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基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制.pdf

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基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制1绪论1.1三轴仪简介土力学是应用力学的一个分支,它的主要任务是研究土的本构关系即土的应力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系以及土与结构物相互作用的规律,建立土的强度一变形理论,为土木工程提供正确的理论指导“1。而三轴仪系统就是为了研究±的力学性质而开发的一套科学试验仪器系统,它是研究土的本构关系必不可少的基础试验设备。先进的三轴仪系统,是当代机械设计技术、自动化技术、微电子技术和计算机技术等最新科学技术成果的结晶,具备极高的自动化水平。三轴仪因其可以控制试验土样三个正交方向的应力而得名。常用三轴仪依据施加轴向载荷的方式不同,可分为应交控制和应力控制式两类嘲。而三轴仪都是由轴向加压系统、压力室、周围压力系统等系统组成嘲。图l一1就是一个最小的三轴仪系统结构简图。图11 三轴仪简图Fig.11 Simplified Illustration of Triaxial Testing Instrument轴向加压系统即三轴试验机,通常由电动机和变速箱进行传动,并通过加载机架的固定横梁的反作用,将荷载通过压力室施加到试样上。压力室它是安装试样并使周围压力和轴向荷载作用于试样的重要部分。周围压力系统和反压力系统即液压稳定装置,要求对所施加的周围压力和反压力能长期恒压,以保证试样在固结和剪切过程中周围压力不变。基于CAN总线的土工三轴仪控制系统韵研制三轴仪的基本工作原理是“1以液压加载装置对三轴室内腔加压,提供试验土样两个径向正交应力;以轴向机械加载装置压缩土样,提供试验土样的轴向应力。在试验过程中,记录土样的三个正交应力、轴向变形以及土样的体积变化。根据这些试验数据推算出土的抗剪强度等力学性能指标。随着土木工程科技的发展,对土工三轴仪的技术要求也越来越高,±工三轴仪向精密化、自动化和网络化的发展趋势也越来越明显。1.2三轴仪的技术发展现状土工三轴仪系统是相当专业的机电一体化设备,属于科学试验仪器。由于用户都是土工专业机构或有关的高校院所,用户群相对较小,因此国内外从事三轴仪研发的专业厂商并不多;同时,公布的相关文献和技术资料相对较少,获取信息的难度较大。根据目前对市场的调查来看,在这个专业领域内的概况如下。1.2.1国内三轴仪技术发展现状国产的设备主要有南京水力电力仪器工程有限责任公司的sJIA.G系统和南京土壤仪器厂的TSZ一30系统。以sJIA.G系统为例01,它的电机控制单元主要由空气开关和交流接触器构成,结构简单,功能单一。采取这样简单的控制系统,既有简化设计的缘故,同时也是受其加载系统结构限制的无奈之举。该三轴仪的加载动力机为三相异步电动机而非专用的伺服电机,没有与之相配套的驱动器商品,考虑到开发难度和可靠性的因素,设计人员简化了电机控制系统的设计,使其仅具备了启停和正反转功能,因此,该电机不能作连续的无级变速运动。为了使三轴仪具备不同的加载速率,迫使轴向加载系统采用了蜗杆蜗轮一齿轮变速箱一链传动的机械结构。然而,由于普通三相异步电动机转动惯量大,滞后效应明显,加上链传动本身具有传动比不稳定的特点,所以在轴向加载与卸载时,很难做到平稳性和精确性;同理,由于围压与反压加载系统也是以普通三相异步电动机为动力,故其加载与卸载动作也是非平稳的。当该仪器作分级加载实验时,只能停机由人工进行速率变换,破坏了试验的连续性。而Tsz一30三轴仪,其采用普通的三相异步交流电机作加载动力。其轴向载荷加载装置为蜗轮蜗杆一齿轮减速箱一链传动的结构,而围压加载单元使用的是传统的手动操作的液压控制柜。由于TSZ一30三轴仪未采用伺服电机系统作驱动源,因而只能通过人工切换减速器速度档来实现加载速率的改变,因而加载冲击性大,自动化水平和控制精度低。另一方面,试验数据均显示在模拟式仪表上,不但容易引入人为读数误差,而且不便于试验数据的记录和整理。这些设备的共同特点为·加载系统无法实现加载速率的连续可调,加载的精度较低;·测控系统功能简单,自动化程度低,操作繁琐,可靠性差;基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制·实验数据又以手工记录和后期人工处理为主,工作量大,易出错。近年来,国内不少科研机构针对上述的第三个弱点,成功开发了基于单片机和微机的数据采集系统,使得数据采集和后期处理实现了自动化。但是,对于三轴仪主机系统中的伺服控制部分,却均未作有意义的改进。因此,系统的试验精度并未获得有效的提升。1.2.2国外兰轴仪技术发展现状国外著名的三轴仪系统生产厂商为英国的GDS公司、美国的GeoCamp公司和MTS公司。它们的三轴仪系统都配备了先进的数字式伺服控制器嘲盯¨”嘲,具备相当高的自动化水平,试验员只需通过试验管理软件编辑好试验流程,设定好试验参数,三轴仪系统就可以相当高的精度自动完成试验,并且可以自动填制试验报表,绘制试验图线,形成规范的试验报告。