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關于萬能拉力試驗機的三閉環控制系統

時間:2018-08-01 10:37:32 來源:

一. 萬能拉伸機三閉環控制系統概述

閉環控制是自動控制理論的一個基本原理,在工業上有廣泛的應用。萬能試驗機的閉環控制機制因涉及反饋檢測到的信号,力、變形和位移,所以稱為三閉環控制,是反映萬能試驗機的一項标志性功能。在一些試驗标準,例如室溫金屬拉伸試驗标準中,對試驗過程有恒速加載或者定點保持的規範性要求,人工操作是很難保證做到的,這個時候需要計算機參與下的閉環控制。
三閉環控制是萬能拉力試驗機的一項綜合技術
上圖是閉環控制的原理示意圖,虛線框是控制器,包括電路(測量電路和功率輸出電路)和軟件(控制算法),整個閉環系統還包括試驗機的加載驅動機構,例如電子萬能的伺服電機或者液壓萬能的伺服閥及油缸,和傳感器,例如力傳感器、電子引伸計、位移編碼器等,甚至還要包括被測的試件負載。控制性能的好壞不僅僅與控制器設計有關,也與試驗機的所有部件技術性能有關,所以說是一項綜合技術。所謂的三閉環,每一種閉環除了傳感器不同,其他都是相同的結構。
二. 如何看待萬能拉伸機三閉環控制系統中控制器的設計
控制器的電路設計比較平凡,重點主要是控制軟件的開發:
    (1)不要迷信各種名稱的控制算法。控制理論到今天已經發展出很多類型的控制算法,有經典控制,有現代控制,例如PID控制、模糊控制、自适應控制、智能控制、變結構控制、神經元控制等等,但是理論都是有前提的,就是被控系統可以建模,根據某個模型方程推導得到幾個簡單的解(注意,很多理論不可能得到全部解)。現實的系統與理論的系統是不同的,頂多是近似,所以實際控制效果要打折扣。試驗機系統,例如液壓式試驗機,專業上講就是一個多變量非線性時變系統,白話就是說這個系統時時刻刻都處于複雜的變化中,做到模型近似都不容易。工業上用的控制器首要目标是穩定,然後再考慮性能,因此在實踐上盡可能簡單可靠。
    (2)拍腦袋算法。設計控制算法既需要本科的控制理論基礎,同時還需要電機傳動或者液壓傳動的專業基礎和工程實踐。現階段試驗機用的控制算法,基本上還是PID算法,然後加以變化,例如冠上“微微分控制”、“神經元控制”之類的名稱,實質上壓根沒有理論的支持,都是憑幾年的調試經驗感覺加上了一些經驗參數,适用面比較狹窄。
    (3)沒有萬能的控制算法。不論哪種控制算法都是有針對性的,所謂的zui優控制隻有在特定工況下才能實現。液壓試驗機的控制算法肯定是不可能适應電子萬能試驗機的,即使同一個試驗機控制系統,例如在金屬試驗中表現好的控制算法,在塑料試驗中很可能就過渡時間太長,需要調整參數。
    (4)控制範圍和精度來自測量範圍和精度。全程10000碼的測量精度,控制速度的範圍一般就是1~200碼/秒,速度檢定應該是經過短暫過渡後一段時間的平均速度,理論上反正是一個碼的誤差,平均時間越長,速度精度越高,可以簡單估算。當然保壓控制的精度直接就是測量精度。
    (5)控制頻率沒必要很高。試驗機控制系統的頻率響應瓶頸在于加載驅動機構,白話說就是慣量電機、油缸活塞反應非常慢,頻率響應不會超過10Hz,所以當控制系統1秒鐘控制10次,再快也沒有多大的積極效果,一般20~50Hz足夠。
    (6)試驗機控制有其特殊的平穩調速要求。除非特殊要求,材料試驗從啟動到建立指定速度需要一個過渡,恒速加載到保持需要一個過渡,不同控制環的切換也要求輸出連續。
    (7)不能忽視負載的影響。試驗機系統的負載就是被試驗的對象,由于試件材料的特殊性,在試驗過程中試件的特殊變化可能影響這個系統的性能,甚至破壞系統的穩定性。常見的問題出現在力控制情況下。閉環控制采用的負反饋原理,正常情況下控制器輸出正信号,通過執行機構作用到試件,應該得到試驗力的增長(前向正相關,閉環才是負反饋)。如果出現金屬的屈服、夾持機構的滑移、材料的異常松弛等,整個閉環就成為正反饋而導緻系統失穩。不能指望任何一種控制算法能有效處理這種情況。
三. 合理使用萬能拉力試驗機三閉環的控制功能
由以上幾條可以看出,要獲得比較優的控制性能,在設計上,必須考慮整個系統的優化,而不僅僅是控制器的設計水平。當然好的控制器表現在一是适應範圍廣,二是參數盡量少。同時在使用中,控制器畢竟是一個工具,受客觀規律的制約,不可能做到随心所欲。當操作者需要做閉環控制的時候,必須綜合考慮各方面因素,合理使用工具:
    (1)保證系統的穩定性。考慮閉環控制中被控制量與加載驅動機構有正相關的關系,一般位移控制和變形控制不太出現穩定性問題,問題大都出在力控制上。如果加載過程中可能會出現力值下降,或者非受控的自然起伏,就避免用力控制。
    (2)設置适當的控制目标參數。雖然控制器給出一個可控制的範圍,但是實際使用中還是不能任意設置。例如一,壓縮試驗,如果接觸前的預緊速度過快,則過渡時間會特别長,甚至過渡到zui大載荷的一半還多。例如二,拉伸試驗,如果中間需要切換速度,一般是換更快的速度。
    (3)會簡單的調試。由于負載剛度影響到整個系統的剛度,為了獲得較好的性能,操作者經常要改變控制器的比例系數。一般原則是硬(剛度大)的試件用較小的比例,軟試件用較大的比例系數。
四.  萬能拉伸機三閉環控制系統與金屬拉伸
沒有一種材料試驗像金屬拉伸這樣典型地考驗控制器的三閉環功能。實際上廠家做的三閉環樣機試驗都是金屬拉伸。具體該如何做,有另文探讨,廠家宣傳的三閉環更多的指金屬拉伸中如何平穩切換的問題,實質上是一種對付金屬屈服現象的技巧,跟閉環原理沒有關系,跟直接的說,根本就是一種具有先驗知識的開環程序技巧。
    在金屬拉伸試驗過程中,有三個階段需要三種閉環,作為純粹的閉環控制,需要調整的範圍不是很寬,甚至說,是比較容易實現的。更何況廠家完全可以針對性地優化,例如有典型上下屈服現象的低碳鋼,然後演示一段完美的曲線。

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