霍原洪 王旭東

（1：中冶建筑研究總院有限公司 北京 1000882：濟(jì)南東測試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司 山東濟(jì)南 250000）

1 引言

當(dāng)前，國外試驗(yàn)機(jī)行業(yè)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(shù)字控制疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，完成了?？丶夹g(shù)向數(shù)控技術(shù)的轉(zhuǎn)化。這些公司在原有?？丶夹g(shù)成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分利用了數(shù)字控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比大、人工智能控制策略易軟件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，推出的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了儀器虛擬、人工智能、組態(tài)模塊以及網(wǎng)絡(luò)連接等功能，為國際疲勞技術(shù)的研究與發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。國內(nèi)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的起步較晚，技術(shù)貯備與綜合研究水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。因此充分利用當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究成果，研究制造數(shù)字控制疲勞試驗(yàn)設(shè)備，符合國際試驗(yàn)機(jī)研究發(fā)展方向。

本文開發(fā)研制了實(shí)用性良好的多功能計(jì)算機(jī)伺服控制器。并針對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的特殊要求，對(duì)控制器的方案選擇、控制策略及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了重點(diǎn)描述。

2 系統(tǒng)說明

本研究在一臺(tái)10kN電液伺服彈簧試驗(yàn)機(jī)的研制過程中完成。試驗(yàn)機(jī)的的結(jié)構(gòu)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(yàn)力、位移兩個(gè)回路，分別由橋式應(yīng)變片輪幅負(fù)荷傳感器、LVDT位移傳感器及相應(yīng)的信號(hào)放大器組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由研華586工控機(jī)、PCL812AD／DA、I／O卡板等組成。它需要完成的功能包括：信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集與處理、實(shí)時(shí)控制、試驗(yàn)結(jié)果顯示、示波、試驗(yàn)在線指導(dǎo)以及對(duì)整機(jī)實(shí)行過載、斷裂保護(hù)等。

系統(tǒng)的核心是電液伺服閉環(huán)控制回路，工作原理如下：傳感器及相應(yīng)的放大器將測得的模擬試驗(yàn)力（或位移）信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，與給定信號(hào)比較，微機(jī)根據(jù)偏差信號(hào)，經(jīng)過PID運(yùn)算后送給D／A、伺服放大器，從而使伺服閥控制作動(dòng)器活塞動(dòng)作，以完成對(duì)試件彈簧的加載。給定信號(hào)有正弦波、三角波、方波、隨機(jī)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(tǒng)屬于負(fù)載力控制系統(tǒng)［2］。其力控制回路與位移控制回路具有相同的開環(huán)傳遞函數(shù)形式。即：

式中，K—系統(tǒng)開環(huán)增益；

ωr—機(jī)械彈簧引起的轉(zhuǎn)折頻率；

ωsv—伺服閥轉(zhuǎn)折頻率；

ωh—液壓諧振頻率；

δh—液壓阻尼系數(shù)；

S—作動(dòng)器面積

圖1 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

該試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)制造滿足桑塔納前懸掛彈簧要求的試驗(yàn)規(guī)范：以彈簧自由高為基準(zhǔn)，壓縮200mm后，再以±73mm的行程，以5Hz的頻率進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。屬大行程低頻試驗(yàn)系統(tǒng)。理論估算上式各參數(shù)值并與實(shí)驗(yàn)辨識(shí)交叉引證，得出在低頻段對(duì)系統(tǒng)性能起主導(dǎo)作用的是一對(duì)慣性環(huán)節(jié)的結(jié)論。理論分析可以證明，PID控制用于具有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的反饋時(shí)，是一種理想調(diào)節(jié)器，它可以在保持原傳遞滯后的情況下，達(dá)到輸出無偏差［3］。因此，PID控制應(yīng)用于本系統(tǒng)，方案可行性極好。這就為控制算法的選擇提供了理論準(zhǔn)備。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 PID控制算法

PID控制算法是數(shù)字控制器的核心，本研究設(shè)計(jì)的PID控制算法如下：

式中：α—微調(diào)因子；

n—采集序號(hào)；

Kp—比例因子；

Ki—積分系數(shù)；

Kd—微分系數(shù)

