周翔 馬占東 國凱 劉曉菲 馬寶慶

摘 要 針對傳統(tǒng)人工操作模式下復合材料高溫力學性能測試效率低、檢測質量差、溫控精度低的問題，本文設計了面向復合材料壓縮測試的自動送樣-測試-取樣多模塊測試系統(tǒng)，研究了封閉條件下環(huán)境箱溫度場建模與補償技術，建立了溫度補償模型，并設計高精度溫度控制器，實現(xiàn)了對溫度的精準補償與控制；開展自動化測試系統(tǒng)的運動學和動力學建模研究，完成動力學參數(shù)在線辨識，在此基礎上設計自動化測試系統(tǒng)自適應控制器，最后進行了控制實驗。實驗結果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制器可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度控制，跟蹤精度和定位精度均滿足自動化測試要求。

關鍵詞 復合材料；高溫環(huán)境；力學性能；自動控制

Research on Key Technologies and System Design of

Automatic Testing of High Temperature Mechanical

Properties of Composite Materials

ZHOU Xiang¹，MA Zhandong¹，GUO Kai²，LIU Xiaofei¹，MA Baoqing¹

（1.AVIC Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite， Aviation Key Lab

of Science and Technology on High Performance Electromagnetic Windows， Jinan 250023；

2.Department of Mechanical Engineering， Shandong University， Jinan 250061）

ABSTRACT Aiming at the problems of low efficiency， poor detection quality and low temperature control accuracy of high temperature mechanical properties testing of composite materials under the traditional manual operation mode. In this paper， an automatic send-test-sample multi-module test system for composite materials compression testing was designed. The modeling and compensation technology of ambient box temperature field under closed conditions was studied. And a temperature compensation model was established， also a high-precision temperature controller was designed to achieve accurate compensation and control of temperature. The kinematics and dynamic modeling research of the automatic test system was carried out， the online identification of dynamic parameters was completed， and the adaptive controller of the automatic test system was designed on this basis， and finally the control experiment was carried out. The results showed that the neural network adaptive controller could achieve high-precision control of the system， and the tracking accuracy and positioning accuracy met the requirements of automated testing.

KEYWORDS composite materials， high temperature environment， mechanical properties， automatic control

通訊作者：周翔，工程碩士，高級工程師。研究方向為復合材料測試技術。E-mail： zhouxiang217@163.com

1 引言

復合材料具有比強度高、比模量高、可設計性強、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點，在航空航天領域應用廣泛，先進復合材料質量占飛機結構總質量的多少，在某種程度上已經(jīng)成為評價該飛機技術先進程度和市場競爭力的重要指標^［1-2］。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，以軍用武器裝備為代表的高技術產(chǎn)品的需求量日益提高，軍用武器裝備產(chǎn)品所使用材料性能測試需求日益增大，傳統(tǒng)的人工檢測、測試手段已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化裝備的支持保障測試效率的要求，自動化測試設備及系統(tǒng)正逐步成為大批量測試可靠運行的必要保證。近年來，自動化測試系統(tǒng)已經(jīng)在設備故障診斷、精密機械加工、環(huán)境監(jiān)測等多個領域獲得廣泛應用，特別是以軍事領域強有力的需求為牽引，自動測試技術和自動測試設備發(fā)展十分迅速，已經(jīng)成為國防建設和生產(chǎn)生活中不可或缺的重要組成部分。

近年來國內外研究人員對復合材料的高溫拉伸^［3-6］、剪切^［7-9］、彎曲^［10-14］性能進行了大量研究，取得了一系列優(yōu)異成果，然而相關的實驗設備大多采用人工操作，自動化程度低，檢測穩(wěn)定性難以保證。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）封閉條件下環(huán)境箱溫度場復雜多變，溫度控制具有延遲性，控制精度低；（2）現(xiàn)有測量技術檢測過程人員參與量大，人為操作誤差大；（3）現(xiàn)有高溫材料力學性能測試設備發(fā)展緩慢，智能化程度低，缺少自動化檢測關鍵技術。由于以上問題的綜合影響，在目前的人工操作模式下，復合材料高溫力學性能檢測在送樣、加熱、檢測等環(huán)節(jié)嚴重影響著檢測精度及質量，降低了檢測效率。此外，高溫環(huán)境箱需要絕熱環(huán)境，頻繁的開關環(huán)境箱門放置復合材料試樣不僅會導致檢測效率低下，而且會造成能源浪費。

