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申请/专利权人：燕山大学

摘要：本发明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。

主权项：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；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；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；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；所述基于分数阶PID的电动变载荷加载装置的控制方法，包括以下步骤：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，所述加载机构固定在滑块13上，从而能够对加载机构的运行轨道半径进行调节；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9的驱动器，传动机构伺服电机9通过同步带与摩擦连杆带动样品台7的旋转区转动，其中-10V～0V时控制样品台7顺时针旋转，0～+10V时控制样品台7逆时针旋转；步骤4：采用分数阶PID控制加载系统，其控制器传递函数为：Cs＝Kp+Kis-λ+Kdsμ；KP、Ki、Kd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；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ωb,ωh，其近似的有理传递函数模型为 其中 式中r为分数阶阶次,2N+1为近似化次数，ωb和ωh分别为选定的拟合频率上下限；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： 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，tmax为最大迭代次数；步骤5：采用不同的加载波形进行加载试验；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；步骤7：加载过程中摩擦力与摩擦系数的获取。

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百度查询： 燕山大学 基于分数阶PID的电动变载荷加载装置及控制方法