雙工位膠帶疲勞試驗機自動控制系統研究

周海濤周建華杭小宇

(揚州大學機械工程學院,江蘇揚州225127)

0 前言

試驗機作為一種用于研究及檢測材料、零部件、各類產品力學性能和可靠性的測試儀器，廣泛用于科學研究、能源交通和機械電子等領域，是科研和生產部門必需的基本設備。試驗機在新型材料開發、材料試驗、產品品質監督、產品設計、以及品質控制等方面都有著重要的作用。隨著現代科學技術的發展，人們愈加重視動態試驗，疲勞試驗機整體水平都在不斷提高，它己成為汽車、飛機等機械制造行業零件疲勞強度以及壽命試驗不可缺少的設備。

疲勞試驗機作為技術密集型測試裝置，它涉及到機械、電子、液壓、測量、材料、自動控制等眾多技術領域；同時還綜合了現代閉環伺服、機電一體化、數字顯示、以及電子計算機等技術，被廣泛應用在新材料開發，結構設計和機械、航空、船舶、航天、人體力學性能研究等領域。

1 膠帶疲勞試驗機

膠帶疲勞試驗機主要用來測試在室溫狀況下的非金屬材料在一定載荷條件下發生變形時的應力和應變的變化情況。因此可以通過對膠帶疲勞材料試驗機的控制系統進行重新設計，實現實驗數據的實時自動采集、分析、處理和對執行機構的自動控制，來提高膠帶疲勞試驗機的性能和自動化的程度。

采用電液伺服閥來實現疲勞試驗機運行控制，使膠帶疲勞試驗機提高試驗精度與擴充了動態試驗負荷種類。目前，電液型伺服疲勞試驗機根據科技進步和被試驗對象的需要，正向著全微機化、節能化、智能化方向發展，以進一步提高試驗機效率，提高試驗機的降低能耗和精度。

2 膠帶疲勞試驗機系統設計

2.1 總體結構組成

膠帶疲勞試驗機的系統由主機系統、電控系統和液壓系統組成。其中電控單元是試驗機控制系統的核心，對膠帶疲勞試驗機工作狀態信號進行采集并對其工作過程進行控制，主要包括液壓系統控制單元、信號測量單元、控制單元三部分；機械本體主要包括橫梁、底座、上下夾持器以及液壓傳動裝置等，其結構如圖1所示。試驗時對安裝在上下夾頭上的試樣加載，同時由信號測量單元測量試樣的受力和膠帶試驗機下夾頭的位移量，并通過相關裝置將上述信號送入控制單元，控制單元根據不同的控制要求，選擇力和位移中的一個作為控制系統的反饋信號，并將它與給定值進行比較；并輸出控制信號。

2.2 液壓系統

對于液壓系統由電液伺服閥、油泵、溢流閥、伺服油缸、壓力表和單向閥組成等。液壓系統的原理如圖2。

從油壓源輸出的油液由過濾器進入電液伺服閥，同時電子控制系統將給定電信號與來自負載位移傳感器的輸出反饋信號進行對比，并將其差值放大后送至電液伺服閥，將電信號轉變為油液流量，高壓油交替輸送到伺服液壓缸上下油腔，活塞驅動膠帶疲勞試驗機橫梁上下運動，進行膠帶疲勞試驗。此過程不斷循環往復，使反饋信號與給定值之間的差值不斷減小，即控制試驗機按照既定的運動規律運動。

圖1 膠帶疲勞試驗結構組成

圖2 液壓系統原理圖

閥控液壓缸控制系統結構如圖3，系統根據被控參量的控制要求，微機控制系統給出適當形式的電信號，驅動電液伺服閥工作，來控制高壓油的流量，從而推動液壓執行元件加載膠帶。

圖3 閥控液壓缸控制原理

2.3 膠帶試驗機控制系統的總體設計

控制系統的總體結構如圖4，首先由測控軟件輸出控制信號，通過液壓單元驅動試驗機運動，安裝在試驗機上的信號測量裝置和計算機上的信號采集卡將試驗機上的位移、變形和載荷信號反饋到上位機，并將其與初始控制信號值對比，上位機通過控制模塊對差值進行處理，并由控制卡發出控制信號控制試驗機，循環不斷往復，直到達到預定的控制效果。

