CN111913474A - 一种静液压传动装置算法论证实验台架及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种静液压传动装置算法论证实验台架，其包括静液压传动装置、静液压传动排量控制装置、电动机转速控制装置、负载制动力矩调节与转速转矩测量装置、数据通讯中转及运行监控装置、上位机算法验证模块等，该发明的实验台架在硬件层使用Can总线对各个节点控制器进行数据通讯，当节点控制器收到数据后使用内置的控制算法与相应的传感器对执行器进行独立控制，具有控制分散、操作和管理集中的特点，并采用多层分级、合作自治的结构形式。该架构在一定程度上保证了整个系统的易用性、稳定性、实时性与高效性。
Description
技术领域
本发明属于试验设备领域，具体涉及一种静液压传动装置算法论证实验台架及其实验方法。
背景技术
静液压传动装置是利用液压油作为工作介质来传递动力的一种装置。它的主要工作特点是具有对外载荷的自动适应性，能够无级调速和变矩，使发动机的功率得到充分利用，但由于静液压传动装置内部能量的转化和液压油的控制关系较为复杂，有关的理论设计和计算方法目前尚不完善，难以用理论方法求得足以精确的特性。因此，目前的静液压传动装置的控制算法仍有较大的研究价值。在此前提下设计一种静液压传动装置算法实验台架及实验方法对控制算法进行论证具有重大意义。
现有技术对相关实验台的设计有广泛记载，例如：发明名称为“一种连续可调的车辆电控液压驱动实验台架系统”，公开号为CN108443267A的发明专利公开了一种连续可调的车辆电控液压驱动实验台架系统，系统包括依次并联连接主油路的蓄能器安全阀、单向阀、电磁溢流阀、电比例调速阀和电比例马达；单向阀的进油口连接变量柱塞泵，变量柱塞泵连接电机的输出轴；电比例马达与精密过滤器之间的主油路上设有电比例调速阀，电比例马达的进油口位于主油路位置处的前后分别设有流量传感器和压力传感器；电比例马达的输出轴连接惯性飞轮，惯性飞轮连接磁粉制动器，磁粉制动器连接扭矩转速传感器；本发明车辆电控液压驱动实验台架系统以变量柱塞泵作为动力元件，以磁粉制动器和惯性飞轮组合作为负载，对车辆液压驱动过程进行实验研究，用于分析不同压力、不同转速和不同负载条件下的液压驱动系统的能量转换率。该发明虽然在一定程度上设计并解决了实验台架用于分析不同转速、不同负载和不同压力条件下的液压驱动系统的能量转换率的问题，但其仍存在控制方法过于单一，并不能高效测试其他控制算法的问题。
发明名称为“液压机械无级变速器传动系统实验台架”，公开号为CN 209485684 U的实用新型专利公开了一种液压机械无级变速器传动系统实验台架，以弥补现在针对传动系统实验台架缺乏的问题。液压机械无级变速器传动系统实验台架包括由机械传动系统和实验测控系统，实验测控系统将数据采集卡采集的信息进行处理、分析由HMCVT工控上位机对机械传动系统中发动机、待测试的液压机械无级变速器、磁粉制动器进行调控。本实用新型能够通过分动器分别分析行走机构负载装置以及工作负载装置所需的转矩转速对液压机械无级变速器进行试验，对液压机械无级变速器的设计，动态特性以及性能试验具有重要意义，该实验台架在一定程度上弥补了液压机械实验台架缺乏的问题，但其采用发动机踏板控制发动机油门开度，进而对发动机转速做出相应控制，该实验方法较为粗糙，不能很好的对发动机输出进行精细控制，进而影响实验效果；除此之外，该实验台架的控制实时性较差，需要将全部采集到的信息通过数据采集卡，上传到HMCVT工控上位机处理后，下发参数到HMCVT下位机进行执行的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种算法实验台架及实验方法，通过该实验台架及实验方法，使得使用者可根据不同的算法，快捷高效的测试各类算法的实际效果，进而极大程度地提升了不同算法的测试效率，并保存具有时间戳信息的收发数据，便于后期进行数据分析。
本发明还提供了一种静液压传动装置算法论证实验台架，其包括静液压传动装置、静液压传动排量控制装置、电动机转速控制装置、负载制动力矩调节与转速转矩测量装置、数据通讯中转及运行监控装置、上位机算法验证模块，其特征在于：