本文綜合了目前復合材料力學性能測試裝置的研發(fā)與實驗研究狀況，針對高溫環(huán)境下材料力學性能自動化測試需求，研制了自動化測試裝置；研究了封閉條件下高溫環(huán)境溫度場建模及補償技術，針對溫度控制具有滯后性、溫度分布不均勻等特性，深入研究了封閉環(huán)境下傳熱機理、溫度調節(jié)與補償技術，提高溫度場均勻性，提高加熱效率，縮短加熱時間；針對目前自動送樣測試系統(tǒng)存在智能化程度低、控制精度低、對不同規(guī)格待測材料適應性差等問題，研究了具有強適應性、高穩(wěn)定性的新型控制方法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡重構自動測試系統(tǒng)動力學模型，完成未知動力學參數(shù)在線辨識，設計了自動化測試系統(tǒng)自適應控制器，并進行了控制對比實驗，驗證了測試系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能。

2 自動化測試系統(tǒng)總體設計

2.1 測試系統(tǒng)總體設計

復合材料高溫力學性能測試實驗裝置主要由高溫環(huán)境箱、上壓頭和下壓頭三個部分組成，復合材料試樣放于下壓頭上進行高溫壓縮力學性能測試，通過下壓可以實現(xiàn)復合材料的壓縮、彎曲、層間剪切等測試項目。設計的主要思路是先分析復合材料壓縮測試的大致過程，再擬定出自動送料-測試-取樣的實現(xiàn)方式。測試系統(tǒng)主要由工作臺、伺服電機、減速器、齒輪組、導軌氣缸和傳動機構等部分組成，系統(tǒng)具有2個自由度，具體包括工作臺的旋轉運動，完成試樣的旋轉送料，以及驅動轉軸的上下浮動，對應完成工作臺的升降移動，系統(tǒng)整體結構示意圖如圖1所示。伺服電機12由電機支架13固定在底部橫梁8上，經(jīng)直角減速器11和齒輪組10減速后，驅動轉軸3和工作臺1旋轉，實現(xiàn)復合材料試樣旋轉送料。氣缸7由螺栓固定在底部橫梁8上，通過推出和回縮實現(xiàn)工作臺1在高溫環(huán)境箱9內部的升降移動。自動測試系統(tǒng)均選用耐高溫陶瓷軸承，使用溫度范圍寬，彈性模量高，不易因受力而導致變形，并可降低轉動時的摩擦，延長裝置整體使用壽命。

2.2 自動化測試工作流程

自動測試系統(tǒng)工作流程為：（1）當復合材料試樣壓縮實驗完成后，由導軌氣缸7推動轉軸3和工作臺1向上移動，使工作臺1脫離下壓頭。（2）伺服電機12經(jīng)過直角減速器11和齒輪組10減速后，帶動轉軸3和工作臺1旋轉，實現(xiàn)復合材料試樣換料。（3）由導軌氣缸7推動轉軸3和工作臺1向下移動，使工作臺1緊貼下壓頭，進行新的復合材料試樣的壓縮。（4）重復以上步驟，直至工作臺上本批次6個試樣全部完成測試。系統(tǒng)詳細工作流程圖如圖2所示。

上壓頭直徑為80mm，環(huán)境箱寬度為400mm，為充分保證工作臺的活動空間，工作臺與環(huán)境箱內壁間隙設置為10mm，圓形工作臺直徑取380mm，厚度取為8mm。環(huán)境箱及工作臺的具體尺寸布置如圖3所示。

工作臺設計6個工位，沿工作臺周向間隔60°均勻分布，如圖4所示，試樣設有定位槽，定位槽分布圓直徑為300mm，可實現(xiàn)復合材料試樣的定位。

3 封閉條件高溫環(huán)境溫度場建模及補償

3.1 環(huán)境箱溫度場介紹

高溫力學性能測試系統(tǒng)為封閉環(huán)境，高溫環(huán)境下的溫度控制精度對復合材料的力學性能測試有著重要的影響，直接決定測試精度及測試效率。溫度控制具有滯后性、溫度分布不均勻等特性，通過研究封閉環(huán)境下傳熱機理、溫度調節(jié)與補償技術，提高溫度場均勻性，提高加熱效率，縮短加熱時間。環(huán)境箱的溫度場建模及補償技術，主要由以下三部分構成：