国内至今尚无与其相匹敌的产品系统。表11是国外先进的三轴仪产品。表11 先进的三轴仪产品Tablel-I Advanced Triaxial Product List1.3三轴仪的技术发展趋势由于国产三轴仪系统的精度和自动化程度均较低,一般情况下只能作为教学仪器使用或仅仅作为定性分析的工具,难以满足科学研究的现实需求;另一方面,现有的进口三轴仪系统虽然性能优异,但是价格不菲,采购这样的系统将耗费用户大量的财力。目前国内的部分研究机构开始应用一些新技术致力于旧式三轴仪的改进和新型全自动化三轴仪的研制,并在数据采集和处理、伺服控制系统方面取得了一定的发展。另一方面土力学试验除了三轴剪切试验外,还有直剪试验、渗透试验和固结试验,这些试验均有相应的试验仪器01。通常,完整的土工试验室均配备有以上各种试验仪器,有时一种仪器甚至不止一台。如何对这些种类各异的仪器实现自动化操作并进行有效的集中管理,成了土工试验仪器领域近年来的研究热点。目前,美国GeoComp公司已经将这种概念贯穿到其土工试验仪器产品设计中,图1-2就是根据该公司产品手册“”导出的基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制控制系统网络结构。然而现场总线技术的出现为这一问题的解决提供了一个非常有效的技术方案。图1-2 GeoComp试验测控网络结构Fig.12 LANNet Structure of GeoComp’s Labrary现场总线不单单是一种通信技术,也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表,关键是新一代的现场总线控制系统FCSFieldbus Control System代替传统的集散控制系统DCSDistributed Control System,实现现场通信网络与控制系统的集成。现场总线控制系统的优势有“”·信号的传输实现了全数字化;●系统的结构是全分散式的●现场设备具有互操作性;·通信网络是开放式互联网络;·技术和标准实现了全开放。基于上述5点,必将导致一个全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代现场总线控制系统的出现。1.4课题的背景目前,国内众多的科研院所和工程公司都有对高级三轴仪的强烈需求,但因为国产三轴仪技术水平的落后而无法满足这种要求,市场为少数几种类型的进口三轴仪所垄断,而一套进D---轴仪售价往往高达数十万元人民币。由此可见,市场上存在着技术水平相当,价格合理的国产三轴仪的生存空间。另一方面,从技术上来看,利用现有的机电技术已经完全能够设计开发出与国外公司性能相当的三轴仪产品。因此,我校工程力学系邵龙潭教授组织土力学和机械工程学4基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制的相关技术力量,展开了新型三轴仪的研究开发工作。本课题的内容即属于该项目研究的一部分。1.5课题的理论意义和实用价值先进三轴仪测控系统的研究,实质上是一个多学科技术成果集成应用的问题。涉及到的科学理论和技术有控制系统的结构与算法、微弱信号检测、数字信号处理、数据采集、数据通信以及电机的伺服驱动等。研究的任务就是要在实用性、先进性和经济性原则的指导下,将这些现代技术运用到三轴仪控制系统的设计中。研究先进的三轴仪伺服控制系统,掌握自动三轴仪的核心技术,设计出相对独立的功能模块,既可将研究成果迅速地装备到正在服役的旧式三轴仪系统中,提高它们的自动化水平,同时,也能为新型三轴仪的研制打下坚实的技术基础,缩短开发周期。1.6本课题所要解决的主要问题通过对三轴仪试验原理和三轴仪控制系统的研究,本课题主要解决下面几个方面的问题。I.确定了控制系统的数据通信方案和控制方式方案,并给出了控制系统的整体结构;2.完成了三轴仪系统的下位机微处理器TMS320LF2407A系统平台的硬件设计;3.完成了三轴仪通信系统的硬件电路设计、软件编程与系统调试;4.进行了三轴仪轴向加载系统的结构研究及加载系统的硬件电路设计及软件编程。基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制2基于CAN总线的三轴仪控制系统的基本知识2。1三轴仪试验的基本知识评价一套三轴仪系统是否先进,主要是看其是否能够高精度地自动完成经典三轴试验和应力路径试验。下面我们将分别介绍一下这两种试验的基本原理。2.1,1三轴剪切试验的基本原理及分类1.兰轴剪切试验原理如图2-1所示,土力学中土体的基本理论分析模型是六面体三向受力微元,土样的强度破坏理论即是建立在该模型上的剪切破坏理论。图2-1三轴试验原理示意图Fig.2-1 Schematic Illustration of Triaxial Testing三轴剪切试验的基本原理是给土样施加三个正交应力,使试验土样在某个面上产生剪切破坏,从而间接地使土样发生剪切破坏。试验过程中,三轴仪上的测量装置会检测记录下加载过程中试样的应力应变过程,供科研人员进行分析。三轴剪力试验的目的是用来测定试样在某一固定周围压力下的抗剪强度,然后根据三个以上试样,在不同周围压力下测得的抗剪强度,利用莫尔一库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数。