>解讀電子萬能試驗機的三閉環控制系統

JPL電子萬能試驗機採用伺服電機及伺服調整系統│✘， 先進的晶片整合技術和專業設計的資料採集放大和過程控制系統•☁·。本機適用於各種金屬與非金屬材料的各項力學效能指標的測試•☁·。控制軟體能實現自動求取彈性模量↟│·✘◕、屈服強度↟│·✘◕、抗拉強度↟│·✘◕、斷裂強度↟│·✘◕、試樣延伸率↟│·✘◕、斷面收縮率等常規資料│✘，能自動計算試驗過程中任一定點的力↟│·✘◕、應力↟│·✘◕、位移等資料結果•☁·。計算機控制系統對試驗過程的控制和資料處理符合相應金屬材料與非金屬材料國家標準的要求•☁·。 微機試驗機廣泛應用於橡膠↟│·✘◕、塑膠↟│·✘◕、皮革↟│·✘◕、電線電纜↟│·✘◕、織物↟│·✘◕、纖維↟│·✘◕、紙類↟│·✘◕、薄膜↟│·✘◕、簾線↟│·✘◕、帆布↟│·✘◕、無紡布↟│·✘◕、鋼絲等金屬↟│·✘◕、非金屬材料的拉伸↟│·✘◕、壓縮↟│·✘◕、彎曲↟│·✘◕、剪下撕裂↟│·✘◕、剝離↟│·✘◕、粘合力等試驗•☁·。技術先進│✘，自動化程度高•☁·。

一↟│·✘◕、電子萬能試驗機三閉環控制系統概述

閉環控制是自動控制理論的一個基本原理│✘，在工業上有廣泛的應用•☁·。萬能試驗機的閉環控制機制因涉及反饋檢測到的訊號│✘，力↟│·✘◕、變形和位移│✘，所以稱為三閉環控制│✘，是反映萬能試驗機的一項標誌性功能•☁·。在一些試驗標準│✘，例如室溫金屬拉伸試驗標準中│✘，對試驗過程有恆速載入或者定點保持的規範性要求│✘，人工操作是很難保證做到的│✘，這個時候需要計算機參與下的閉環控制•☁·。

三閉環控制是電子萬能試驗機的一項綜合技術

上圖是閉環控制的原理示意圖│✘，虛線框是控制器│✘，包括電路（測量電路和功率輸出電路）和軟體（控制演算法）│✘，整個閉環系統還包括試驗機的載入驅動機構│✘，例如電子萬能的伺服電機或者液壓萬能的伺服閥及油缸│✘，和感測器│✘，例如力感測器↟│·✘◕、電子引伸計↟│·✘◕、位移編碼器等│✘，甚至還要包括被測的試件負載•☁·。控制性能的好壞不僅僅與控制器設計有關│✘，也與試驗機的所有部件技術性能有關│✘，所以說是一項綜合技術•☁·。所謂的三閉環│✘，每一種閉環除了感測器不同│✘，其他都是相同的結構•☁·。

二. 如何看待電子萬能試驗機三閉環控制系統中控制器的設計

控制器的電路設計比較平凡│✘，重點主要是控制軟體的開發✘◕·↟：

（1）不要迷信各種名稱的控制演算法•☁·。控制理論到今天已經發展出很多型別的控制演算法│✘，有經典控制│✘，有現代控制│✘，例如PID控制↟│·✘◕、模糊控制↟│·✘◕、自適應控制↟│·✘◕、智慧控制↟│·✘◕、變結構控制↟│·✘◕、神經元控制等等│✘，但是理論都是有前提的│✘，就是被控系統可以建模│✘，根據某個模型方程推導得到幾個簡單的解（注意│✘，很多理論不可能得到全部解）•☁·。現實的系統與理論的系統是不同的│✘，頂多是近似│✘，所以實際控制效果要打折扣•☁·。試驗機系統│✘，例如液壓式試驗機│✘，專業上講就是一個多變數非線性時變系統│✘，白話就是說這個系統時時刻刻都處於複雜的變化中│✘，做到模型近似都不容易•☁·。工業上用的控制器首要目標是穩定│✘，然後再考慮效能│✘，因此在實踐上儘可能簡單可靠•☁·。

（2）拍腦袋演算法•☁·。設計控制演算法既需要本科的控制理論基礎│✘，同時還需要電機傳動或者液壓傳動的專業基礎和工程實踐•☁·。現階段試驗機用的控制演算法│✘，基本上還是PID演算法│✘，然後加以變化│✘，例如冠上“微微分控制”↟│·✘◕、“神經元控制”之類的名稱│✘，實質上壓根沒有理論的支援│✘，都是憑几年的除錯經驗感覺加上了一些經驗引數│✘，適用面比較狹窄•☁·。

（3）沒有萬能的控制演算法•☁·。不論哪種控制演算法都是有針對性的│✘，所謂的最優控制只有在特定工況下才能實現•☁·。液壓試驗機的控制演算法肯定是不可能適應電子萬能試驗機的│✘，即使同一個試驗機控制系統│✘，例如在金屬試驗中表現好的控制演算法│✘，在塑膠試驗中很可能就過渡時間太長│✘，需要調整引數•☁·。