式中Ud（n）為微分增量，U（n）為PID輸出量，調(diào)試中通過不斷調(diào)整α、Kp、Ki、Kd四個(gè)參數(shù)，即可使系統(tǒng)獲得滿意的性能。

3.2 工控軟件

工控軟件采用模塊化組態(tài)結(jié)構(gòu)，用C＋＋Builder語言編寫。工作平臺(tái)采用Windows98。主要模塊包括系統(tǒng)定義、試驗(yàn)譜編緝、控制模式平滑切換、控制參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)在線調(diào)整、I／O操作、數(shù)據(jù)顯示、示波器以及實(shí)現(xiàn)本研究控制策略所要求的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制與高速數(shù)據(jù)采集等。

電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)采集頻率的要求較高。本研究采用VXDs編程技術(shù)，深入Windows內(nèi)核，通過捕獲AD卡AD轉(zhuǎn)換完畢中斷信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)到4kHz，滿足了實(shí)際系統(tǒng)需求。

本工控軟件的另一個(gè)工程實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是系統(tǒng)的高精度定時(shí)。控制策略的工程實(shí)現(xiàn)要求控制器能在一個(gè)控制周期內(nèi)完成輸入、輸出信號(hào)比較，獲得偏差量，實(shí)現(xiàn)算法并將控制量通過D／A輸出等工作，對(duì)控制周期的精度要求非常嚴(yán)格。Windows98作為內(nèi)核尚未完全對(duì)外公開的操作系統(tǒng)，盡管在可視化編程方面為軟件設(shè)計(jì)者提供了諸多方便，但對(duì)經(jīng)常需要對(duì)硬件接口進(jìn)行操作的工控軟件卻設(shè)置了重重障礙。可以查到的資料顯示，Window98提供的最高定時(shí)精度為2ms（多媒體時(shí)鐘），遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足疲勞試驗(yàn)機(jī)的高速閉環(huán)要求。本研究在研究VXDs高速數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過捕獲AD卡提供的82 53定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)高精度定時(shí)，然后通過定時(shí)中斷信號(hào)啟動(dòng)高優(yōu)先級(jí)閉環(huán)控制多線程模塊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工程需要。實(shí)時(shí)控制頻率可達(dá)4kHz。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 疲勞考核

按桑塔納前懸掛彈簧疲勞試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)機(jī)以5Hz正弦波，±73mm振幅運(yùn)行100萬次，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間約55小時(shí)33分鐘。以30分鐘的時(shí)間間隔進(jìn)行觀察記錄，位移峰值穩(wěn)定度＜2%設(shè)定值，且系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.2 掃頻實(shí)驗(yàn)

降低試驗(yàn)振幅至5mm，并調(diào)整信號(hào)發(fā)生單元，使其每隔100個(gè)試驗(yàn)波形，自動(dòng)增加0.5Hz試驗(yàn)頻率，對(duì)被試件進(jìn)行從0.5Hz到50Hz掃頻，以考核控制器性能。結(jié)果令人滿意?？刂破饕訵indows為工作平臺(tái)，盡管一個(gè)控制周期內(nèi)承擔(dān)的任務(wù)繁重，但速度可滿足一般行業(yè)對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的性能要求。

4.3 抗參數(shù)變化性能試驗(yàn)

試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過程中，通過改變油壓或?qū)Ρ辉嚰┘觽?cè)向力等方法實(shí)施干擾，證明系統(tǒng)統(tǒng)干擾反應(yīng)不敏感，試驗(yàn)波形無明顯失真，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)束語

本文適應(yīng)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)發(fā)展趨勢，研制開發(fā)了以工業(yè)P C機(jī)為核心的單CPU試驗(yàn)機(jī)數(shù)字控制器。通過對(duì)系統(tǒng)的理論分析及疲勞試驗(yàn)機(jī)特點(diǎn)的研究，提出了PID＋F調(diào)節(jié)的控制算法，并在Windows98工作平臺(tái)上進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)及設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況表明，該控制器性能優(yōu)良，成本低，開發(fā)速度快，具有良好的工程推廣價(jià)值。

［1］駱涵秀.試驗(yàn)機(jī)的電液控制系統(tǒng)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社1991.

［2］李洪人.液壓控制系統(tǒng).國防工業(yè)出版社［M］1981.

［3］蔣靜坪.計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng).浙江大學(xué)出版社［M］.1992.

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