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關于萬能拉力試驗機的三閉環控制系統

时间:2018-08-01 10:37:32 来源:

一. 万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號,力、變形和位移,所以稱爲三閉環控制,是反映萬能試驗機的一項標志性功能。在一些試驗標准,例如室溫金屬拉伸試驗標准中,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. 如何看待万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適應範圍廣,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,不可能做到隨心所欲。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,有另文探討,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。