周海濤周建華杭小宇

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225127)

0 前言

試驗(yàn)機(jī)作為一種用于研究及檢測材料、零部件、各類產(chǎn)品力學(xué)性能和可靠性的測試儀器，廣泛用于科學(xué)研究、能源交通和機(jī)械電子等領(lǐng)域，是科研和生產(chǎn)部門必需的基本設(shè)備。試驗(yàn)機(jī)在新型材料開發(fā)、材料試驗(yàn)、產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)督、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、以及品質(zhì)控制等方面都有著重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們愈加重視動態(tài)試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)機(jī)整體水平都在不斷提高，它己成為汽車、飛機(jī)等機(jī)械制造行業(yè)零件疲勞強(qiáng)度以及壽命試驗(yàn)不可缺少的設(shè)備。

疲勞試驗(yàn)機(jī)作為技術(shù)密集型測試裝置，它涉及到機(jī)械、電子、液壓、測量、材料、自動控制等眾多技術(shù)領(lǐng)域；同時還綜合了現(xiàn)代閉環(huán)伺服、機(jī)電一體化、數(shù)字顯示、以及電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在新材料開發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械、航空、船舶、航天、人體力學(xué)性能研究等領(lǐng)域。

1 膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)

膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)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(fā)生變形時的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況。因此可以通過對膠帶疲勞材料試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時自動采集、分析、處理和對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動控制，來提高膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)的性能和自動化的程度。

采用電液伺服閥來實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行控制，使膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)提高試驗(yàn)精度與擴(kuò)充了動態(tài)試驗(yàn)負(fù)荷種類。目前，電液型伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)根據(jù)科技進(jìn)步和被試驗(yàn)對象的需要，正向著全微機(jī)化、節(jié)能化、智能化方向發(fā)展，以進(jìn)一步提高試驗(yàn)機(jī)效率，提高試驗(yàn)機(jī)的降低能耗和精度。

2 膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)組成

膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。其中電控單元是試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的核心，對膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)工作狀態(tài)信號進(jìn)行采集并對其工作過程進(jìn)行控制，主要包括液壓系統(tǒng)控制單元、信號測量單元、控制單元三部分；機(jī)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(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)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(yàn)機(jī)下夾頭的位移量，并通過相關(guān)裝置將上述信號送入控制單元，控制單元根據(jù)不同的控制要求，選擇力和位移中的一個作為控制系統(tǒng)的反饋信號，并將它與給定值進(jìn)行比較；并輸出控制信號。

2.2 液壓系統(tǒng)

對于液壓系統(tǒng)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(tǒng)的原理如圖2。

從油壓源輸出的油液由過濾器進(jìn)入電液伺服閥，同時電子控制系統(tǒng)將給定電信號與來自負(fù)載位移傳感器的輸出反饋信號進(jìn)行對比，并將其差值放大后送至電液伺服閥，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵毫髁?，高壓油交替輸送到伺服液壓缸上下油腔，活塞?qū)動膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)橫梁上下運(yùn)動，進(jìn)行膠帶疲勞試驗(yàn)。此過程不斷循環(huán)往復(fù)，使反饋信號與給定值之間的差值不斷減小，即控制試驗(yàn)機(jī)按照既定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動。

圖1 膠帶疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)組成

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

閥控液壓缸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，系統(tǒng)根據(jù)被控參量的控制要求，微機(jī)控制系統(tǒng)給出適當(dāng)形式的電信號，驅(qū)動電液伺服閥工作，來控制高壓油的流量，從而推動液壓執(zhí)行元件加載膠帶。

圖3 閥控液壓缸控制原理

2.3 膠帶試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4，首先由測控軟件輸出控制信號，通過液壓單元驅(qū)動試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動，安裝在試驗(yàn)機(jī)上的信號測量裝置和計(jì)算機(jī)上的信號采集卡將試驗(yàn)機(jī)上的位移、變形和載荷信號反饋到上位機(jī)，并將其與初始控制信號值對比，上位機(jī)通過控制模塊對差值進(jìn)行處理，并由控制卡發(fā)出控制信號控制試驗(yàn)機(jī)，循環(huán)不斷往復(fù)，直到達(dá)到預(yù)定的控制效果。