圖4 膠帶疲勞試驗機結構示意圖

系統中有著兩路信號的采集和一路信號的輸出；信號采集的速度和精度對試驗機的性能具有重要影響，系統中信號的采集和控制是通過控制卡實現。

3 液壓系統建模

3.1 電液伺服閥的模型

電液伺服閥不僅是電液轉換元件，而且也作為功率放大元件。它能夠將輸入的微小的電氣信號轉換成大功率的液壓信號輸出。

對于絕大多數電液伺服系統，伺服閥動態響應通常高于負載動態響應。當伺服閥頻寬和液壓固有的頻率相近時，伺服閥可近似地看成二階振蕩環節，其伺服閥傳遞函數為:

式中:Qo—伺服閥的空載流量；

Wsv—伺服閥固有頻率；

Ksv—伺服閥的流量增益。

3.2 伺服放大器的模型

伺服放大器作為伺服系統控制的重要組成部分，它必須和伺服閥機電轉換器匹配，便可以改善系統穩態特性。伺服放大器起到的是功率放大作用，這樣輸入的電壓信號轉換成電流信號，并將其進行放大來驅動閥芯移動。其數學模型為:

式中:I(s)—伺服放大器的輸出電流；

Ka—伺服放大器的放大系數；

U(s)—伺服放大器的輸入電壓。

3.3 系統的模型

通過各個環節確定的傳遞函數，畫出電液位置伺服控制的方塊圖，如圖5。

圖5 電液伺服控制系統方塊圖

系統開環傳遞函數

4 自適應模糊PID控制

PID控制利用模糊控制器將經驗知識以控制規的形式表達，自動進行模糊推理以及自動對PID參數實現最佳整定。

自適應模糊控制器輸入誤差e與誤差變化ec，可滿足不同時刻e和ec對PID參數自我整定的要求。其結構如圖6所示。

圖6 自適應模糊PID控制器結構

通過找出PID三個參數Kp、Ki、Kd與e和ec之間模糊關系來行進PID參數模糊自我整定，當運行時通過不斷的檢測e和ec，根據模糊控制原理實行3個參數在線進行修改，以達到控制參數不同的要求；同時PID參數整定必須考慮在不同的時刻三個參數的作用和它們之間的互聯關系。自適應模糊PID是在PID算法的基礎上，通過計算當前的系統誤差e與誤差變化ec，再利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊控制表實行參數調整。

模糊推理器的隸屬度函數設E為輸入誤差e的語言變量，EC為誤差變化率ec的語言變量。KP為比例系數Kp的語言變量，KI為積分系數Ki的語言變量，KD為微分系數Kd的語言變量。如圖7，圖8所示。

PID算法三個參數會影響系統的響應速度、穩定性、超調量與穩態精度。在系統運行時對不同的誤差e及誤差變化率ec，參數KP，KI，KD自適應調整規則是:

圖7 誤差e及變化率ec隸屬度函數

圖8 Kp隸屬度函數

1)如果誤差e較大情況時，應取較大的KP和較小的KD，KI一般設定為0；

2)如果誤差e與誤差變化率ec為中等情況時，KP和KD的取值應較小，而KI一般設定成中等大小；根據其作用原理和操作經驗，設定模糊整定控制規則見表1。

表1 模糊整定規則法

其模糊子集為e，ec={NM，NB，PS，NS，Z，，PB，PM}。設定e，ec與KP，KI，KD均服從正態分布，得出各模糊子集隸屬度，根據各個模糊子集的隸屬度賦值表及各參數控制模型，查出修正參數代入對應算式計算。

系統在線運行過程時，完成對PID參數在線自動校正。模糊PID控制系統SIMULINK模型如圖9所示。

圖9 自適應模糊PID控制系統SIMULINK模型

PID控制系統響應曲線如圖10所示。圖中可以看出，自適應模糊PID的自適應較強，整個控制系統基本沒有靜差和超調，大大改善系統的靜、動態性能。

圖10 自適應模糊PID控制系統階躍響應曲線

5 結語

本文利用模糊PID控制系統的SIMULINK模型進行試驗，結果表明模糊自我整定算法能夠很好的發揮傳統算法與模糊控制的優點。在系統參數發生變化時，其具有很好的自整定能力，相對于傳統的PID在響應時間、超調量等方面有明顯改善，這在實際的過程控制中具有參考價值。

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