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关于万能拉力试验机的三闭环控制系统

时间:2018-08-01 10:37:32 来源:

一. 万能拉伸机三闭环控制系统概述

闭环控制是自动控制理论的一个基本原理,在工业上有广泛的应用。万能试验机的闭环控制机制因涉及反馈检测到的信号,力、变形和位移,所以称为三闭环控制,是反映万能试验机的一项标志性功能。在一些试验标准,例如室温金属拉伸试验标准中,对试验过程有恒速加载或者定点保持的规范性要求,人工操作是很难保证做到的,这个时候需要计算机参与下的闭环控制。
三闭环控制是万能拉力试验机的一项综合技术
上图是闭环控制的原理示意图,虚线框是控制器,包括电路(测量电路和功率输出电路)和软件(控制算法),整个闭环系统还包括试验机的加载驱动机构,例如电子万能的伺服电机或者液压万能的伺服阀及油缸,和传感器,例如力传感器、电子引伸计、位移编码器等,甚至还要包括被测的试件负载。控制性能的好坏不仅仅与控制器设计有关,也与试验机的所有部件技术性能有关,所以说是一项综合技术。所谓的三闭环,每一种闭环除了传感器不同,其他都是相同的结构。
二. 如何看待万能拉伸机三闭环控制系统中控制器的设计
控制器的电路设计比较平凡,重点主要是控制软件的开发:
    (1)不要迷信各种名称的控制算法。控制理论到今天已经发展出很多类型的控制算法,有经典控制,有现代控制,例如PID控制、模糊控制、自适应控制、智能控制、变结构控制、神经元控制等等,但是理论都是有前提的,就是被控系统可以建模,根据某个模型方程推导得到几个简单的解(注意,很多理论不可能得到全部解)。现实的系统与理论的系统是不同的,顶多是近似,所以实际控制效果要打折扣。试验机系统,例如液压式试验机,专业上讲就是一个多变量非线性时变系统,白话就是说这个系统时时刻刻都处于复杂的变化中,做到模型近似都不容易。工业上用的控制器首要目标是稳定,然后再考虑性能,因此在实践上尽可能简单可靠。
    (2)拍脑袋算法。设计控制算法既需要本科的控制理论基础,同时还需要电机传动或者液压传动的专业基础和工程实践。现阶段试验机用的控制算法,基本上还是PID算法,然后加以变化,例如冠上“微微分控制”、“神经元控制”之类的名称,实质上压根没有理论的支持,都是凭几年的调试经验感觉加上了一些经验参数,适用面比较狭窄。
    (3)没有万能的控制算法。不论哪种控制算法都是有针对性的,所谓的zui优控制只有在特定工况下才能实现。液压试验机的控制算法肯定是不可能适应电子万能试验机的,即使同一个试验机控制系统,例如在金属试验中表现好的控制算法,在塑料试验中很可能就过渡时间太长,需要调整参数。
    (4)控制范围和精度来自测量范围和精度。全程10000码的测量精度,控制速度的范围一般就是1~200码/秒,速度检定应该是经过短暂过渡后一段时间的平均速度,理论上反正是一个码的误差,平均时间越长,速度精度越高,可以简单估算。当然保压控制的精度直接就是测量精度。
    (5)控制频率没必要很高。试验机控制系统的频率响应瓶颈在于加载驱动机构,白话说就是惯量电机、油缸活塞反应非常慢,频率响应不会超过10Hz,所以当控制系统1秒钟控制10次,再快也没有多大的积极效果,一般20~50Hz足够。
    (6)试验机控制有其特殊的平稳调速要求。除非特殊要求,材料试验从启动到建立指定速度需要一个过渡,恒速加载到保持需要一个过渡,不同控制环的切换也要求输出连续。
    (7)不能忽视负载的影响。试验机系统的负载就是被试验的对象,由于试件材料的特殊性,在试验过程中试件的特殊变化可能影响这个系统的性能,甚至破坏系统的稳定性。常见的问题出现在力控制情况下。闭环控制采用的负反馈原理,正常情况下控制器输出正信号,通过执行机构作用到试件,应该得到试验力的增长(前向正相关,闭环才是负反馈)。如果出现金属的屈服、夹持机构的滑移、材料的异常松弛等,整个闭环就成为正反馈而导致系统失稳。不能指望任何一种控制算法能有效处理这种情况。
三. 合理使用万能拉力试验机三闭环的控制功能
由以上几条可以看出,要获得比较优的控制性能,在设计上,必须考虑整个系统的优化,而不仅仅是控制器的设计水平。当然好的控制器表现在一是适应范围广,二是参数尽量少。同时在使用中,控制器毕竟是一个工具,受客观规律的制约,不可能做到随心所欲。当操作者需要做闭环控制的时候,必须综合考虑各方面因素,合理使用工具:
    (1)保证系统的稳定性。考虑闭环控制中被控制量与加载驱动机构有正相关的关系,一般位移控制和变形控制不太出现稳定性问题,问题大都出在力控制上。如果加载过程中可能会出现力值下降,或者非受控的自然起伏,就避免用力控制。
    (2)设置适当的控制目标参数。虽然控制器给出一个可控制的范围,但是实际使用中还是不能任意设置。例如一,压缩试验,如果接触前的预紧速度过快,则过渡时间会特别长,甚至过渡到zui大载荷的一半还多。例如二,拉伸试验,如果中间需要切换速度,一般是换更快的速度。
    (3)会简单的调试。由于负载刚度影响到整个系统的刚度,为了获得较好的性能,操作者经常要改变控制器的比例系数。一般原则是硬(刚度大)的试件用较小的比例,软试件用较大的比例系数。
四.  万能拉伸机三闭环控制系统与金属拉伸
没有一种材料试验像金属拉伸这样典型地考验控制器的三闭环功能。实际上厂家做的三闭环样机试验都是金属拉伸。具体该如何做,有另文探讨,厂家宣传的三闭环更多的指金属拉伸中如何平稳切换的问题,实质上是一种对付金属屈服现象的技巧,跟闭环原理没有关系,跟直接的说,根本就是一种具有先验知识的开环程序技巧。
    在金属拉伸试验过程中,有三个阶段需要三种闭环,作为纯粹的闭环控制,需要调整的范围不是很宽,甚至说,是比较容易实现的。更何况厂家完全可以针对性地优化,例如有典型上下屈服现象的低碳钢,然后演示一段完美的曲线。

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