疲勞試驗機控制器研究

霍原洪 王旭東

（1：中冶建筑研究總院有限公司 北京 1000882：濟南東測試驗機技術有限公司 山東濟南 250000）

1 引言

當前，國外試驗機行業知名的幾大公司，如美國的MTS、英國的Instron、德國的Shenck、日本的鷺宮、島津以及瑞士的W＋B等，均已推出其代表性的數字控制疲勞試驗系統，完成了模控技術向數控技術的轉化。這些公司在原有模控技術成熟經驗的基礎上，充分利用了數字控制系統抗干擾能力強、性能價格比大、人工智能控制策略易軟件實現等特點，推出的控制系統實現了儀器虛擬、人工智能、組態模塊以及網絡連接等功能，為國際疲勞技術的研究與發展做出了貢獻。國內電液伺服疲勞試驗機的起步較晚，技術貯備與綜合研究水平遠遠落后。因此充分利用當代計算機技術，尤其是計算機控制技術的研究成果，研究制造數字控制疲勞試驗設備，符合國際試驗機研究發展方向。

本文開發研制了實用性良好的多功能計算機伺服控制器。并針對疲勞試驗機的特殊要求，對控制器的方案選擇、控制策略及相應的實現原理進行了重點描述。

2 系統說明

本研究在一臺10kN電液伺服彈簧試驗機的研制過程中完成。試驗機的的結構原理如圖1所示。被試件為桑塔納轎車前懸掛彈簧。測量反饋部分有試驗力、位移兩個回路，分別由橋式應變片輪幅負荷傳感器、LVDT位移傳感器及相應的信號放大器組成。計算機控制系統由研華586工控機、PCL812AD／DA、I／O卡板等組成。它需要完成的功能包括：信號發生、數據采集與處理、實時控制、試驗結果顯示、示波、試驗在線指導以及對整機實行過載、斷裂保護等。

系統的核心是電液伺服閉環控制回路，工作原理如下：傳感器及相應的放大器將測得的模擬試驗力（或位移）信號經A／D轉換送入計算機，與給定信號比較，微機根據偏差信號，經過PID運算后送給D／A、伺服放大器，從而使伺服閥控制作動器活塞動作，以完成對試件彈簧的加載。給定信號有正弦波、三角波、方波、隨機波及用戶定義波等多種形式供選擇。

分析圖2可以看出，本系統屬于負載力控制系統［2］。其力控制回路與位移控制回路具有相同的開環傳遞函數形式。即：

式中，K—系統開環增益；

ωr—機械彈簧引起的轉折頻率；

ωsv—伺服閥轉折頻率；

ωh—液壓諧振頻率；

δh—液壓阻尼系數；

S—作動器面積

圖1 電液伺服疲勞試驗機結構原理

該試驗機的設計制造滿足桑塔納前懸掛彈簧要求的試驗規范：以彈簧自由高為基準，壓縮200mm后，再以±73mm的行程，以5Hz的頻率進行疲勞試驗。屬大行程低頻試驗系統。理論估算上式各參數值并與實驗辨識交叉引證，得出在低頻段對系統性能起主導作用的是一對慣性環節的結論。理論分析可以證明，PID控制用于具有兩個慣性環節的反饋時，是一種理想調節器，它可以在保持原傳遞滯后的情況下，達到輸出無偏差［3］。因此，PID控制應用于本系統，方案可行性極好。這就為控制算法的選擇提供了理論準備。

3 控制器設計

3.1 PID控制算法

PID控制算法是數字控制器的核心，本研究設計的PID控制算法如下：

式中：α—微調因子；

n—采集序號；

Kp—比例因子；

Ki—積分系數；

Kd—微分系數

式中Ud（n）為微分增量，U（n）為PID輸出量，調試中通過不斷調整α、Kp、Ki、Kd四個參數，即可使系統獲得滿意的性能。

3.2 工控軟件

工控軟件采用模塊化組態結構，用C＋＋Builder語言編寫。工作平臺采用Windows98。主要模塊包括系統定義、試驗譜編緝、控制模式平滑切換、控制參數與試驗參數在線調整、I／O操作、數據顯示、示波器以及實現本研究控制策略所要求的實時閉環控制與高速數據采集等。

電液伺服疲勞試驗機的工作方式以波形加載為主，頻率范圍集中于0.01-50Hz之間。因此對數據采集頻率的要求較高。本研究采用VXDs編程技術，深入Windows內核，通過捕獲AD卡AD轉換完畢中斷信號進行數據采集。數據采集頻率達到4kHz，滿足了實際系統需求。

本工控軟件的另一個工程實現難點是系統的高精度定時。控制策略的工程實現要求控制器能在一個控制周期內完成輸入、輸出信號比較，獲得偏差量，實現算法并將控制量通過D／A輸出等工作，對控制周期的精度要求非常嚴格。Windows98作為內核尚未完全對外公開的操作系統，盡管在可視化編程方面為軟件設計者提供了諸多方便，但對經常需要對硬件接口進行操作的工控軟件卻設置了重重障礙。可以查到的資料顯示，Window98提供的最高定時精度為2ms（多媒體時鐘），遠遠不能滿足疲勞試驗機的高速閉環要求。本研究在研究VXDs高速數據采集的基礎上，通過捕獲AD卡提供的82 53定時器中斷實現高精度定時，然后通過定時中斷信號啟動高優先級閉環控制多線程模塊，實現了實際工程需要。實時控制頻率可達4kHz。

4 實驗分析

4.1 疲勞考核

按桑塔納前懸掛彈簧疲勞試驗規范，試驗機以5Hz正弦波，±73mm振幅運行100萬次，連續運行時間約55小時33分鐘。以30分鐘的時間間隔進行觀察記錄，位移峰值穩定度＜2%設定值，且系統運行平穩，達到了設計要求。

4.2 掃頻實驗

降低試驗振幅至5mm，并調整信號發生單元，使其每隔100個試驗波形，自動增加0.5Hz試驗頻率，對被試件進行從0.5Hz到50Hz掃頻，以考核控制器性能。結果令人滿意。控制器以Windows為工作平臺，盡管一個控制周期內承擔的任務繁重，但速度可滿足一般行業對疲勞試驗機的性能要求。

4.3 抗參數變化性能試驗

試驗機運行過程中，通過改變油壓或對被試件施加側向力等方法實施干擾，證明系統統干擾反應不敏感，試驗波形無明顯失真，系統穩定性良好。

5 結束語

本文適應電液伺服疲勞試驗機發展趨勢，研制開發了以工業P C機為核心的單CPU試驗機數字控制器。通過對系統的理論分析及疲勞試驗機特點的研究，提出了PID＋F調節的控制算法，并在Windows98工作平臺上進行了工程實現。實驗及設備的實際運行狀況表明，該控制器性能優良，成本低，開發速度快，具有良好的工程推廣價值。

［1］駱涵秀.試驗機的電液控制系統［M］.機械工業出版社1991.

［2］李洪人.液壓控制系統.國防工業出版社［M］1981.

［3］蔣靜坪.計算機實時控制系統.浙江大學出版社［M］.1992.

［4］王旭東等.電液伺服力控制系統的智能控制策略研究［J］.機床與液壓1995（5）