静液压传动装置作为实验台架的传动部件，用于配合完成各类算法的论证；
静液压传动排量控制装置用于对静液压传动装置的排量、转速进行控制；
电动机转速控制装置用于调节静液压传动装置的排量上限，及对电机转速进行闭环控制；
负载制动力矩调节与转速转矩测量装置用于对静液压传动装置的负载大小进行调节，同时测量静液压传动装置动力输出轴的转速转矩数据；
数据通讯中转及运行监控装置用于对算法论证实验台架的执行器进行监控与数据分发，对传感器进行数据采集、分析及上传，对算法论证实验台架的安全运行提供保障；
上位机算法验证模块用于提供人机交互界面，同时对算法论证实验台架上传的数据进行计算处理、数据存储，并将处理后的数据下发到算法论证实验台架执行。
进一步地，所述执行器部分具体包括电动机、步进电机、继电器、散热器、磁粉制动器。
所述传感器具体包括：第一绝对值编码器、第一增量式编码器、转速转矩传感器、电流互感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器。
进一步地，静液压传动装置包括液压油过滤器，静液压传动装置动力输出轴，静液压传动装置排量控制轴，静液压传动装置动力输入轴，液压油流入口，液压油流出口，其中，静液压传动装置排量控制轴通过控制静液压传动装置内部斜盘倾角，进而控制液压油的排量，流量变大后，静液压传动装置动力输出轴的转速提高。
进一步地，静液压传动装置排量控制装置包括第二节点控制器、第一直流开关电源、步进电机驱动器、联轴器、步进电机、第一绝对值编码器，同步轮，同步带，其中，第二节点控制器内写有实时控制算法，其在收到目标转动角度后，通过输出对应脉冲数控制步进电机驱动器，进而驱动步进电机转动，利用联轴器对静液压传动装置排量控制轴进行传动，同步轮配合同步带将步进电机输出轴的转角同步传动给第一绝对值编码器，以用于对实际转动角度进行检测，并回传数据到第二节点控制器，进行闭环控制，其中第一直流开关电源对步进电机、步进电机驱动器供电。
进一步地，电动机转速控制装置包括电动机变频器、第二增量式编码器、同步轮、同步带、第二节点控制器，当第二节点控制器收到转速指令后，先根据内部“频率\转速”转换函数，控制电动机变频器驱动电动机按设定频率运行，为确保转速的精准，同步轮配合同步带将电动机输出轴的转速同步传动给第二增量式编码器，以此测量电动机的实际转速，并回传数据到第二节点控制器，以对电动机实现更高精度的闭环转速控制。
进一步地，负载制动力矩调节与转速转矩测量装置包括磁粉制动器控制器、转速转矩传感器、磁粉制动器、第二直流开关电源、第三节点控制器、凸缘联轴器；当第三节点控制器收到的制动力矩数据后，控制磁粉制动器控制器产生对应电流，进而对磁粉制动器的制动力矩进行控制，转速转矩传感器通过凸缘联轴器与静液压传动装置动力输出轴进行连接，并通过RS总线回传采集到的转速转矩数据到第三节点控制器，第三节点控制器收到后，通过CAN总线将数据回传到第四节点控制器，后进行数据封包，通过无线串口模块，将数据包发送到与电脑相连接的无线串口转USB模块，电脑收到数据后，将数据传入上位机算法验证模块进行处理。
进一步地，数据通讯中转及运行监控装置包括第四节点控制器、第五节点控制器、当第四节点控制器收到上位机下发的数据包后，将按内置的协议对数据进行解码和校验，并通过CAN总线分发到第一点控制器、第二节点控制器、第三节点控制器中，对应的节点控制器在接收到数据后，执行相应指令；第五节点控制器将一直采样第四节点控制器以一定频率输出的脉冲信号，以此来监测第四节点控制器是否正常运行，如第四节点控制器出现错误，第五节点控制器将替换其工作，保证系统稳定性。
进一步地，上位机算法验证模块具有数据编码器、数据解码器、数据存储器、人机交互界面、算法数据接口，使用Matlab GUI实现该模块的人机交互功能，其中人机交互界面包含绘图部分、数据\状态显示和交互按钮三个部分，其中绘图部分用于将具有时间戳的期望值、实际采样值进行显示；数据存储器将具有时间戳的期望值、实际采样值的数据存入excel文件中。算法数据接口部分使用Simulink调用各类控制算法，并验证各类算法的实际效果；数据解码部分使用内置协议对收到的数据包进行校验及解码；数据编码部分使用内置协议对将要下发的数据进行封包。