（1）分析環(huán)境箱結構，建立環(huán)境箱的三維物理模型和適用于有限元分析的二維傳熱簡化模型，完成傳熱模型的離散化和網(wǎng)格劃分，通過有限元分析環(huán)境箱溫度變化。

（2）構建封閉環(huán)境中的瞬態(tài)傳熱微分方程，設置與環(huán)境箱實際熱傳導相符的邊界條件，采用Matlab-PDE工具箱通過有限元法求解微分方程，獲得環(huán)境箱中溫度場的溫度梯度及熱流矢量，揭示時變狀態(tài)下環(huán)境箱中溫升特性。

（3）根據(jù)環(huán)境箱的溫升模型設計高精度溫度控制器，引入Smith補償控制方法以加快系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)補償速度，實現(xiàn)復合材料在環(huán)境箱中溫度的精準補償及控制。

3.2 環(huán)境箱模型構建

環(huán)境箱通常由加熱模塊、保溫模塊、循環(huán)模塊和溫度監(jiān)測模塊組成。目前使用的環(huán)境箱中，加熱模塊為5KW電阻絲陣列，位于箱體后方；保溫模塊由不銹鋼箱體外壁及保溫材料構成，具有良好的保溫性能；循環(huán)模塊為箱體后方電阻絲上方的循環(huán)風扇，它引起空氣的強制對流；此環(huán)境箱中還有用于試樣測試的金屬工作臺，其金屬結構與外界連通，發(fā)生自然散熱；溫度監(jiān)測模塊布置于工作臺中，其盡可能貼近被測試樣的安裝位置，可一定程度上提高溫度測量的準確性。

抽象并簡化環(huán)境箱中發(fā)生熱量交換的主要結構，建立如圖5所示的環(huán)境箱三維物理模型。工作臺、上下壓頭及送樣機構僅保留支撐桿和圓柱形主體結構，圓角、凸臺等復雜結構均被忽略。環(huán)境箱工作時，電阻絲升溫，作為系統(tǒng)熱源實現(xiàn)環(huán)境箱內部的溫升，循環(huán)風扇促進箱體內熱空氣的流動，加速升溫過程并使溫度場中的溫度分布均勻，工作臺和保溫箱體持續(xù)向外散失熱量。

為降低計算難度，提高仿真效率，將環(huán)境箱的三維物理模型進一步簡化為如圖6所示的二維傳熱模型，此二維模型以三維模型在x-z對稱面上的投影為基礎構建，可準確反映真實的溫度場和熱量交換情況。

使用Matlab-PDE工具箱對二維模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型設置為三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為0.005m，形成二維網(wǎng)格如圖7所示，其中網(wǎng)格數(shù)為27968，節(jié)點數(shù)為56387。

至此完成環(huán)境箱模型的構建，在此模型的基礎上通過有限元方法研究環(huán)境箱的溫度分布和溫升特性，并建立相應的溫度控制及補償策略。

3.3 環(huán)境箱溫升特性研究

熱量的傳遞包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種基本形式。其中，熱傳導是物體各部分依靠分子、原子和自由電子的熱運動所產(chǎn)生的熱量傳遞，遵循傅里葉導熱定律，如公式（1）所示。

式中，q^*為熱流密度，單位為W/m²；k為導熱系數(shù)，單位為W/（m·K）；?T/?x、?T/?z分別為沿x、z方向的溫度梯度，負號表示熱流量始終指向溫度減小的方向。環(huán)境箱中熱傳導主要存在于電阻絲與附近空氣、高溫空氣與低溫空氣之間。

熱對流指固體表面與其周圍的流體之間，由于溫差存在而引起的熱量交換，對流可分為自然對流和強制對流，一般作為邊界條件施加。熱對流可用牛頓冷卻方程進行描述，如公式（2）所示。

式中，h_f為對流換熱系數(shù)，單位為W/（m²·K）；T_s為固體表面的溫度，單位為K；T_B為周圍流體的溫度，單位為K。環(huán)境箱中熱對流主要存在于空氣與工作臺、箱體外壁之間。

熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉變?yōu)闊崮艿臒崃拷粨Q過程，物體溫度越高，熱輻射越強。不同于需要傳熱介質的熱傳導和熱對流，熱輻射的進行無需任何介質。通常使用斯蒂芬-玻爾茲曼方程計算熱輻射，如公式（3）所示。

