CN107390751A - 一种偏心圆筒流变仪的控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种偏心圆筒流变仪的控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏心圆筒流变仪的控制系统及其控制方法，该系统以处理器为核心，处理器分别与数据采集模块、电机驱动部分、主机和触摸屏连接，通过数据采集模块实时采集各个传感器读取的数据，通过增量式PID控制器实现流变仪测量头温度的控制，处理器通过can总线方式与电机驱动器通讯实现数据交换达到控制电机从而控制流变仪内筒模块，通过处理器与主机和触摸屏连接实现人机交互，实现对流变仪的控制及参数的设定和读取。利用偏心圆筒流变仪控制方法和控制系统可以实现对流变仪数据实时采集，相关参数设定和控制，达到偏心圆筒流变仪的控制需求。从而实现流变学流变参数的精确计算，对促进聚合物加工流变学的发展具有重要意义。

Description

一种偏心圆筒流变仪的控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及偏心圆筒流变仪，尤其涉及一种偏心圆筒流变仪的控制系统及其控制方法。
背景技术
偏心圆筒流变仪是一种特殊的圆筒式流变仪，其内筒和外筒间偏心度可以调节，相比于常规的流变仪它对于研究聚合物加工过程中同时存在的拉伸和剪切这两种复杂流动的现象具有重要意义，而该流变仪对于实验中内外筒运动的控制精度和协调性具有很高的要求，同时对实验过程中相关数据的采集速度和精度要求很高，而对于该流变仪在实验过程中其偏心度的调节，内外筒的控制以及各个参数的测定，目前尚未出现较好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种偏心圆筒流变仪的控制系统及其控制方法。克服了目前偏心圆筒流变仪数据采集的实时性达不到要求，相关数据采集及控制的精度不够，各个部分控制协调性低，以及实验人员操作不方便等缺点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种偏心圆筒流变仪的控制系统，包括：
处理器，以及与分别与处理器连接的主机、触摸屏；
用于控制偏心圆筒流变仪的内外筒运转的内外筒运动控制单元；控制单元用于控制流变仪内外筒的间隙调节、偏心度调节和内筒旋转控制；
用于采集偏心圆筒流变仪压力的压力采集单元；
用于采集偏心圆筒流变仪温度的温度采集单元；
用于采集偏心圆筒流变仪扭矩的扭矩采集单元；
所述压力采集单元、温度采集单元和扭矩采集单元，将分别采集到的模拟数据传输给数据采集模块，通过数据采集模块将压力数据、温度数据以及扭矩数据经过模数转换后传输给处理器进行下一步的处理。
所述内外筒运动控制单元包括：光栅读头、步进电机、伺服电机和无刷直流电机；
所述光栅读头与处理器连接；
所述伺服电机与伺服驱动器连接，伺服驱动器通过can总线方式与处理器连接；
无刷直流电机与电机驱动器连接，电机驱动器通过can总线方式与处理器连接；
步进电机由电机驱动模块驱动，电机驱动模块直接与处理器连接。
所述温度采集单元包括加热云母片和热电偶；由处理器经PID控制器控制偏心圆筒流变仪中的温控部分。
所述处理器通过串口RS232分别与主机和触摸屏连接。
所述主机上包括偏心圆筒流变仪测控系统，触摸屏上包括上位机。
一种偏心圆筒流变仪的控制方法，其包括如下控制步骤：
偏心圆筒流变仪温度的闭环控制步骤：
通过增量式PID控制器控制流变仪内外筒温度，加热云母片对偏心圆筒流变仪的内筒模块进行加热，而热电偶实时测量其温度，温度数据由处理器通过数据采集模块采集，从而实现温度的闭环控制；
外筒扭矩及材料压力的采集步骤：
扭矩传感器和压力传感器，分别采集到外筒扭矩和材料内的压力模拟数据后，经过模数转换，并由处理器处理后由串口RS232将数据传输至主机和触摸屏，以便进行下一步处理；
偏心圆筒流变仪内外筒运转控制步骤：
伺服电机由伺服电机驱动器驱动，伺服电机控制内筒的上下移动，伺服电机驱动器通过can总线通讯方式与处理器连接进行数据的交换；
内筒具体位置由光栅尺及光栅读头确定，处理器实时采集光栅读头采集的位置信息，再通过控制电机从而实现内外筒之间的间隙控制；
内筒的旋转则由无刷直流电机控制，同样无刷直流电机由电机驱动器驱动，而电机驱动器通过can总线方式与处理器通讯，进行数据的读取与指令的传输，从而由处理器控制内筒的旋转；