进一步地，当无线串口模块上传数据包后，电脑通过无线串口转USB模块接收数据包并传入上位机数据解码器，并根据数据协议对数据包进行解码，后将解码数据传入算法数据接口、人机交互界面显示的同时，对数据加上时间戳并存储在excel中。
进一步地，当数据经过用户设定的算法计算处理后，得到的数据将加上时间戳存入excel中、并在人机交互界面显示，同时传入数据编码器中，处理好的数据包通过无线串口转USB模块、下发给实验台架，经由数据通讯中转及运行监控装置进行处理。
本发明还提供了一种静液压传动装置算法论证实验台架的实验验证方法，其特征在于：
步骤1：当实验台架通电后，各控制器开始进行自检程序，如在自检过程中发现错误，则将相应错误代码返回上位机显示，并结束；
步骤2：当实验台架自检通过后，第四节点控制器将控制开启各个执行器与之对应的交流继电器，准备进行实验，后发送数据包至上位机算法验证模块中，在人机交互界面显示，并开始实验任务；
步骤3：上位机根据当前设定值或所选用的算法所产生的数据，按数据协议封包，并下发给实验台架执行；同时数据将加上时间戳，在绘图界面显示并存入excel文档中；
步骤4：当第四节点控制器收到数据包后，对数据包进行校验和解码，解码后的数据包含电动机转速、磁粉制动器制动力矩、静液压传动装置排量控制轴偏转角度数据及校验信息；
步骤5：将解码得到的数据通过CAN总线分发给第一节点控制器、第二节点控制器、第三节点控制器；
步骤6：在收到数据后，第一节点控制器、第二节点控制器、第三节点控制器根据节点内部所写的控制算法及第一绝对值编码器和第二增量式编码器反馈数据，对步进电机转动角度、电动机转速进行闭环控制，对磁粉制动器制动转矩进行开环控制，同时使用转速转矩传感器采样静液压传动装置动力输出轴的转速转矩数据，通过CAN总线返回采样数据到第一节点控制器中；
步骤7：第四节点控制器在实验台架运行的同时，还将使用包括电流互感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器在内的传感器对实验台架执行器的电流、油压、液压油流速、液压油温度数据进行采集分析，并将采集的数据与转速转矩数据按协议编码，上传到上位机中；
步骤8：上位机接收到数据后，首先使用数据解码器对数据包进行解码和校验，解码后的温度、流速、电流、压力、转速转矩数据分别送入人机交互界面进行显示，并对转速转矩加上时间戳，存入excel中；同时通过数据接口，送入所选控制算法进行处理，对算法处理结果进行分析。
进一步地，在实验台架运行过程中，当出现油温超出设定阈值时，将开启散热器，对液压油进行降温；当压力、流速、电流出现异常或上位机下发完成实验信号及紧急制动按钮被按下时，均将执行顺序停车程序，后上传错误信息到上位机。
本发明的有益效果，与现有技术相比：
(1)本实验台架采用DCS(Distributed Control System集散控制系统)的架构进行设计，DCS具有分散控制，集中管理，分级管理，配置灵活的优点。本实验台架在硬件层使用Can总线对各个节点控制器进行数据通讯，当节点控制器收到数据后使用内置的控制算法与相应的传感器对执行器进行独立控制，具有控制分散、操作和管理集中的特点，并采用多层分级、合作自治的结构形式。该架构在一定程度上保证了整个系统的易用性、稳定性、实时性与高效性。
(2)本实验台所设计的上位机软件，除人机交互界面等基础功能外，还为使用者提供了完整的数据交互接口，在此接口的基础上，可简单、高效的测试各类算法的实际效果，同时对交互的数据加以时间戳后进行保存，方便使用者进行数据分析，进而优化、对比各类测试的控制算法。
附图说明
图1是本发明所述的静液压传动装置实验台架示意图；
图2是静液压传动装置实验台架工作的流程图；
图3是本发明所述的静液压传动装置实验台架控制原理图；
图4是本发明所述的静液压传动装置实验台架工作流程图；
图5是PID控制算法原理图；