圖4 膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)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(yàn)機(jī)的性能具有重要影響，系統(tǒng)中信號的采集和控制是通過控制卡實(shí)現(xiàn)。

3 液壓系統(tǒng)建模

3.1 電液伺服閥的模型

電液伺服閥不僅是電液轉(zhuǎn)換元件，而且也作為功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿〉碾姎庑盘栟D(zhuǎn)換成大功率的液壓信號輸出。

對于絕大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)，伺服閥動態(tài)響應(yīng)通常高于負(fù)載動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)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(huán)節(jié)，其伺服閥傳遞函數(shù)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(tǒng)控制的重要組成部分，它必須和伺服閥機(jī)電轉(zhuǎn)換器匹配，便可以改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)換成電流信號，并將其進(jìn)行放大來驅(qū)動閥芯移動。其數(shù)學(xué)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(shù)；

U(s)—伺服放大器的輸入電壓。

3.3 系統(tǒng)的模型

通過各個環(huán)節(jié)確定的傳遞函數(shù)，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(tǒng)方塊圖

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

4 自適應(yīng)模糊PID控制

PID控制利用模糊控制器將經(jīng)驗(yàn)知識以控制規(guī)的形式表達(dá)，自動進(jìn)行模糊推理以及自動對PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳整定。

自適應(yīng)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(shù)自我整定的要求。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

通過找出PID三個參數(shù)Kp、Ki、Kd與e和ec之間模糊關(guān)系來行進(jìn)PID參數(shù)模糊自我整定，當(dāng)運(yùn)行時通過不斷的檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理實(shí)行3個參數(shù)在線進(jìn)行修改，以達(dá)到控制參數(shù)不同的要求；同時PID參數(shù)整定必須考慮在不同的時刻三個參數(shù)的作用和它們之間的互聯(lián)關(guān)系。自適應(yīng)模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)誤差e與誤差變化ec，再利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊控制表實(shí)行參數(shù)調(diào)整。

模糊推理器的隸屬度函數(shù)設(shè)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(shù)Kp的語言變量，KI為積分系數(shù)Ki的語言變量，KD為微分系數(shù)Kd的語言變量。如圖7，圖8所示。

PID算法三個參數(shù)會影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)精度。在系統(tǒng)運(yùn)行時對不同的誤差e及誤差變化率ec，參數(shù)KP，KI，KD自適應(yīng)調(diào)整規(guī)則是:

圖7 誤差e及變化率ec隸屬度函數(shù)

圖8 Kp隸屬度函數(shù)

1)如果誤差e較大情況時，應(yīng)取較大的KP和較小的KD，KI一般設(shè)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(yīng)較小，而KI一般設(shè)定成中等大?。桓鶕?jù)其作用原理和操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定模糊整定控制規(guī)則見表1。

表1 模糊整定規(guī)則法

其模糊子集為e，ec={NM，NB，PS，NS，Z，，PB，PM}。設(shè)定e，ec與KP，KI，KD均服從正態(tài)分布，得出各模糊子集隸屬度，根據(jù)各個模糊子集的隸屬度賦值表及各參數(shù)控制模型，查出修正參數(shù)代入對應(yīng)算式計(jì)算。

系統(tǒng)在線運(yùn)行過程時，完成對PID參數(shù)在線自動校正。模糊PID控制系統(tǒng)SIMULINK模型如圖9所示。

圖9 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)SIMULINK模型

PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖10所示。圖中可以看出，自適應(yīng)模糊PID的自適應(yīng)較強(qiáng)，整個控制系統(tǒng)基本沒有靜差和超調(diào)，大大改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。

圖10 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

5 結(jié)語

本文利用模糊PID控制系統(tǒng)的SIMULINK模型進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明模糊自我整定算法能夠很好的發(fā)揮傳統(tǒng)算法與模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，其具有很好的自整定能力，相對于傳統(tǒng)的PID在響應(yīng)時間、超調(diào)量等方面有明顯改善，這在實(shí)際的過程控制中具有參考價(jià)值。

[1]劉金餛.智能控制[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[2]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型 PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]J.J.Hopfield，D.W.Tand.Neural computation of decision in optimization problems[J].Biological Cybernetics，1985.

[4]劉金餛.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[5]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[6]廉小親.模糊控制技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2003.