式中，Q為熱流率，單位為KW/℃；ε為輻射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10^－8W/（m²·K⁴）；A為輻射體面積，單位為m²；F為形狀系數(shù)，T₁，T₂分別為輻射體和被輻射體的熱力學溫度，單位為K。環(huán)境箱中的熱輻射主要存在于箱體外壁與外部環(huán)境之間?；谌N基本傳熱形式，可構建環(huán)境箱的溫度場函數(shù)如公式（4）所示。

式中，x、z分別為空間坐標，t為時間坐標。

根據(jù)傅里葉導熱定律和能量守恒定律得到環(huán)境箱在空間x，z方向上的二維傳熱模型，如公式（5）所示。

式中，?為環(huán)境箱電阻絲的熱源強度，單位為W/m³；k_x，k_z分別為材料沿x，z方向的導熱系數(shù)，T₀為環(huán)境箱的初始溫度。

根據(jù)對環(huán)境箱結構的分析，設置環(huán)境箱溫度場仿真中各系統(tǒng)結構的屬性及邊界條件如下：箱中空氣：密度1.293kg/m³，導熱系數(shù)0.0242W/（m·K）；工作臺及壓頭：密度7850kg/m³，導熱系數(shù)48.85W/（m·K）；電阻絲：設置溫升曲線為T=T_d·（e^-3s/5s+1）℃，進入穩(wěn)態(tài)階段后看作恒溫熱源；循環(huán)風扇：強制對流邊界條件，對流換熱系數(shù)為100W/（m²·K）；保溫箱體：熱輻射邊界條件，輻射率為0.1。

最后，在仿真中將外界環(huán)境溫度和環(huán)境箱各部分的初始溫度均設置為30℃，熱源溫度設置為200℃，時間步長設置為1s，仿真時長500s。通過Matlab-PDE工具箱和傳熱模型網(wǎng)格完成環(huán)境箱求解升溫過程中各時刻溫度場分布情況，得到的環(huán)境箱溫升過程溫度場變化情況如圖8所示。

為便于查看工作臺附近的溫度變化情況，于工作臺附近布置測溫陣列，測溫點位布置為：工作臺底部4個測點（-0.06，0.2）、（0.06，0.2）、（-0.15，0.2）、（0.15，0.2），中心位置1個測點（0，0.3），上方4個測點（-0.06，0.3）、（0.06，0.3）、（-0.15，0.3）、（0.15，0.3），依次編號為測點1-9。計算得到測點在環(huán)境箱溫升過程中的溫度變化曲線，如圖9所示。它體現(xiàn)了待測的復合材料周圍的溫度變化，是環(huán)境箱的重要性能評價指標。

由圖9可知，在溫升的仿真過程中，經(jīng)過約450s的加熱后環(huán)境箱溫度場達到穩(wěn)態(tài)，由于工作臺與環(huán)境箱體外壁等處的熱量散失，工作臺附近溫度與熱源之間存在約20℃的穩(wěn)態(tài)誤差。以九個測點溫度數(shù)據(jù)的均值為基準，使用Matlab系統(tǒng)辨識工具箱對仿真數(shù)據(jù)進行擬合，得到包含延遲環(huán)節(jié)的環(huán)境箱溫升特性模型，如公式（6）所示。

溫升模型的響應曲線與環(huán)境箱溫升仿真數(shù)據(jù)的對比如圖10所示，可見其較準確地重現(xiàn)了環(huán)境箱的溫升過程，可反應環(huán)境箱的溫升特性。

3.4 環(huán)境箱溫度控制及補償策略

通過對環(huán)境箱溫升過程中溫度場變化的仿真和工作臺附近溫度的監(jiān)測情況可知，若不進行外部調控，則環(huán)境箱溫度調整需要較長時間，調整完成后相對于熱源溫度也有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。因此，必須設計有效的控制器對環(huán)境箱溫度進行控制和補償。

工業(yè)中最常使用的控制器為PID控制器，它具有良好的魯棒性，可對絕大多數(shù)系統(tǒng)做出有效的控制^［15］，因此首先為環(huán)境箱設計PID控制器，其閉環(huán)控制結構如圖11所示。