图6是模糊控制算法原理图；
图7是BP神经网络PID控制算法原理图；
图8是三类控制算法使用本系统所获得的实际测试效果图；
图9是本发明所述的实验台架运行状态监测子流程图；
其中：
1-电动机，2-步进电机驱动器，3-静液压传动装置，4-1-第一绝对值编码器，4-2-第二增量式编码器，5-电动机变频器，6-步进电机，7-磁粉制动器控制器，8-联轴器，9-散热器，10-磁粉制动器，11-转速转矩传感器，12-1-第一直流开关电源，12-2-第二直流开关电源，13-继电器，14-紧急制动按钮，15-1-第一节点控制器，15-2-第二节点控制器，15-3-第三节点控制器，15-4-第四节点控制器，15-5-第五节点控制器，16-无线串口模块，17-无线串口转USB模块，18-电脑，19-油箱，20-液压油过滤器，21-静液压传动装置动力输出轴，22-静液压传动装置排量控制轴，23-静液压传动装置动力输入轴，24-液压油流入口，25-液压油流出口。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细的阐述。
如图1-4所示，该实施例提供了一种静液压传动装置算法论证实验台架，其包括静液压传动装置3、静液压传动排量控制装置、电动机转速控制装置、负载制动力矩调节与转速转矩测量装置、数据通讯中转及运行监控装置、上位机算法验证模块等所组成。
静液压传动装置3作为实验台架的传动部件，用于静液压传动的各类控制算法论证；
静液压传动排量控制装置用于对静液压传动装置的排量、转速进行控制。
电动机转速控制装置用于调节静液压传动装置的排量上限，及对电机转速进行闭环控制。
负载制动力矩调节与转速转矩测量装置用于对静液压传动装置的负载大小进行调节，同时测量静液压传动装置动力输出轴的转速转矩数据。
数据通讯中转及运行监控装置用于对实验台架各个执行器部分进行监控与数据分发，对各个传感器进行数据采集上传，并对实验台架的安全运行提供保障。所述执行器部分具体包括，电动机1、步进电机6、继电器13、散热器9、磁粉制动器10；所述传感器具体包括：第一绝对值编码器4-1、第二增量式编码器4-2、转速转矩传感器11、电流互感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器。
上位机算法验证模块用于提供人机交互界面，同时对算法论证实验台架上传的数据进行计算处理、数据存储，并将处理后的数据下发到算法论证实验台架执行。
静液压传动装置3包括液压油过滤器20，静液压传动装置动力输出轴21，静液压传动装置排量控制轴22，静液压传动装置动力输入轴23，液压油流入口24，液压油流出口25，其中，静液压传动装置排量控制轴22通过控制静液压传动装置内部斜盘倾角，进而控制液压油的排量，流量变大后，静液压传动装置动力输出轴的转速提高。
液压油流入口24与散热器9的输出端通过油管相连接，油箱19输出端与散热器9的输入端通过油管相连接，液压油流出口25与油箱19输入端通过油管相连接，其中液压油过滤器20通过静液压传动装置内部油路实现对输入的液压油进行过滤。
电动机1的输出轴与静液压传动装置动力输入轴23通过凸缘联轴器连接，用于将电动机的动力传递到静液压传动装置，通过对静液压传动装置内部的变量柱塞泵进行驱动，进而驱动整个静液压传动装置运行；
转速转矩传感器11设置在静液压传动装置动力输出轴21与磁粉制动器10之间，转速转矩传感器11用于测量静液压传动装置输出的转速转矩，同时由磁粉制动器提供制不同大小的制动转矩，进行变量控制。
静液压传动装置排量控制装置包括第二节点控制器15-2、第一直流开关电源12-1、步进电机驱动器2、联轴器8、步进电机6、第一绝对值编码器4-1，同步轮，同步带，其中，第二节点控制器15-2内写有实时控制算法，其在收到目标转动角度后，通过输出对应脉冲数控制步进电机驱动器2，进而驱动步进电机6转动，利用联轴器8对静液压传动装置排量控制轴22进行传动，同步轮配合同步带将步进电机6输出轴的转角同步传动给第一绝对值编码器4-1，以用于对实际转动角度进行检测，并回传数据到第二节点控制器15-2，进行闭环控制，其中第一直流开关电源12-1对步进电机6、步进电机驱动器2供电。