基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制三轴仪的试验土样通常为圆柱形,在其两端加上滤纸、透水石、轴力传递及排水装置后,将其包裹在薄橡皮膜中,置于液压三轴室中参见图i-I和2-I。试验土样的周向应力ot、o a由液压室内的压力P提供,轴向应力o,由轴向加载装置产生的压缩力F提供。当三轴剪切试验进行时,要求实时记录轴向加载力F的大小、围压P的大小以及土样相应的变形量△,直至试验土样发生剪切破坏为止“”。2.三轴剪切试验分类按照排水条件与固结条件的不同,经典的三轴剪力试验可以分为不固结不排水剪UU,Unconsolidated Undrained、固结不排水剪cU,Consolidated Undrained、固结排水剪CD,Consolidated Drained以及I0固结三轴剪““。不固结不排水试验试样在周围压力和轴向压力下,从试验开始直至破坏全过程中均不允许排水,同时,根据试验的需要还能测定试验土体的孔隙水压力。固结不排水试验试样先在周围压力下让土体排水固结,然后在不排水条件下旌加轴向压力直至破坏,同时测定土体孔隙水压力。固结排水试验试样先在周围压力下让土体排水固结,然后在允许试样充分排水的条件下增加轴向压力直至破坏,同时在试验过程中测读排水量以计算试样的体积变化。Ko固结三轴剪前三种试验方法都是在等向压力等向固结即o。oo。的条件下排水固结。而Io固结试验是先使试样在不等向压力下固结,即按Jo o。o。o。施加周围压力,然后进行不排水剪或排水剪试验。2.1.2应力路径试验的基本原理经典三轴剪切试验在试验过程中对于轴向加载力的操作是只测量不控制,这类试验在本质是应变控制式的。经典三轴试验中确定±的剪切破坏值,较为广泛的应用是当出现峰值应力时按峰值计,如无明显的峰值出现时按轴向应变的15%时的主应力差作为破坏点的标准。然而,这样的处理方法对于天然土来说过于简单化。为了将天然土的复杂性、土的胀缩性和超固结程度在剪切过程中很好地反映出来,人们设计了应力路径三轴剪切试验来研究土的这些特性聆][123。应力路径是指土体在外力作用下,土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹,它是描述土体在外力作用下的应力状态及变化过程的一种方法,同一种土体制各成相同规格的试样,采用不同的应力路径和不同的试验手段使之破坏,其应力变化过程是不相同的。基本的三轴试验应力路径共有七种,主要的不同之处表现为剪切过程中对主应力。。和o。不同的控制规律。应力路径试验的分析理论已超出本课题的研究范围,论文对此不作深入研究。经过研究应力路径剪切试验规程“21后发现应力路径剪切试验本质上是应力控制式的,这种三轴仪对测控系统的功能需求与作经典三轴试验的测控系统相比,在控制软件的功能上提出了更高的要求,要求测控系统能迅速准确地测量轴向加载力和围压,根据控制策略的要求实时调整轴向加载系统和围压加载系统。在测控环节上,测量与控制对象仍为轴向加载力、围压、反压、孔隙压、轴向剪切位移和试样的体积变化量,与经典三轴试验的测控系统并无区别,因而在硬件层次上,经典三轴试验的测控系统完全,基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制可以胜任应力路径剪切试验的要求。2.2 CAN总线综述2.2.1 CAN总线的概述及特点现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间,实现双向串行多节点数字通信的系统。人们将专用的CPU置入传统的测量控制仪器,使它们各自具有了计算和通信的能力,采用可进行简单连接的双绞线等作为通信介质,把多个测量控制仪器连接成网络系统,并按照公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设各之间以及现场仪器与远程控制计算机之间,实现数据传输与信息交换,进一步形成适应各种实际需要的自动控制系统。简言之,它把单个分散的测量控制设备变换成网络节点,以现场总线为纽带,把他们连接成可以相互进行信息交换、共同完成自控任务的网络和控制系统。它给自动化领域带来的变化,正如众多分散的计算机被连接在一起,使计算机的功能、作用发生了变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力,把它们连接成网络系统,加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成一个控制技术新时代的开端并不过分。到现在为止出现了多种现场总线的技术标准,它们在各自的领域都有一定的优势,本文选用了应用最为广泛的一种技术标准一CAN总线,因为它的优势在于其应用层协议可以自己开发,而且有很多硬件厂商推出了他们的CAN芯片,并在底层彼此兼容,这为开发和后来的推广提供了很多方便。CAN总线Control Area Network,控制局域网络最初是由德国Bosch公司为汽车内部的监控系统而设计的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ,BMW,PORSCHE,ROLLSROYCE等都已采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的总线式串行通信网络,具有物理层、数据链路层和应用层三层协议。