内筒与外筒间的偏心度调节由步进电机来控制，步进电机通过电机驱动器与处理器连接，处理器通过发出脉冲直接控制步进电机，内筒相对外筒偏心的角度由光栅读头读取，处理器读取光栅读头信息，从而实现偏心度的控制。
温度的闭环控制的具体步骤为：
以温度的偏差为输入由处理器通过增量式PID控制器来控制加热云母片加热过程，其中Ts为温度设定值，Ta为实际温度值，Errk＝Ts–Ta为温度设定值与实际值的偏差，Errk-1为上次偏差，Errk-2为前两次偏差，DT＝Kp*Err+Ki*(Errk-2*Errk-1+Errk-2)+Kd*Errk-2；
这里的Kp为设定的比例系数，Ki为设定的积分时间常数，Kd为设定的微分时间常数，最终根据DT的值来调节加热云母片的加热动作，进而实现偏心圆筒流变仪温度的闭环控制。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
通过数据采集模块实时采集各个传感器读取的数据，通过增量式PID控制器实现流变仪测量头温度的控制，处理器通过can总线方式与电机驱动器通讯实现数据交换达到控制电机从而控制流变仪内筒模块，通过处理器与主机和触摸屏连接实现人机交互，实现对流变仪的控制及参数的设定和读取。利用偏心圆筒流变仪控制方法和控制系统可以实现对流变仪数据实时采集，相关参数设定和控制，达到偏心圆筒流变仪的控制需求。从而实现流变学流变参数的精确计算，对促进聚合物加工流变学的发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明偏心圆筒流变仪的控制系统结构图。
图2为控制系统的控制端示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1和图2所示。本发明公开了一种偏心圆筒流变仪的控制系统，包括：
处理器，以及与分别与处理器连接的主机、触摸屏；
用于控制偏心圆筒流变仪的内外筒运转的内外筒运动控制单元；控制单元用于控制流变仪内外筒的间隙调节、偏心度调节和内筒旋转控制；
用于采集偏心圆筒流变仪压力的压力采集单元；
用于采集偏心圆筒流变仪温度的温度采集单元；
用于采集偏心圆筒流变仪扭矩的扭矩采集单元；
所述压力采集单元、温度采集单元和扭矩采集单元，将分别采集到的模拟数据传输给数据采集模块，通过数据采集模块将压力数据、温度数据以及扭矩数据经过模数转换后传输给处理器进行下一步的处理。
所述内外筒运动控制单元包括：光栅读头、步进电机、伺服电机和无刷直流电机；
所述光栅读头与处理器连接；
所述伺服电机与伺服驱动器连接，伺服驱动器通过can总线方式与处理器连接；
无刷直流电机与电机驱动器连接，电机驱动器通过can总线方式与处理器连接；
步进电机由电机驱动模块驱动，电机驱动模块直接与处理器连接。
所述温度采集单元包括加热云母片和热电偶；由处理器经PID控制器控制偏心圆筒流变仪中的温控部分。
所述处理器通过串口RS232分别与主机和触摸屏连接。
所述主机上包括偏心圆筒流变仪测控系统，触摸屏上包括上位机。
本发明偏心圆筒流变仪的控制方法，可通过如下控制步骤实现：
偏心圆筒流变仪温度的闭环控制步骤：
通过增量式PID控制器控制流变仪内外筒温度，加热云母片对偏心圆筒流变仪的内筒模块进行加热，而热电偶实时测量其温度，温度数据由处理器通过数据采集模块采集，从而实现温度的闭环控制；
实现温度的闭环控制的具体步骤为：以温度的偏差为输入由处理器通过增量式PID控制器来控制加热云母片加热过程，其中Ts为温度设定值，Ta为实际温度值，Errk＝Ts–Ta为温度设定值与实际值的偏差，Errk-1为上次偏差，Errk-2为前两次偏差，DT＝Kp*Err+Ki*(Errk-2*Errk-1+Errk-2)+Kd*Errk-2；
这里的Kp为设定的比例系数，Ki为设定的积分时间常数，Kd为设定的微分时间常数，最终根据DT的值来调节加热云母片的加热动作，进而实现偏心圆筒流变仪温度的闭环控制。
外筒扭矩及材料压力的采集步骤：
扭矩传感器和压力传感器，分别采集到外筒扭矩和材料内的压力模拟数据后，经过模数转换，并由处理器处理后由串口RS232将数据传输至主机和触摸屏，以便进行下一步处理；
偏心圆筒流变仪内外筒运转控制步骤：
伺服电机由伺服电机驱动器驱动，伺服电机控制内筒的上下移动，伺服电机驱动器通过can总线通讯方式与处理器连接进行数据的交换；
内筒具体位置由光栅尺及光栅读头确定，处理器实时采集光栅读头采集的位置信息，再通过控制电机从而实现内外筒之间的间隙控制；