依據(jù)環(huán)境箱溫升特性模型和實際控制效果整定PID控制器參數(shù)。設置環(huán)境箱中工作臺周圍的理想溫度為200℃，得到控制效果較好的一組參數(shù)為：K_p=2.2，K_i=0.1，K_d=2.8。PID控制器對于九個測點平均溫度的控制結果和無控制器時環(huán)境箱內溫度測點的變化情況如圖12所示。

由圖12可知，PID控制器的引入明顯加快了環(huán)境箱內的溫升過程，約390s時環(huán)境箱內溫度即滿足要求，溫度控制的穩(wěn)態(tài)誤差基本完全消除。但是，由于環(huán)境箱溫升過程中系統(tǒng)存在滯后環(huán)節(jié)，PID控制器對調溫動態(tài)過程的改善受到較大限制，溫度調節(jié)起始階段的延遲難以得到改善，并且引入PID控制器后工作臺附近的溫度出現(xiàn)了較明顯的震蕩。

為減弱滯后環(huán)節(jié)對于溫度控制的不利影響，以環(huán)境箱溫升模型為基礎，在PID控制器中引入Smith預估補償^［16］，得到的預估補償控制結構如圖13所示。

保持PID控制器參數(shù)不變，使用Smith預估補償閉環(huán)控制結構再次對環(huán)境箱進行控制實驗，此時三種控制方法的溫度變化情況如圖14所示。

可見，Smith預估補償?shù)囊胗行Ц纳屏谁h(huán)境箱的溫度控制效果，僅經(jīng)歷300s后環(huán)境箱內的溫度即滿足要求，使響應速度進一步提升，系統(tǒng)穩(wěn)定后溫度均勻度控制在2℃以內。同時，PID溫度控制中的波動得到有效抑制，溫升過程更加平穩(wěn)。因此，采用如圖13所示的環(huán)境箱溫度控制策略可實現(xiàn)復合材料在環(huán)境箱中溫度的精準補償及控制。

4 自動化測試控制系統(tǒng)設計

4.1 自動送樣測試系統(tǒng)運動學與動力學建模

自動送樣系統(tǒng)的整體結構如圖15所示，系統(tǒng)的運動機構主要包括電機驅動裝置、氣缸浮動裝置和送/取樣轉盤。氣缸浮動裝置通過電磁閥進行控制，其運動方向為軸向，利用上下機械限位限定氣缸極限位置，主要作用是減緩壓頭下壓對測試系統(tǒng)機械結構的沖擊，對驅動電機的動力傳遞影響不大，在傳動結構的運動學和動力學分析中做忽略處理。驅動裝置則用于將驅動電機的力矩傳遞至送/取樣轉盤。自動送樣系統(tǒng)的傳動結構如圖16所示。

在圖16所示的傳動結構下，驅動電機轉角與送/取樣轉盤轉角的運動學關系如公式（7）所示。

式中，q_D，q_M分別為送/取樣轉盤和驅動電機轉角，N₁為電機齒輪組的減速比。同時電機與轉盤的速度和加速度也符合此關系，如公式（8）和公式（9）所示。

式中，τ_M為電機的驅動力矩，M_M，M_D分別代表電機側、送/取樣轉盤的轉動慣量。F_M，F(xiàn)_D分別代表電機側、送/取樣轉盤的轉軸摩擦，其大小與轉速相關，具有明顯的非線性。將公式（9）帶入，可化簡測試系統(tǒng)的動力學模型如公式（11）所示。

式中，M=M_M+M_D/N₁²為測試系統(tǒng)的集總質量，F(xiàn)=F_M+F_D/N₁為測試系統(tǒng)的集總摩擦力。通過公式（11）所示的動力學模型，在各參數(shù)已知的情況下即可精確獲得期望的轉盤加速度所需的電機驅動力矩，實現(xiàn)自動化測試系統(tǒng)的精確控制。

4.2 自動測試系統(tǒng)動力學參數(shù)辨識與自適應控制

完成測試系統(tǒng)的動力學建模后，只要獲得精確的動力學參數(shù)即可精確控制送/取樣轉盤的運動軌跡。在實際應用中，由于轉盤負載的不確定性和轉軸摩擦力的高度非線性，難以預先獲取系統(tǒng)動力學參數(shù)的真值。因此，使用具有非線性擬合能力的神經(jīng)網(wǎng)絡在線辨識系統(tǒng)動力學參數(shù)，并設計自適應控制律以在自動測試系統(tǒng)中引入自適應控制，實現(xiàn)控制精度的提升。

