基于全閉環四軸同步的變比例荷載/位移雙向拉伸試驗機控制系統開發

鄭雨婷，錢 波，管延智，王海波

ZHENG Yu-ting1,QIAN Bo1,GUAN Yan-zhi2,WANG Hai-bo1

(1. 北方工業大學 機電工程學院，北京 100144；2. 內蒙古工業大學 理學院，呼和浩特 100051)

0 引言

近年來，大量的學者研究開發了針對材料在復雜加載路徑下的力學特性下的控制系統，如Ferron[1]，Makinde[2]，萬敏[3～5]等人開展了十字形雙向拉伸控制系統的研究，但是上述研究大部分均是基于液壓控制系統，由于液壓控制系統影響因素較多，對于描述材料的力學特性而言可能測量精度無法得到保證。為了提高材料在雙向拉伸狀態下的測量精度，本文開發了基于全閉環四軸同步的變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機的控制系統，通過控制不同方向的伺服電機的運動，從而實現了變比例載荷/位移下的位移控制和載荷控制，大大提高其控制精度，進一步完善了變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機的試驗性能。

1 系統總體方案設計

1.1 控制平臺

如圖1所示為變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機，該試驗機為北方工業大學自主研制，可沿四個方向拉伸，通過控制四個方向上四個伺服電機的運動，實現四軸同步的變比例載荷/位移雙向拉伸控制。

圖1 變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機

1.2 控制系統總體方案設計

圖2 控制系統總體方案設計

如圖2所示為雙向拉伸試驗機控制系統總體方案，其中：下位機采用SIMOTION D425運動控制器，實現X方向兩個伺服電機以及Y方向兩個伺服電機的運動控制；上位機采用工控機，基于VC++（MFC）編程，實現人機交互。

在變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機上設有壓力傳感器、位移傳感器以及引伸計。試驗機運行后，壓力傳感器實時檢測試件受力情況，并將檢測到的模擬信號經過A/D轉換變成數字信號反饋到SIMOTON控制器中；位移傳感器實時檢測試件的拉伸位移，經過數據采集模塊將采集到的數據反饋到SIMOTION控制器中；引伸計實時檢測試件應變情況，通過信號調理模塊將信號放大，經過A/D轉換將模擬信號轉成數字信號反饋到SIMOTION控制器中。

2 全閉環控制結構設計

如圖3所示為全閉環結構伺服系統方案。其中，內環反饋通過伺服電機上的編碼器反饋信號反饋到驅動器，而外環反饋（包括位置反饋，力反饋以及應變反饋）通過外部傳感器采集信號并反饋到控制器。具體而言，位置反饋是由光柵尺采集拉伸臺位移信號，經過數據采集模塊反饋到控制器；力反饋是由壓力傳感器采集拉力信息，經過A/D轉換反饋到控制器；應變反饋是由引伸計采集應變信息，經過信號放大以及A/D轉換反饋到控制器。

控制器將采集到的數據發送給上位機，上位機控制系統通過分析數據然后決策進行速度控制。

圖3 基于全閉環的伺服系統結構圖

3 軟件設計

本控制系統軟件設計包括兩大部分：上位機控制系統軟件設計和下位機控制系統軟件設計。

3.1 上位機控制系統軟件設計

3.1.1 上位機控制系統軟件設計

如圖4為上位機軟件結構圖，圖5為上位機用戶界面，上位機控制系統軟件設計是基于MFC開發，可以實現以下功能：四個伺服電機的運動控制（包括點動控制、四軸同步變比例位移控制、變比例載荷控制），整線啟停控制，實時繪制實驗曲線，信息反饋顯示，系統參數設置以及保存實驗數據等。

圖4 上位機軟件結構

圖5 上位機用戶界面

3.1.2 上位機控制系統軟件控制算法

如圖6所示四軸示意圖，分別為X1軸向、X2軸向、Y1軸向以及Y2軸向。

圖6 四軸示意圖

3.1.2.1 位移控制

X1向、X2向、Y1向、Y2向的位移控制實際上可轉換為X1向、X2向、Y1向、Y2向的速度控制，具體實施方法即X1向、X2向速度恒定，Y1向、Y2向速度和X1向、X2向速度成比例。其原理如下：

已知式(1)、(2)：

上式(1)-(4)中：

Sx1為X1方向上的位移，Sx2為X2方向上的位移；

Sy1為Y1方向上的位移，Sy2為Y2方向上的位移；

vx1為X1方向上的位移，vx2為X2方向上的位移；

vy1為X1方向上的位移，vy2為X2方向上的位移；

r表示比例，其大小在0-1之間。

從式(1)、(2)可知sx1、sx2、sy1、sy2可由vx1、vx2、vy1、vy2來表示，由式(3)、(4)可知，對sx1、sx2、sy1、sy2的控制可轉化為對vx1、vx2、vy1、vy2的控制，若使sx1、sx2分別和sy1、sy2成一定比例，即控制vx1、vx2分別和vy1、vy2成一定比例。

