[发明专利]基于分数阶PID的电动变载荷加载装置及控制方法

权利要求书

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：C(s)＝K_p+K_is^-λ+K_ds^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；

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。