首先將辨識網(wǎng)絡的基本結構選擇為經(jīng)典的三層神經(jīng)網(wǎng)絡結構，它具有輸入、隱藏和輸出三層結構和兩層網(wǎng)絡權值，如圖17所示。在具有足夠多節(jié)點時，此網(wǎng)絡可通過對輸入數(shù)據(jù)的加權處理和隱藏層的非線性映射，以任意精度實現(xiàn)對任意光滑連續(xù)函數(shù)的逼近^［17］。

在此基本結構的基礎上，構建自動測試系統(tǒng)動力學參數(shù)辨識的分塊神經(jīng)網(wǎng)絡結構，如圖18所示。它包含分別對位置的慣性力和摩擦力進行辨識的兩個三層子網(wǎng)絡，通過送/取樣轉盤的理想加速度及速度計算所需的驅動力矩。同時，網(wǎng)絡權值將根據(jù)計算結果與實際的偏差進行調整，以保證網(wǎng)絡的精確性。力矩計算和網(wǎng)絡權值更新的公式分別設計如公式（12）和公式（13）所示。

在神經(jīng)網(wǎng)絡對未知動力學參數(shù)辨識的基礎上，進一步設計自動測試系統(tǒng)的自適應控制方法，定義自適應控制律如公式（14）所示。

為驗證此控制方法的有效性，設計自動測試系統(tǒng)的控制實驗。實驗中使用經(jīng)典的PID控制方法作為對照，PID控制參數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制中的控制參數(shù)均經(jīng)過良好整定，實驗結果如圖19所示。

從圖19中實驗結果可以看出，在對自動測試系統(tǒng)的實際控制中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應控制方法對于理想軌跡的追蹤能力明顯強于傳統(tǒng)的PID控制方法，經(jīng)歷了短暫的參數(shù)識別過程后就幾乎與理想軌跡完全重合，而采用傳統(tǒng)的PID控制所得的軌跡與理想軌跡則存在明顯的偏差和滯后。為了更清晰的對比兩種控制方法的性能差異，進一步繪制實驗過程中的跟蹤誤差，如圖20所示。

由圖20可知，神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制在動態(tài)性能上遠優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，對軌跡的跟蹤誤差取得了更好的抑制效果，相對于傳統(tǒng)PID控制近5°的最大跟蹤誤差，神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制中最大跟蹤誤差僅不足0.5°，跟蹤誤差的收斂性明顯好于PID控制。在定位精度上，傳統(tǒng)PID控制方法的定位誤差為1°左右，神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制中最大定位誤差接近于零，定位精度更好，可以更好的滿足自動化測試要求。以上實驗結果充分說明了本設計采用的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制方法對提升復合材料自動送樣測試系統(tǒng)定位精度和軌跡跟蹤精度的有效性。

5 結語

（1）為改善目前人工操作模式下復合材料高溫力學性能實驗效率低的問題，本文設計了面向復合材料壓縮測試的自動送樣-測試-取樣多模塊測試系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的工作原理及工作流程。

（2）針對復合材料高溫力學性能測試中普遍存在的溫度場控制精度低、溫度滯后大的問題，構建了環(huán)境箱的三維物理模型和二維傳熱簡化模型，通過有限元分析得到環(huán)境箱溫升特性模型，在此基礎上設計了高精度溫度控制器，并引入Smith補償控制方法以加快系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)補償速度，實現(xiàn)了復合材料在環(huán)境箱中溫度的精準補償及控制。

（3）為提高自動化測試系統(tǒng)的控制精度和可靠性，使用神經(jīng)網(wǎng)絡重構系統(tǒng)動力學模型，完成未知動力學參數(shù)在線辨識，設計了具有強適應性、高穩(wěn)定性的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制器，并開展自動化測試系統(tǒng)的控制實驗，驗證了測試系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能。實驗結果表明，相比于傳統(tǒng)的PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制器的跟蹤精度和定位精度更高，跟蹤誤差和定位誤差均接近于零，可以更好的滿足高溫自動化測試要求。

（4）本文設計的復合材料高溫自動化力學性能測試系統(tǒng)結構簡單，測試效率高，溫度控制精度及定位精度得到極大的提高，可助力復合材料高溫力學性能自動化測試技術的進一步發(fā)展。

參 考 文 獻

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