电动机转速控制装置包括电动机变频器5、第二增量式编码器4-2、同步轮、同步带、第二节点控制器15-2，当第二节点控制器15-2收到转速指令后，先根据内部“频率\转速”转换函数，控制电动机变频器5驱动电动机1按设定频率运行，为确保转速的精准，同步轮配合同步带将电动机1输出轴的转速同步传动给第二增量式编码器4-2，以此测量电动机1的实际转速，并回传数据到第二节点控制器15-2，以对电动机实现更高精度的闭环转速控制。
负载制动力矩调节与转速转矩测量装置包括磁粉制动器控制器7、转速转矩传感器11、磁粉制动器10、第二直流开关电源12-2、第三节点控制器15-3、凸缘联轴器；当第三节点控制器15-3收到的制动力矩数据后，控制磁粉制动器控制器7产生对应电流，进而对磁粉制动器10的制动力矩进行控制，转速转矩传感器11通过凸缘联轴器与静液压传动装置动力输出轴21进行连接，并通过RS485总线回传采集到的转速转矩数据到第三节点控制器15-3，第三节点控制器15-3收到后，通过CAN总线将数据回传到第四节点控制器15-4，后进行数据封包，通过无线串口模块16，将数据包发送到与电脑18相连接的无线串口转USB模块17，电脑18收到数据后，将数据传入上位机算法验证模块进行处理。第二直流开关电源12-2为磁粉制动器10及磁粉制动器控制器7供电。
数据通讯中转及运行监控装置包括第四节点控制器15-4、第五节点控制器15-5、紧急制动按钮14、无线串口模块16、电流互感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、继电器13；当第四节点控制器15-4收到上位机下发的数据包后，将按内置的协议对数据进行解码和校验，并通过CAN总线分发到第一点控制器15-1、第二节点控制器15-2、第三节点控制器15-3中，对应的节点控制器在接收到数据后，执行相应指令。
除此之外，该部分还使用电流互感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、分别采集磁粉制动器10、步进电机驱动器2的供电电流；油箱内部油温、压力；液压油流速等，并根据采样得到的数据进行分析，如油温超过设定阈值时，开启散热器9对液压油进行降温；如采样电流超过设定阈值时，此时实验台架可能存在堵转、短路、开路的情况，第四节点控制器15-4控制对应继电器13断电，并按一定顺序停车，并上传对应错误信息到上位机。当在人为发现运行异常或需要紧急停车时，可按下紧急制动按钮14，第四节点控制器15-4收到到急停信号后，将按一定顺序停车，并上传信息到上位机中，以此确保实验人员及设备安全。
第五节点控制器15-5将一直采样第四节点控制器15-4以一定频率输出的脉冲信号，以此来监测第四节点控制器15-4是否正常运行，如第四节点控制器15-4出现错误，第五节点控制器15-5将替换其工作，保证系统稳定性。
上位机算法验证模块采用Matlab编写，具有数据编码器、数据解码器、数据存储器、人机交互界面、算法数据接口，使用Matlab GUI实现该模块的人机交互功能，其中人机交互界面包含绘图部分、数据\状态显示和交互按钮三个部分，其中绘图部分用于将具有时间戳的期望值、实际采样值进行显示；算法数据接口部分使用Simulink调用各类控制算法，并验证各类算法的实际效果；
当无线串口模块16上传数据包后，电脑通过无线串口转USB模块17接收数据包并传入上位机数据解码器，并根据数据协议对数据包进行解码，后将解码数据传入算法数据接口、人机交互界面显示的同时，对数据加上时间戳并存储在excel中。
当数据经过用户设定的算法处理后，计算后的数据将加上时间戳存入excel中、并在人机交互界面显示，并传入数据编码器中，处理好的数据包通过无线串口转USB模块17、下发给实验台架，经由数据通讯中转及运行监控装置进行处理。
该实施例还提供了一种静液压传动装置算法论证实验台架的实验验证方法，其包括：
步骤1：当实验台架通电后，各控制器开始进行自检程序，如在自检过程中发现错误，则将相应错误代码返回上位机显示，并结束；
