小知识:试验机的三闭环控制介绍

合理使用控制功能

     由以上几条可以看出，要获得比较优的控制性能，在设计上，必须考虑整个系统的优化，而不仅仅是控制器的设计水平。当然好的控制器表现在一是适应范围广，二是参数尽量少。同时在使用中，控制器毕竟是一个工具，受客观规律的制约，不可能做到随心所欲。当操作者需要做闭环控制的时候，必须综合考虑各方面因素，合理使用工具：
     （1） 保证系统的稳定性。考虑闭环控制中被控制量与加载驱动机构有正相关的关系，一般位移控制和变形控制不太出现稳定性问题，问题大都出在力控制上。如果加载过程中可能会出现力值下降，或者非受控的自然起伏，就避免用力控制。
     （2） 设置适当的控制目标参数。虽然控制器给出一个可控制的范围，但是实际使用中还是不能任意设置。例如一，压缩试验，如果接触前的预紧速度过快，则过渡时间会特别长，甚至过渡到zui大载荷的一半还多。例如二，拉伸试验，如果中间需要切换速度，一般是换更快的速度。
     （3） 会简单的调试。由于负载刚度影响到整个系统的刚度，为了获得较好的性能，操作者经常要改变控制器的比例系数。一般原则是硬（刚度大）的试件用较小的比例，软试件用较大的比例系数。

        闭环控制是自动控制理论的一个基本原理，在工业上有广泛的应用。试验机的闭环控制机制因涉及反馈检测到的信号，力、变形和位移，所以称为三闭环控制，是反映试验机的一项标志性功能。在一些试验标准，例如室温金属拉伸试验标准中，对试验过程有恒速加载或者定点保持的规范性要求，人工操作是很难保证做到的，这个时候需要计算机参与下的闭环控制。

        虚线框是控制器，包括电路（测量电路和功率输出电路）和软件（控制算法），整个闭环系统还包括试验机的加载驱动机构，例如电子的伺服电机或者液压的伺服阀及油缸，和传感器，例如力传感器、电子引伸计、位移编码器等，甚至还要包括被测的试件负载。控制性能的好坏不仅仅与控制器设计有关，也与试验机的所有部件技术性能有关，所以说是一项综合技术。所谓的三闭环，每一种闭环除了传感器不同，其他都是相同的结构。

三闭环与金属拉伸

     没有一种材料试验像金属拉伸这样典型地考验控制器的三闭环功能。实际上厂家做的三闭环样机试验都是金属拉伸。具体该如何做，有另文探讨，厂家宣传的三闭环更多的指金属拉伸中如何平稳切换的问题，实质上是一种对付金属屈服现象的技巧，跟闭环原理没有关系，跟直接的说，根本就是一种具有先验知识的开环程序技巧。
     在金属拉伸试验过程中，有三个阶段需要三种闭环，作为纯粹的闭环控制，需要调整的范围不是很宽，甚至说，是比较容易实现的。更何况厂家*可以针对性地优化，例如有典型上下屈服现象的低碳钢，然后演示一段的曲线。
     评价控制器有专业的方法和专业的指标，而不仅仅是拉一根试样。真正好的控制器表现在具备随机较宽的调速范围，当切换到其他材料试验的时候，无需调整参数，仍然表现出稳定的控制性能。

如何看待控制器设计

     控制器的电路设计比较平凡，重点主要是控制软件的开发：
     （1） 不要迷信各种名称的控制算法。控制理论到今天已经发展出很多类型的控制算法，有经典控制，有现代控制，例如PID控制、模糊控制、自适应控制、智能控制、变结构控制、神经元控制等等，但是理论都是有前提的，就是被控系统可以建模，根据某个模型方程推导得到几个简单的解（注意，很多理论不可能得到全部解）。现实的系统与理论的系统是不同的，顶多是近似，所以实际控制效果要打折扣。试验机系统，例如液压式试验机，专业上讲就是一个多变量非线性时变系统，白话就是说这个系统时时刻刻都处于复杂的变化中，做到模型近似都不容易。工业上用的控制器首要目标是稳定，然后再考虑性能，因此在实践上尽可能简单可靠。
     （2） 拍脑袋算法。设计控制算法既需要本科的控制理论基础，同时还需要电机传动或者液压传动的专业基础和工程实践。现阶段试验机用的控制算法，基本上还是PID算法，然后加以变化，例如冠上“微微分控制”、“神经元控制”之类的名称，实质上压根没有理论的支持，都是凭几年的调试经验感觉加上了一些经验参数，适用面比较狭窄。
     （3） 没有的控制算法。不论哪种控制算法都是有针对性的，所谓的*控制只有在特定工况下才能实现。液压试验机的控制算法肯定是不可能适应电子试验机的，即使同一个试验机控制系统，例如在金属试验中表现好的控制算法，在塑料试验中很可能就过渡时间太长，需要调整参数。
     （4） 控制范围和精度来自测量范围和精度。全程10000码的测量精度，控制速度的范围一般就是1~200码/秒，速度检定应该是经过短暂过渡后一段时间的平均速度，理论上反正是一个码的误差，平均时间越长，速度精度越高，可以简单估算。当然保压控制的精度直接就是测量精度。
     （5） 控制频率没必要很高。试验机控制系统的频率响应瓶颈在于加载驱动机构，白话说就是惯量电机、油缸活塞反应非常慢，频率响应不会超过10Hz，所以当控制系统1秒钟控制10次，再快也没有多大的积极效果，一般20~50Hz足够。
     （6） 试验机控制有其特殊的平稳调速要求。除非特殊要求，材料试验从启动到建立速度需要一个过渡，恒速加载到保持需要一个过渡，不同控制环的切换也要求输出连续。
     （7） 不能忽视负载的影响。试验机系统的负载就是被试验的对象，由于试件材料的特殊性，在试验过程中试件的特殊变化可能影响这个系统的性能，甚至破坏系统的稳定性。常见的问题出现在力控制情况下。闭环控制采用的负反馈原理，正常情况下控制器输出正信号，通过执行机构作用到试件，应该得到试验力的增长（前向正相关，闭环才是负反馈）。如果出现金属的屈服、夹持机构的滑移、材料的异常松弛等，整个闭环就成为正反馈而导致系统失稳。不能指望任何一种控制算法能有效处理这种情况。


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