（4）控制範圍和精度來自測量範圍和精度•☁·。全程10000碼的測量精度│✘，控制速度的範圍一般就是1～200碼/秒│✘，速度檢定應該是經過短暫過渡後一段時間的平均速度│✘，理論上反正是一個碼的誤差│✘，平均時間越長│✘，速度精度越高│✘，可以簡單估算•☁·。當然保壓控制的精度直接就是測量精度•☁·。

（5）控制頻率沒必要很高•☁·。試驗機控制系統的頻率響應瓶頸在於載入驅動機構│✘，白話說就是慣量電機↟│·✘◕、油缸活塞反應非常慢│✘，頻率響應不會超過10Hz│✘，所以當控制系統1秒鐘控制10次│✘，再快也沒有多大的積極效果│✘，一般20～50Hz足夠•☁·。

（6）試驗機控制有其特殊的平穩調速要求•☁·。除非特殊要求│✘，材料試驗從啟動到建立指定速度需要一個過渡│✘，恆速載入到保持需要一個過渡│✘，不同控制環的切換也要求輸出連續•☁·。

（7）不能忽視負載的影響•☁·。試驗機系統的負載就是被試驗的物件│✘，由於試件材料的特殊性│✘，在試驗過程中試件的特殊變化可能影響這個系統的效能│✘，甚至破壞系統的穩定性•☁·。常見的問題出現在力控制情況下•☁·。閉環控制採用的負反饋原理│✘，正常情況下控制器輸出正訊號│✘，透過執行機構作用到試件│✘，應該得到試驗力的增長（前向正相關│✘，閉環才是負反饋）•☁·。如果出現金屬的屈服↟│·✘◕、夾持機構的滑移↟│·✘◕、材料的異常鬆弛等│✘，整個閉環就成為正反饋而導致系統失穩•☁·。不能指望任何一種控制演算法能有效處理這種情況•☁·。

三. 合理使用電子萬能試驗機三閉環的控制功能

由以上幾條可以看出│✘，要獲得比較優的控制性能│✘，在設計上│✘，必須考慮整個系統的最佳化│✘，而不僅僅是控制器的設計水平•☁·。當然好的控制器表現在一是適應範圍廣│✘，二是引數儘量少•☁·。同時在使用中│✘，控制器畢竟是一個工具│✘，受客觀規律的制約│✘，不可能做到隨心所欲•☁·。當操作者需要做閉環控制的時候│✘，必須綜合考慮各方面因素│✘，合理使用工具✘◕·↟：

（1）保證系統的穩定性•☁·。考慮閉環控制中被控制量與載入驅動機構有正相關的關係│✘，一般位移控制和變形控制不太出現穩定性問題│✘，問題大都出在力控制上•☁·。如果載入過程中可能會出現力值下降│✘，或者非受控的自然起伏│✘，就避免用力控制•☁·。

（2）設定適當的控制目標引數•☁·。雖然控制器給出一個可控制的範圍│✘，但是實際使用中還是不能任意設定•☁·。例如一│✘，壓縮試驗│✘，如果接觸前的預緊速度過快│✘，則過渡時間會特別長│✘，甚至過渡到最大載荷的一半還多•☁·。例如二│✘，拉伸試驗│✘，如果中間需要切換速度│✘，一般是換更快的速度•☁·。

（3）會簡單的除錯•☁·。由於負載剛度影響到整個系統的剛度│✘，為了獲得較好的效能│✘，操作者經常要改變控制器的比例係數•☁·。一般原則是硬（剛度大）的試件用較小的比例│✘，軟試件用較大的比例係數•☁·。

四↟│·✘◕、電子萬能試驗機閉環控制系統與金屬拉伸

沒有一種材料試驗像金屬拉伸這樣典型地考驗控制器的三閉環功能•☁·。實際上廠家做的三閉環樣機試驗都是金屬拉伸•☁·。具體該如何做│✘，有另文探討│✘，廠家宣傳的三閉環更多的指金屬拉伸中如何平穩切換的問題│✘，實質上是一種對付金屬屈服現象的技巧│✘，跟閉環原理沒有關係│✘，跟直接的說│✘，根本就是一種具有先驗知識的開環程式技巧•☁·。

在金屬拉伸試驗過程中│✘，有三個階段需要三種閉環│✘，作為純粹的閉環控制│✘，需要調整的範圍不是很寬│✘，甚至說│✘，是比較容易實現的•☁·。更何況廠家完全可以針對性地最佳化│✘，例如有典型上下屈服現象的低碳鋼│✘，然後演示一段完美的曲線•☁·。

評價控制器有專業的方法和專業的指標│✘，而不僅僅是拉一根試樣•☁·。真正好的控制器表現在具備隨機較寬的調速範圍│✘，當切換到其他材料試驗的時候│✘，無需調整引數│✘，仍然表現出穩定的控制性能•☁·。