步骤2：当实验台架自检通过后，第四节点控制器15-4将控制开启各个执行器与之对应的交流继电器，准备进行实验，后发送包含自检完成信息的数据包至上位机算法验证模块中，在人机交互界面显示，开始实验任务；
步骤3：上位机算法验证模块根据当前设定值或所选用的算法所产生的数据，按数据协议编码成数据包，并下发给实验台架执行；同时所产生的数据将加上时间戳，在绘图界面显示并存入excel文档中；
步骤4：当第四节点控制器15-4收到上位机算法验证模块所发送的数据包后，对数据包进行校验和解码，解码后的数据包含电动机1转速、磁粉制动器10制动力矩、静液压传动装置排量控制轴22偏转角度数据及校验信息；
步骤5：将解码得到的数据通过CAN总线分发给第一节点控制器15-1、第二节点控制器15-2、第三节点控制器15-3；
步骤6：在收到数据后，第一节点控制器15-1、第二节点控制器15-2、第三节点控制器15-3根据节点内部所写的控制算法及第一绝对值编码器4-1和第二增量式编码器4-2反馈数据，对步进电机6转动角度、电动机1转速进行闭环控制，对磁粉制动器10制动转矩进行开环控制，同时使用转速转矩传感器11采样静液压传动装置动力输出轴21的转速转矩数据，通过CAN总线返回采样数据到第一节点控制器15-1中；
步骤7：第四节点控制器15-4在实验台架运行的同时，还将使用包括电流互感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器在内的传感器对实验台架执行器的电流、油压、液压油流速、液压油温度等数据进行采集分析，并将该数据与转速转矩数据按协议编码，上传到上位机中；
步骤8：上位机接收到数据后，首先使用数据解码器对数据包进行解码和校验，解码后的温度、流速、电流、压力、转速转矩等数据分别送入人机交互界面进行显示，并对转速转矩加上时间戳，存入excel中；同时通过数据接口，送入所选控制算法进行处理，对算法处理结果进行分析；
在实验台架运行过程中，当出现油温超出设定阈值时，将开启散热器9，对液压油进行降温；当压力、流速、电流出现异常或上位机下发完成实验信号及紧急制动按钮14被按下时，均将执行顺序停车程序，即先使磁粉制动器10制动力矩完全消失，控制静液压传动装置排量控制轴22转动到零位，此时静液压传动装置动力输出轴21的转速变为0，再使得电动机1开始减速直至完全停止，继电器13断电，后上传错误信息到上位机，实验结束。
重复步骤3至步骤8，可以对不同的算法进行验证。
例如：
下列实例使用BP神经网络算法、模糊自适应PID算法与传统PID算法对本实验台架进行测试。首先在上位机算法验证模块使用Simulink构建出相应的算法框架，如图5、图6、图7所示，再将此算法框架与上位机算法验证模块所提供的数据接口相连接，进行数据交互。采用三种控制方法计算得到，实验台架从空载启动至静液压传动装置动力输出轴21转速为1000r/min的变化过程中，其转速阶跃响应结果，从图8可以看出，三种控制方法均能使静液压传动装置动力输出轴21转速到达设定值：但其中传统PID控制算法所产生的超调量最大；而模糊自适应PID控制算法，相较传统PID算法，超调量有所降低；而BP神经网络PID控制算法在测试的三种算法中效果最好，相较本次测试的其他两种算法，BP神经网络PID控制算法的响应速度更快，稳定时间更短，可使静液压传动装置动力输出轴21的转速能较好地跟随系统所给定转速。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种静液压传动装置算法论证实验台架，其包括静液压传动装置、静液压传动排量控制装置、电动机转速控制装置、负载制动力矩调节与转速转矩测量装置、数据通讯中转及运行监控装置、上位机算法验证模块，其特征在于：
静液压传动装置作为实验台架的传动部件，用于配合完成各类算法的论证。
静液压传动排量控制装置用于对静液压传动装置的排量、转速进行控制；
电动机转速控制装置用于调节静液压传动装置的排量上限，及对电机转速进行闭环控制；