CAN总线专用接口芯片中以固件形式集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。CAN总线各节点之间依据优先权进行总线访问,以广播的形式进行通信。由于采用了许多新技术及独特的设计,与一般的通信总线相比,具有突出的可靠性、实时|生和灵活性,其应用范围目前己不再局限于汽车行业。CAN现已经形成国际标准,并已被公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线具有如下特性“”·CAN是到目前为止唯一有国际标准的现场总线·CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从;·在报文标识符上,CAN上的节点分成不同的优先级,可满足不同的实时要求,基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制优先级高的数据最多可在134us内得到传输;·CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动退出发送,而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下,也不会出现网络瘫痪情况以太网则可能;●CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据·CAN的直接通信距离最远可达lOkm速率5kbps以下通信速率最高可达1Mbps此时通信距离最长为40m;●CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个。标准帧报文标识符有11位,而扩展帧的报文标识符29位的个数几乎不受限制;·报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,保证了数据出错率极低;·CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,具有极好的检错效果·CAN通信介质可为双绞线、同轴光缆或光纤,选择灵活;·CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响t·CAN总线具有较高的性能价格比。它结构简单,器件容易购置,每个节点的价格较低,而且开发技术容易掌握,能充分利用现有的单片机开发工具。CAN总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点,越来越受到工业界青睐。CAN节点的80%应用于车辆,其余应用于嵌入式网络和工业控制系统,如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床控制系统等。在欧洲高能物理项目CERN中也采用了CAN总线。2.2.2 GAN总线的电气特性及其分层结构1.CAN总线的电气特性CAN总线的通信线路由两根导线组成,分别为cAN_H和CAN_L,这两根导线也就是CAN网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上,并且都通过这两根导线交换数据。总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压va。和Vc“_L的差值表示。该差分电压Vd.可表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图22所示,在“隐性”状态下,差分电压v。近似为0。“显性”状态vdi,则大于一个最小阐值。在CAN总线标准通信协议中规定“显性”表示逻辑“0”,而“隐性”则表示逻辑“1”。“”当在总线上存在“显性”位和“隐性”位同时发送时,节点发送驱动电路的设计使得总线数值表现为“显性”。在总线空闲位期间,总线表现“隐性”状态即逻辑1。“显性”状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节点之间的同步。CAN总线上的数据按位串行传输,其传输速率可高达IMbps,在速率为5Kbps时传输距离可为lOkm,在速率为iMbas时的传输距离为40m。当然,挂接在统一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率。基于CAN总线的土工三轴仪控制系统的研制V时_弧图22 总线位的数值表示Fig.2-2 Electric Denotation of CAN Bit2.CAN总线的分层结构CAN的ISO/OSI参考模型的层结构如图23所示“”。图23 CAN的ISO/OSI参考模型层结构Fig.2-3 CAN Layer Structure of ISO/OSI Model1.物理层Physical Layer定义信号是如何实际地传输的,因此涉及到位定时、位编码/解码、同步的解释。技术规范中没有定义物理层的驱动器/接收器特性,以便允10
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