材料试验机力控制系统设计

优秀设计

第一章绪论

1.1研究的目的和意义

材料试验机在开发新材料和材料质量控制领域的应用越来越广泛，作为大型精密仪器，对它的控制精确性、智能性及人机交互便利性都提出了很高的要求。然而，目前的材料试验机发展不完善，还存在各种问题。第一，针对试验过程中，负载刚度变化，怎样找到科学合理的解决办法，在能得到负载力学性能参数的基础上，确保控制系统的精确性；第二，针对不同的试验对象以及试验标准，研制能够自动控制完成试验过程，并具有良好人机界面的试验机；第三，控制系统中的问题，比如电液比例控制系统的不确定性，它的系统参数具有高维、时变、模糊、非线性等特点，试验机本身要满足控制多项性能指标的苛刻要求。常规的控制方法不能满足这些苛刻的要求，需要研制常规方法和智能控制方法相结合的控制系统。第四，建立物理和数学模型时的误差问题。

论文针对目前试验机存在的各种问题，以电液比例控制液压万能材料试验机系统为对象，进行了深入探讨和研究。

1.2国内外研究现状和发展

材料试验机是一种施力装置或者力控制系统。主要是用来测试各种材料在不同条件下的物理机械性能、工艺性能、抗震强度及内外结构缺陷的重要科学测试仪器。当今国内外市场上存在的试验机主要可分为三大类：电液伺服控制材料试验机、电液比例控制材料试验机、电子式万能试验机。

最初的自动控制液压材料试验机采用电液伺服阀构成控制系统，这类试验机采用大流量的伺服阀系统，其功率消耗大、装备复杂、费用昂贵，此外，抗污染能力差，传动液压油受到污染后系统将不能正常工作。

针对电液伺服控制中存在的各种问题，电液比例控制技术被应用于材料试验机。比例阀以传统的工业液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟电-机械转换器和与之相应的阀内设计，对油质要求与一般工业阀相同，其阀内压力损失低，性能又能满足大部分工程测试业要求的比例控制元件。近年来出现了一种性能和价格介于伺服阀和普通比例阀之间的控制阀—高性能电液比例方向阀，它具有传统比例阀的特征，采用比例电磁铁作为电-机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零遮盖阀口，对油液清洁度要求低于电液伺服阀，而它的控制性能已经与普通电液伺服阀相当，能大幅提高控制性能。

随着电液伺服技术、电液比例技术、微电子技术、计算机技术及现代控制技术的飞速发展，国内外试验机生产厂商都积极研发具有恒加载速率、恒应变速率、恒位移速率控制特点的试验机。20世纪80年代末，济南试验机厂和日本岛津公

司合资生产了WAW-500型试验机。其采用电液伺服阀，试验范围大，具有恒加载速率、恒应变速率、恒位移速率控制等特点，可高效率高精度地自动完成试验过程，描绘出试验曲线，并对结果进行处理和打印、记录，还有故障自我诊断功能和人机对话功能，是比较先进的液压万能试验机。

1.2.1国内外研究现状

国内液压试验机从五十年末开始，仿制并大批生产了德国申克公司的手动控制的UPM系列液压万能试验机。如国内各试验机厂生产的WE系列万能机、YA 系列压力机。它采用手动控制系统，主要特点是手动加载、卸载，摆锤测力、度盘显示，如图1.1所示。这种设备测量范围小，精度低，对变形及位移不能等速率控制，加上摆锤的惯性误差等的影响，国家己经开始逐步限制这类试验机进入市场。但由于这种试验机价格低廉、维护方便，目前，这两种试验机仍占相当大的市场。

图1.1 手动式液压万能试验机图1.2 数显式液压万能试验机

为了提高测量精度，消除摆锤对测量精度的影响，一些试验机厂家以电子测力代替杠杆摆锤测力，如图1.2所示。这类试验机只在测力系统和数据显示方面作了改进，大多以单片机作为数据采集和处理系统，在长期可靠性方面存在不少问题，在控制系统方面存在不少缺陷，无法实现等速控制。

长春试验机研究所生产的WAW系列微机控制液压万能试验机，其测量范围可达6档，具有等速控制试验方式及专门为金属拉伸试验设计的试验方式，但采用模拟放大器，继电器自动换档，不能实现各档之间的平滑切换，可靠性比较差。同时，国内试验机厂也积极与国外著名试验机公司合作联合开发自动控制液压万能试验机，济南试验机厂引进日本岛津技术开发WAW-Y系列微机控制电液伺服万能试验机，上海华龙测试仪器厂引进德国DOLI公司技术生产的WAW系列微机控制电液伺服万能试验机，这些试验机虽然能实现闭环控制，但存在各种控制方式不能灵活组合，控制性能难以适应材料刚度的变化，调试和使用复杂，适用范围不广，而且因价格昂贵难以被国内大部分企业所接受。

国外著名的试验机生产厂商主要有四个：美国的MTS公司，英国的INSTRON，德国的申克公司和日本的岛津公司。日本岛津公司生产的UDH系列试验机，如图1.3所示。它可进行自动和手动两种操作，具有计算机控制和数据处理功能，其系列性能好，机种覆盖广，缺点是自动化程度低。德国申克公司的UPM液压万能试验机控制原理是由速度控制器控制力矩电机进而带动压力控制阀施加压力，具备计算机处理和控制功能，是一种较传统的控制方式。美国MTS 公司生产的NEW810系列主机采用318系列，主要特点在伺服液压缸上，液压缸滑动表面，用非金属喷涂处理，实现较小阻尼。电控系统有MTS TEST STAR 试验系统和MTS TEST LINK试验系统，TEST STAR计算机参与控制，P、I、D 参数给定，TEST LINK可以连接计算机，进行数据处理，但在非线性区没有良好的控制能力，控制方式平滑切换装置不够理想。英国Instron公司生产的1190系列、1100系列和日本岛津生产的Dss系列和AG-A系列，由于引入了各种功能附件及计算机，其功能、可靠性、测试精度大大提高。20世纪末21世纪初，Instron公司研制的5500系列电子试验机采用Windows操作系统和Morlin标准软件以及数字信号处理(DSP)技术，其性能得到进一步增强。图1.4为英国英斯特朗公司生产的HTV液压万能试验机。

由于这些试验机的量程小，价格昂贵，

在国内应用较少。

图1.3日本岛津UH-l-Fl液压万能试验机

图1.4 英国英斯特朗HTV液压万能试验机

在材料试验机电控系统的控制策略方面，人们已经做了一些研究。神经网络因它具有学习任意非线性关系的能力和容许大量输入的并行信息处理方式，为试验机这样的复杂非线性和不确定性系统的控制开辟了一条新途径，但是由于神经网络控制实时性差，目前较少用于实际工业控制过程。以模拟人的控制行为作为出发点的智能控制方法，在上世纪末取得了长足进步，可拓学与控制论的结合，产生了一种新型的智能控制方法--可拓智能控制方法，并将它应用于试验机上，取得了良好控制效果。

1.2.2国内外发展