不同控制方式下伺服萬能試驗機控制誤差實測分析

摘 要： 利用合金試件，應用250 kN 電子萬能試驗機，設計同步加載試驗，進行不同加載方式下伺服萬能試驗機控制誤差實測研究及理論分析。試驗結果顯示：力控制方式的控制誤差大于位移控制方式；力控制方式下，控制誤差隨加載速率的增大而增大，其調節時間與加載速率呈指數及對數關系；位移控制方式下，控制誤差隨加載速率變化不明顯，其調節時間與加載速率呈冪函數關系；力控制方式循環編程控制誤差更大，位移控制方式循環編程控制誤差更小。理論分析表明：萬能試驗機采用梁型應變式載荷傳感器及加載極性不同是造成力控制方式控制誤差大于位移控制的主要原因。

關鍵詞： 控制方式; 伺服萬能試驗機; 控制誤差; 同步加載

中圖分類號： TB9; TH87 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0139–08

0 引 言

伺服試驗機是理工科高校及科研院所重要的測試設備，其應用領域幾乎涉及理工科所有專業[1-2]。近年來，大量先進光-機-電技術（如交流伺服系統、伺服電缸、直驅液壓等）廣泛應用于伺服試驗機[3-5]，相關研究人員對伺服試驗機加載、校準等特性進行了研究[6-7]，關于試驗機機械性能的研究促進了試驗機控制系統研究的開展。

對于伺服試驗機而言，控制誤差是測控系統的重要性能指標，直接影響實驗數據的準確性。特別是萬能試驗機，其加載方式多樣，工作模式轉換頻繁，載荷有正負和極性的區別，對控制誤差有更嚴格的要求。有關文獻對試驗機控制特性進行了研究[8]，為分析和提高萬能試驗機控制誤差提供了有價值的參考，但對于萬能試驗機控制誤差實測研究還存不足之處。

力控制和位移控制是萬能試驗機常用的加載控制方式。在閉環控制體系中，力控制和位移控制都是以載荷和位移量的探測為先導，同時也要影響載荷和位移數據的讀取。隨著信息化、智能化、現代探測技術的發展及材料性能測試標準的多樣性，要求萬能試驗機加載控制方式靈活而復雜[9]，但在不同控制方式下萬能試驗機的控制誤差方面少有研究，特別是通過實驗測試分析萬能試驗機在各種控制方式下的控制誤差還鮮見報道，有必要加強這方面的研究。

為此，本文結合電子萬能材料試驗機的控制原理，以合金試件壓縮為例，設計同步加載試驗，分析不同加載方式下伺服萬能試驗機的控制誤差，研究控制誤差隨加載參數的變化規律，為分析相關實驗結果的客觀性和準確性提供一定的參考，也為測試萬能試驗機的控制誤差提供一種方法。

1 伺服萬能試驗機控制原理

伺服萬能試驗機由加載框架、加載驅動系統、測量系統、控制系統4 部分組成[10]。其中，電子伺服萬能試驗機的加載驅動系統由伺服電機通過絲杠帶動加載橫梁實現加載；測量系統探測加載橫梁的位移和軸向載荷；控制系統接收測量系統輸出的位移和載荷反饋信號，通過比較操作系統預設或程序給定的目標值和位移及載荷的反饋值生成偏差，進而運用運算電路解算出控制量，對加載電機進行伺服控制。

2 試驗設計及過程

2.1 試驗設計

基于伺服試驗機的控制原理，在加卸載轉換點通常會造成控制誤差增大，特別是萬能試驗機，加卸載轉換還會造成拉壓載荷的方向及極性改變，進一步增加控制的復雜性，因此，設計試驗以自主編程的方式進行控制，以此對試件進行反復加卸載試驗，重點關注試驗機在加卸載轉換點的控制誤差。載荷控制和位移控制方式是伺服萬能試驗機的主要控制方式，加載速率是實驗中設定的重要參數，順序結構和循環結構是編制程序的常用結構，因此，試驗分為力控制和位移控制兩種方式進行，每種控制方式設定不同的加載速率，編程分別采用順序結構和循環結構，進行交叉試驗。

2.2 試驗設備及試樣

2.2.1 試驗設備

為了最大限度地體現加載方式對控制誤差的影響，本實驗采用250 kN 電子伺服萬能試驗機，排除了液壓系統加載波動對試驗機控制誤差的影響。該機型采用伺服電機通過滾珠絲杠帶動加載梁進行加載，減小了壓頭換向回程差的影響，并增大了傳動系統的精確性；位移通過光電編碼器或外接引伸計進行測量，載荷則通過應變式載荷傳感器進行測量[11]；控制系統采用比例-積分-微分（PID）運算電路對加載進行伺服控制[12]，通過微機操作系統，可進行預設程序和自主編程加載。為了保證在實測中獲取完整的循環加卸過程測試曲線，試驗機的斷裂檢測功能應關閉。

2.2.2 試件及其裝配

為了準確反映不同加載方式試驗機的控制誤差，每次加卸載轉換點應力應變狀態應保持一致，加載路徑與卸載路徑應實現重合，試件須選用金屬材質完全彈性材料。同時，為了充分體現試驗機對加卸載的控制作用，金屬的彈性模量不宜太大。綜合以上因素，選取熔鑄合金鋁的棒材作為試件，尺寸為Φ50 mm×100 mm。

萬能試驗機具有多種加載工作模式，所配置的試件夾具有很大的差別，其基礎平臺存在通用性，不便于試件的定位。為此，本文設計了一種“雙十字”試件定位法，如圖1 所示。

通過位于加載軸線上的試驗機加載座盤圓心標注相互垂直的兩條直線，在試件端面通過圓心標注兩條相互垂直的直線，并在試件的側面標注“十字線”與端面圓周的交點，將座盤和試件上的“十字線”重合，運用卡規或游標卡尺測量試件“十字線”端點和座盤“十字線”端點的距離，調節試件位置保證兩端等距，完成試件居中裝配。