JPL電子萬能試驗機采用伺服電機及伺服調整系統, 先進的芯片集成技術和專業設計的數據采集放大和過程控制系統。本機適用于各種金屬與非金屬材料的各項力學性能指標的測試。控制軟件能實現自動求取彈性模量、屈服強度、抗拉強度、斷裂強度、試樣延伸率、斷面收縮率等常規數據,能自動計算試驗過程中任一定點的力、應力、位移等數據結果。計算機控制系統對試驗過程的控制和數據處理符合相應金屬材料與非金屬材料國家標準的要求。 微機試驗機廣泛應用于橡膠、塑料、皮革、電線電纜、織物、纖維、紙類、薄膜、簾線、帆布、無紡布、鋼絲等金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切撕裂、剝離、粘合力等試驗。技術先進,自動化程度高。
一、電子萬能試驗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,所以稱為三閉環控制,是反映萬能試驗機的一項標志性功能。在一些試驗標準,例如 室溫金屬拉伸試驗標準中,對試驗過程有恒速加載或者定點保持的規范性要求,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。
三閉環控制是電子萬能試驗機的一項綜合技術
二. 如何看待電子萬能試驗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、自適應控制、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復雜的變化中,做到模型近似都不容易。工業上用的控制器首要目標是穩定,然后再考慮性能,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,然后加以變化,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,適用面比較狹窄。
(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,所謂的最優控制只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適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)控制范圍和精度來自測量范圍和精度。全程10000碼的測量精度,控制速度的范圍一般就是1~200碼/秒,速度檢定應該是經過短暫過渡后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號,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致系統失穩。不能指望任何一種控制算法能有效處理這種情況。
三. 合理使用電子萬能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適應范圍廣,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)設置適當的控制目標參數。雖然控制器給出一個可控制的范圍,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,則過渡時間會特別長,甚至過渡到最大載荷的一半還多。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。