内筒的旋转则由无刷直流电机控制，同样无刷直流电机由电机驱动器驱动，而电机驱动器通过can总线方式与处理器通讯，进行数据的读取与指令的传输，从而由处理器控制内筒的旋转；
内筒与外筒间的偏心度调节由步进电机来控制，步进电机通过电机驱动器与处理器连接，处理器通过发出脉冲直接控制步进电机，内筒相对外筒偏心的角度由光栅读头读取，处理器读取光栅读头信息，从而实现偏心度的控制。
处理器通过串口RS232通讯方式分别与主机和触摸屏通讯，主机中包括由流变仪测控系统，通过测控系统实现对流变仪在实验过程中的温度、内外筒之间的间隙，内筒旋转速度及模式、内筒相对外筒偏心度等参数的设定，以及对实验中温度、压力、扭矩等参数的实时监测。同样实验人员也可以在触摸屏上通过上位机对上述内容进行简单查看和设定。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种偏心圆筒流变仪的控制系统，其特征在于包括：
处理器，以及与分别与处理器连接的主机、触摸屏；
用于控制偏心圆筒流变仪的内外筒运转的内外筒运动控制单元；控制单元用于控制流变仪内外筒的间隙调节、偏心度调节和内筒旋转控制；
用于采集偏心圆筒流变仪压力的压力采集单元；
用于采集偏心圆筒流变仪温度的温度采集单元；
用于采集偏心圆筒流变仪扭矩的扭矩采集单元；
所述压力采集单元、温度采集单元和扭矩采集单元，将分别采集到的模拟数据传输给数据采集模块，通过数据采集模块将压力数据、温度数据以及扭矩数据经过模数转换后传输给处理器进行下一步的处理。
2.根据权利要求1所述偏心圆筒流变仪的控制系统，其特征在于所述内外筒运动控制单元包括：光栅读头、步进电机、伺服电机和无刷直流电机；
所述光栅读头与处理器连接；
所述伺服电机与伺服驱动器连接，伺服驱动器通过can总线方式与处理器连接；
无刷直流电机与电机驱动器连接，电机驱动器通过can总线方式与处理器连接；
步进电机由电机驱动模块驱动，电机驱动模块直接与处理器连接。
3.根据权利要求2所述偏心圆筒流变仪的控制系统，其特征在于所述温度采集单元包括加热云母片和热电偶；由处理器经PID控制器控制偏心圆筒流变仪中的温控部分。
4.根据权利要求3所述偏心圆筒流变仪的控制系统，其特征在于所述处理器通过串口RS232分别与主机和触摸屏连接。
5.根据权利要求3所述偏心圆筒流变仪的控制系统，其特征在于所述主机上包括偏心圆筒流变仪测控系统，触摸屏上包括上位机。
6.一种偏心圆筒流变仪的控制方法，其特征在于采用权利要求5所述偏心圆筒流变仪的控制系统实现，其包括如下控制步骤：
偏心圆筒流变仪温度的闭环控制步骤：
通过增量式PID控制器控制流变仪内外筒温度，加热云母片对偏心圆筒流变仪的内筒模块进行加热，而热电偶实时测量其温度，温度数据由处理器通过数据采集模块采集，从而实现温度的闭环控制；
外筒扭矩及材料压力的采集步骤：
扭矩传感器和压力传感器，分别采集到外筒扭矩和材料内的压力模拟数据后，经过模数转换，并由处理器处理后由串口RS232将数据传输至主机和触摸屏，以便进行下一步处理；
偏心圆筒流变仪内外筒运转控制步骤：
伺服电机由伺服电机驱动器驱动，伺服电机控制内筒的上下移动，伺服电机驱动器通过can总线通讯方式与处理器连接进行数据的交换；
内筒具体位置由光栅尺及光栅读头确定，处理器实时采集光栅读头采集的位置信息，再通过控制电机从而实现内外筒之间的间隙控制；
内筒的旋转则由无刷直流电机控制，同样无刷直流电机由电机驱动器驱动，而电机驱动器通过can总线方式与处理器通讯，进行数据的读取与指令的传输，从而由处理器控制内筒的旋转；
内筒与外筒间的偏心度调节由步进电机来控制，步进电机通过电机驱动器与处理器连接，处理器通过发出脉冲直接控制步进电机，内筒相对外筒偏心的角度由光栅读头读取，处理器读取光栅读头信息，从而实现偏心度的控制。
7.根据权利要去6所述偏心圆筒流变仪的控制方法，其特征在于，实现温度的闭环控制的具体步骤为：
以温度的偏差为输入由处理器通过增量式PID控制器来控制加热云母片加热过程，其中Ts为温度设定值，Ta为实际温度值，Errk＝Ts–Ta为温度设定值与实际值的偏差，Errk-1为上次偏差，Errk-2为前两次偏差，DT＝Kp*Err+Ki*(Errk-2*Errk-1+Errk-2)+Kd*Errk-2；
这里的Kp为设定的比例系数，Ki为设定的积分时间常数，Kd为设定的微分时间常数，最终根据DT的值来调节加热云母片的加热动作，进而实现偏心圆筒流变仪温度的闭环控制。
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