3.1.2.2 變比例載荷控制

變比例載荷控制原理如下：X1向、X2向以恒定的速度拉伸，拉伸過程中實時反饋X1向、X2向拉力，Y1向、Y2向以實時變化的速度進行拉伸，并實時反饋Y1向、Y2向拉力，在此過程中，程序實時判斷Y1向、Y2向拉力分別與X1向、X2向拉力差，根據拉力差實時增大或減小Y1向、Y2向速度，從而實現增大或減小Y1向、Y2向拉力，使其按給定比例控制。其控制算法如下：

設十字試件X1向、X2向的拉力分別為Fx1、Fx2，Y1向、Y2向的拉力分別為Fy1，Fy2；

設X1向、X2向的線速度分別為vx1、vx2，Y1向、Y2向的線速度分別為vy1，vy2。

1）設定初始速度值滿足下式：

其中，r表示比例系數，大小為0-1之間。

2）定義F為下式：

3）判斷標準：

若F<0,即需要增加Y1向以及Y2向的拉力，控制該軸的速度應加快，即采用下式：

若F<0,則需要減小Y1向以及Y2向的拉力，控制該軸的速度應減慢，即采用下式：

4）采集力傳感器數據Fx1,Fx2,Fy1,Fy2；光柵尺數據 sx1,sx2,sy1,sy2；引伸計數據 lx1,lx2,ly1,ly2，實時繪制實驗曲線。判斷若sx1＞5,sx2＞5且vx1＜100,vx2＜100，說明材料已被拉斷，則結束實驗，轉到5），否則轉到2）循環執行。

5）保存實驗數據。

3.2 下位機控制系統軟件設計

如圖7所示為下位機軟件結構，下位機控制系統軟件設計是基于西門子STEP 7，應用SIMOTION SCOUT軟件，采用ST語言開發，完成指令解析與執行，驅動電機運動，反饋傳感器數據等。上位機控制系統與下位機控制系統按照自定義通訊協議，通過TCP網絡進行通訊。

4 實驗驗證

本文試驗所用試件為十字件，材料為Q235，尺寸為40cm×40cm×6cm。

4.1 位移控制實驗驗證

本文試驗所用試件為十字件，材料為Q235，尺寸為40cm×40cm× 6cm。

控制標準為：sy1/sx1= sy2/sx2= 0.5。

表2給出了三個時間點，200s，310s，419s下的位移比例，其相對誤差在5%之內，與控制標準基本一致。圖9給出了四條曲線分別為X1向、X2向、Y1向以及Y2向的時間-位移曲線，結果表明X1向與X2向曲線基本重合，Y1向與Y2向基本重合，且Y向與X向的位移比接近0.5。試驗結果表明本控制系統在變比例位移控制下基本滿足要求。

表1 變比例位移測量結果比較

圖7 下位機軟件結構

圖8 試件示意圖

圖9 時間-位移曲線

4.2 載荷控制實驗驗證

控制標準為：Fy1/Fx1= Fy2/Fx2= 0.75。

表2給出了三個時間點，179s，268s，353s下的荷載控制比例，其相對誤差在5%之內，與控制標準基本一致。圖10給出了四條曲線分別為X1向、X2向、Y1向以及Y2向的時間-載荷曲線，結果表明X1向與X2向曲線基本重合，Y1向與Y2向基本重合，且Y向與X向的載荷比接近0.75。試驗結果表明本控制系統在變比例荷載控制下基本滿足要求。

時間點 Fy1/Fx1相對誤差 Fy2/Fx2相對誤差t1 0.745 -0.37% 0.754 0.5%t2 0.744 -0.75% 0.755 0.67%t3 0.747 -0.37% 0.756 0.74%

圖10 時間-荷載曲線

5 結論

1）本文開發了基于全閉環四軸同步的變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機控制系統，實現了四軸同步變比例載荷/位移條件下雙向拉伸的位置控制、載荷控制。

2）本文論述控制系統開發時，主要從系統總體設計，全閉環控制結構設計，軟件設計三大部分進行了闡述。

3）在軟件設計中重點論述了本文采用的試驗的控制算法，包括變比例位移控制及變比例荷載控制的算法。

4）試驗表明，本文給出的控制系統對于雙向拉伸試驗機可以較好的實現變比例位移控制及變比例荷載控制，對于完善相關的力學試驗具有重要意義。

[1] Ferron G,Makinde A.Design and Development of a Biaxial Strength Testing Device[J].J.Testing Eval.,1998,16: 253-256.

[2] Makinde A ,Thibodeau L,Neale K W. Development of an Apparatus for Biaxial Testing Using Cruciform Specimens.[J]. Experimental Mechanics,1992,32:138-144.

[3] 萬敏,洪強,吳向東,等.十字形試件雙向拉伸試驗系統的建立及加載精度分析[J].機械工程學報,2001,37(1):57-62.

[4] 吳向東,萬敏,周賢賓.BH220 鋼板屈服軌跡的雙向拉伸實驗研究[J].塑性工程學報,2004,11(1):39-42.

[5] 呂曉東,吳向東,萬敏,周賢賓.十字形試件雙向拉伸試驗系統的PID控制[J].中國機械工程,2003,14(8):631-635.

[6] 孫鑫.VC++深入詳解[M].電子工業出版社.2006.

[7] 董景新,趙長德,郭美鳳,陳志勇,李冬梅.控制工程基礎(第3版)[M].北京:清華大學出版社,2009.