材料试验过程中,最新的材料与科技让Selle Royal在创造世界上最环保坐垫系列的任务中又有了新的突破各种干扰因素致使采集的实时数据包含随机误差,甚至粗大误差8,所以必须对数据进行处理。先剔除含有粗大误差的异常数据,再滤除数据中包含的随机误差。应用标准模板库丁构造容纳个取值为实时数据的先进先出吓,缓冲区,新数据保存到缓冲区尾部,同时头部数据丢掉,确保缓冲区中的数据是近〃次对同信号等精度重复采样的结果。  4.1剔除包含粗大误差的异常数据实时采集的数据包含多种误差,存在定的离散性,它们般符合正态分布,具有同质性正态性和可加性的特点9,但是含有粗大误差的异常数据不符合正态分布规律,这就是判断数据是否含有粗大误差的统计学理论依据。  分析本组,个测量值之前,先将它们拷贝到个临时缓冲并按大小顺序排列⑴矣专备心小然后测控系统软件软付界面败据采集与状态监测数据显数据管理与程控自动系统外挂管理镆块控制棋块模块处理模块测试棋块程序窗口诠理数据采焚变形监测数字较数据库指令系统标定菜单管理软件滤波力监测杓位跳变历史押放指令解析系统调架界而配2萨仍筇法限位监测特征分析指标计算控制生成硬件白检电机驱动状态提曲线,筠法设置命令传递软件注册时钟管理紧急杼机曲线打印报管理软件配动设置曲线放缩打印管理软件试用4心操作系统没有提供直接访问硬件设备接口和修改中断向量的41函数,也无法独占软硬件资源,这对测控系统的实时性影响很大,解决这个问需要编写测控卡的,1驱动程序。驱动程序运行在核心态,通过总线和硬件抽象层利用驱动程序提供的各项服务,实现对测控卡硬件资源的访问。测控系统软件运行在用户态,利用微软提供询的方式,实现与驱动程序进行数据交换。实现过程的关键是操作系统在驱动程序的缓冲区和测控系统软件的缓冲区之间交换数据。  测控系统经常需要周期性执行某特定任务,故而定时器是必不可少的。PC机的系统定时器提供了WMTIMER定时计算平均值尸计算剩余误差⑴歹计算标准差的估计值=V5p计算标准化顺序统计=尸尸⑴和心=的分布及其在显著度下的临界值办若君心,或君,身俭,则判断,或厂,含粗大误差,将其剔除。对剩下的测量值重复以上过程再次判断,直至本组测量值中不再含有异常数据为止。剔除某个异常数据以后,算法中的要相应改变。显著度般取0.0办,的值可以计算机测量与控制先,再将结果保存起来,在算法运行时候直接使用。  4.2滤除随机误差的数字滤波算法剔除所有包含粗大误差的异常值后,用剩下的数据构造个新的数据列⑴广⑵⑴的先后次序要和它在原始数据列中位置的先后次序保持致。采Storer认为缺少对上述身份的认识意味着在格伦费尔塔火灾事件过后的几小时、几天、几周后用加权递推平均滤波法对此数据列进行数字滤波,这种算法厂,对所取的权值是不同的。滤波算法计算达式是其中6,是大于零的常数,满足,=的选取方法常用的是加权系数法。如下则,当入越大,6越小,则给予新的采样值的权系数就越大,而给予先前采样值的权系数就越小,从而提了新的采样值在平均过程中的比重。代系统的纯滞后时间,当难以判断其数值时,可以反复取不同数值进行尝试,直至数据平滑度好。也可利用小乘法求取加权系数6,使滤波后的数据以小均方差逼近广⑴数据列。  实践证明,在剔除含粗大误差的数据后再进行加权递推平均滤波处理,能够有效地平滑测试数据,对于周期性干扰脉冲干扰等干扰因素有很好的滤波效果,而且算法的运算量不大,适合数据的处理。  5材料试验机测控系统程控自动测试的实现高档的材料试验机都具有程控自动测试的能力,提供用户自定义试验过程的试验模式。用户利用测控系统提供的指令设计试验过程,测控系统就按照用户自定义的试验过程进行试验,试验中无需试验人员介人。4.  指令解析控制过程生成5.1指令与代码解析程控自动测试模块提供指令界面,使用预定义的命令和语法设计试验过程。过程的般结构是指定试验包含几个阶段;指定试验过程大的试验力大变形量和横梁大移动速度;定义试验的每个阶段,特别是阶段结束条件。  下面用个简单的例子阐述程控自动测试的实现方法。试验过程分为4段低速运行到横梁位移为1.00,消除系统间隙;中速运行到试验力为5000低速运行到试验力为6速运行直到试样断裂,试验结束。过程定义如下设置试验过程包含4个阶段TESTMETHOD设置试验方法为拉伸,预定义为1MAXFORCE设置夹头大位移30.00,用于系统保护设置夹头大移动速度20mnAninPHASE=I定义第段过程BEGIN过程定义开始标志00=1;系统间隙调整过程,预定义为1vELOcnr=2.00;第段过程结束的条件是横梁位移大于1.,END过程定义结束标志PHASE=2定义第段过程其它过程定义与第段过程类似,此处略在界面中对以上完成的过程定义进行指令解析,诸多关键字如肘,等等在指令解析时起到识别作用,结果保存到文件中,如5对心文件内容是以上过程定义的重新描叙,它能够为程控模块理解,生成控制过程。5,1.,1文件内容如下其它部分与上面类似,此处省略。