负载制动力矩调节与转速转矩测量装置用于对静液压传动装置的负载大小进行调节，同时测量静液压传动装置动力输出轴的转速转矩数据；
数据通讯中转及运行监控装置用于对算法论证实验台架的执行器进行监控与数据分发，对传感器进行数据采集、分析及上传，对算法论证实验台架的安全运行提供保障；
上位机算法验证模块用于提供人机交互界面，同时对算法论证实验台架上传的数据进行计算处理、数据存储，并将处理后的数据下发到算法论证实验台架执行。
2.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
所述执行器部分具体包括电动机(1)、步进电机(6)、继电器(13)、散热器(9)、磁粉制动器(10)；
所述传感器具体包括：第一绝对值编码器(4-1)、第二增量式编码器(4-2)、转速转矩传感器(11)、电流互感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器。
3.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
静液压传动装置(3)包括液压油过滤器(20)，静液压传动装置动力输出轴(21)，静液压传动装置排量控制轴(22)，静液压传动装置动力输入轴(23)，液压油流入口(24)，液压油流出口(25)，其中，静液压传动装置排量控制轴(22)通过控制静液压传动装置内部斜盘倾角，进而控制液压油的排量，流量变大后，静液压传动装置动力输出轴(21)的转速提高。
4.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
静液压传动装置排量控制装置包括第二节点控制器(15-2)、第一直流开关电源(12-1)、步进电机驱动器(2)、联轴器(8)、步进电机(6)、第一绝对值编码器(4-1)、同步轮、同步带，其中，第二节点控制器(15-2)内写有实时控制算法，其在收到目标转动角度后，通过输出对应脉冲数控制步进电机驱动器(2)，进而驱动步进电机(6)转动；利用联轴器联轴器(8)对静液压传动装置排量控制轴(22)进行传动，同步轮配合同步带将步进电机(6)输出轴的转角同步传动给第一绝对值编码器(4-1)，以用于对实际转动角度进行检测，并回传数据到第二节点控制器(15-2)，进行闭环控制，其中第一直流开关电源(12-1)对步进电机(6)、步进电机驱动器(2)供电。
5.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
电动机转速控制装置包括电动机变频器(5)、第二增量式编码器(4-2)、同步轮、同步带、第二节点控制器(15-2)，当第二节点控制器(15-2)收到转速指令后，先根据内部“频率\转速”转换函数，控制电动机变频器(5)驱动电动机(1)按设定频率运行，为确保转速的精准，同步轮配合同步带将电动机(1)输出轴的转速同步传动给第二增量式编码器(4-2)，以此测量电动机(1)的实际转速，并回传数据到第二节点控制器(15-2)，以对电动机实现更高精度的闭环转速控制。
6.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
负载制动力矩调节与转速转矩测量装置包括磁粉制动器控制器(7)、转速转矩传感器(11)、磁粉制动器(10)、第二直流开关电源(12-2)、第三节点控制器(15-3)、凸缘联轴器；当第三节点控制器(15-3)收到的制动力矩数据后，控制磁粉制动器控制器(7)产生对应电流，进而对磁粉制动器(10)的制动力矩进行控制，转速转矩传感器(11)通过凸缘联轴器与静液压传动装置动力输出轴(21)进行连接，并通过RS485总线回传采集到的转速转矩数据到第三节点控制器(15-3)，第三节点控制器(15-3)收到后，通过CAN总线将数据回传到第四节点控制器(15-4)，后进行数据封包，通过无线串口模块(16)，将数据包发送到与电脑(18)相连接的无线串口转USB模块(17)，电脑(18)收到数据后，将数据传入上位机算法验证模块进行处理。
7.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
数据通讯中转及运行监控装置包括第四节点控制器(15-4)、第五节点控制器(15-5)、当第四节点控制器(15-4)收到上位机下发的数据包后，将按内置的协议对数据进行解码和校验，并通过CAN总线分发到第一点控制器(15-1)、第二节点控制器(15-2)、第三节点控制器(15-3)中，对应的节点控制器在接收到数据后，执行相应指令；第五节点控制器(15-5)将一直采样第四节点控制器(15-4)以一定频率输出的脉冲信号，以此来监测第四节点控制器(15-4)是否正常运行，如第四节点控制器(15-4)出现错误，第五节点控制器(15-5)将替换其工作，保证系统稳定性。
8.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
上位机算法验证模块具有数据编码器、数据解码器、数据存储器、人机交互界面、算法数据接口，使用Matlab GUI实现该模块的人机交互功能，其中人机交互界面包含绘图部分、数据\状态显示和交互按钮三个部分，其中绘图部分用于将具有时间戳的期望值、实际采样值进行显示；数据存储器将具有时间戳的期望值、实际采样值的数据存入excel文件中；算法数据接口部分使用Simulink调用各类控制算法，并验证各类算法的实际效果；数据解码部分使用内置协议对收到的数据包进行校验及解码；数据编码部分使用内置协议对将要下发的数据进行封包。
9.根据权利要求6所述的静液压传动装置算法论证实验台架，其特征在于:
当无线串口模块(16)上传数据包后，电脑通过无线串口转USB模块(17)接收数据包并传入上位机数据解码器，并根据数据协议对数据包进行解码，后将解码数据传入算法数据接口、人机交互界面显示的同时，对数据加上时间戳并存储在excel中。
10.一种静液压传动装置算法论证实验台架的实验验证方法，其特征在于：
步骤1：当实验台架通电后，各控制器开始进行自检程序，如在自检过程中发现错误，则将相应错误代码返回上位机显示，并结束；
步骤2：当实验台架自检通过后，第四节点控制器(15-4)将控制开启各个执行器与之对应的交流继电器，准备进行实验，后发送数据包至上位机算法验证模块中，在人机交互界面显示，并开始实验任务；
步骤3：上位机根据当前设定值或所选用的算法所产生的数据，按数据协议封包，并下发给实验台架执行；同时数据将加上时间戳，在绘图界面显示并存入excel文档中；
步骤4：当第四节点控制器(15-4)收到数据包后，对数据包进行校验和解码，解码后的数据包含电动机(1)转速、磁粉制动器(10)制动力矩、静液压传动装置排量控制轴(22)偏转角度数据及校验信息；
步骤5：将解码得到的数据通过CAN总线分发给第一节点控制器(15-1)、第二节点控制器(15-2)、第三节点控制器(15-3)；
步骤6：在收到数据后，第一节点控制器(15-1)、第二节点控制器(15-2)、第三节点控制器(15-3)根据节点内部所写的控制算法及第一绝对值编码器(4-1)和第二增量式编码器(4-2)反馈数据，对步进电机(6)转动角度、电动机(1)转速进行闭环控制，对磁粉制动器(10)制动转矩进行开环控制，同时使用转速转矩传感器(11)采样静液压传动装置动力输出轴(21)的转速转矩数据，通过CAN总线返回采样数据到第一节点控制器(15-1)中；
步骤7：第四节点控制器(15-4)在实验台架运行的同时，还将使用包括电流互感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器在内的传感器对实验台架执行器的电流、油压、液压油流速、液压油温度数据进行采集分析，并将采集的数据与转速转矩数据按协议编码，上传到上位机中；
步骤8：上位机接收到数据后，首先使用数据解码器对数据包进行解码和校验，解码后的温度、流速、电流、压力、转速转矩数据分别送入人机交互界面进行显示，并对转速转矩加上时间戳，存入excel中；同时通过数据接口，送入所选控制算法进行处理，对算法处理结果进行分析。
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