在写31.1文件时,所有括号内文本不换行可以看出文件第部分是整体参数描述,后面都是过程描述。诸多关键字如13;等等在分析文件生成控制过程时起到识别作用。  5.2控制过程生成与实现定义个新类40丁681BOOLphaseover;本阶段是否已完成inllestoethod;本次试验的试验方法inlaUphrase;所有阶段数目doublejumpforce;本阶段眺转时力临界值doublejumpdisp;跳转时变形临界值doublemaxforce;系统容许大试验力doublemaxdisp;系统容许大位移量BOOLNeedJump判断是否应该跳转根据需要还可以继续扩展用户指令控制实,程控测试的每个阶段都可以用这个类的个对象去描述,将所有的对象都放到链当中。每隔段时间遍历次链,决定当前哪些阶段已经结束,哪个阶段需要当前继续执行,由此判断链中的哪个4对象是当前需要处理的。根据对象中保存的参数数值和当前测控系统运行的状况,结合电机伺服控制线程状态监控线程实现程控测试。另外,手动模式和程控模式要能够方便地进行切换,以适应材料试验的复杂性和多样性。  6结论分析了系统实现中需要解决的几个关键问。在笔者开发的材料试验机测控系统中运用文章所述方法,获得了良好的系统性能。实践证明,系统即使在恶劣的环境下运行稳定可靠,实时性强,数据采集精度达到了预期的要求,系统维护方便灵活,证明了本文所述方法的可靠性和先进性。  隗幼聃。材料试验机的现状和展望。现代制造工程,20038杨芙清。面向对象程序设计M.上海上海科学技术文献出版社,任献彬,鞠建波。测控软件的软件测试方法研究。计算机测量尤晋元,史美林,陈向群,向勇。8操作系统原理。北京机械工业出版社,2001.  张惠娟,周利华,翟鸿鸣。,8环境下的设备驱动程序设计。西安西安电子科技大学出版社,2002.  周翠玉。双;1系统环境下的实时性控制门。计算机工程,向运飞,刘旺开,沈为群。多线程技术在计算机测控系统中的应用研究几计算机应用研究,2002,924.  杨建潮。测鼠误差中粗大误差的判别与处理。计量与测试技盛骤,谢式丁,潘承毅。概率论与数理统计肘。北京高等教育出雷霖。微机自动检测与系统设计M.北京电子工业出版费业泰。误差理论与数据处理。北京机械工业出版社,2003.  这热於,识热识热於货资货於热热於於货典货,识势货陪货剿访取於访剿泛,於货於於热热资於剿货上接第81页理机知识库及其管理系统数据库及其管理系统知识获取机构解释机构6个部分组成3.本专家系统的基本结构4.人机接是专家系统与该领域专家和操作人员之间的嫌作人员专家知识界面,用于完成故障诊断的输人输出工作。推理机是专家系统正向推理的方法。故障知识库用于存储设备常的故障各故障发生的原因各种原因引起该故障的可能性大小的经验数据以及某故障发生的些充分及必要条件等。知识库管理系统负责组织检索和维护故障知识库中的知识。知识库获取机构负责将知识输人到故障知识库中,同时维持知识的致性和完整性。数据库用于存放反映设备当前状态的事实数据,包括操作人员输人的事实无线数传模块传输到故障诊断仪的征设备状态的仪器信号以及推理过程中得到的中间结果。解释机构通过人机接口向操作人员提供诊断结果,给出必要解释,指导操作人员排除故障,为用户了解推理过程以及系统维护提供方便手段。  3装,的低功耗和抗干扰设计应用MSP430单片机液晶显模块和无线数传模块很好地实现了仪器的低功耗。诊断装置工作时,关闭不用的单片机外围模块,单片机16位00不工作时将其设为低功耗模式。  为了消除光机电设备中各种电子仪器设备引人的周期性和随机性干扰信号,采用了硬件抗干扰和软件抗干扰两种方法。硬件方面,信号采用屏蔽电缆传输,所有要接地的信号采取点集中接地。在量程自动设定电路中使用高精度运放等做法,都可以减弱或消除干扰信号。软件方面,方面在单片机的数值处理程序中采取了粗大误差剔除和高阶软件滤波的方法,即根据莱特准则4,对个采样值,1=21求均值和方差,当残差弘137时,剔除,用剩余采样值块,的通信程序中采取了对信号进行身份识别和加校验码的措施。  4结束语该诊断装置采用了分布式无线接人方式和专家系统方法,结构简单,操作简便,扩展性好,有定的智能性,特别适合野外作业条件下对设备的实时状态监测和故障诊断,很好地解决了某大型光机电设备故障诊断与排除的难,还可代替实际光机电设备进行辅助操作训练。  郭利,张锡恩,马彦恒。导弹发射装置分布式监,诊断系统。计算机测量与控制,2003,870872.  胡大可。MSP430系列KLASH型超低功并以PCO2R商标于2011年4月取得美国生物降解塑料研究所(BPI)的论证耗16位单片机M.北京北京航空航天大学出版社,2001.  王永庆。人工智能原理与方法西安西安交通大学出版tt,杨欣荣。智能仪器原理设i十与发展M.长沙中南大学出

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