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一. 電子試驗(yàn)機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)概述
閉環(huán)控制是自動(dòng)控制理論的一個(gè)基本原理，在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。試驗(yàn)機(jī)的閉環(huán)控制機(jī)制因涉及反饋檢測(cè)到的信號(hào)，力、變形和位移，所以稱(chēng)為三閉環(huán)控制，是反映試驗(yàn)機(jī)的一項(xiàng)標(biāo)志性功能。在一些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，例如室溫金屬拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程有恒速加載或者定點(diǎn)保持的規(guī)范性要求，人工操作是很難保證做到的，這個(gè)時(shí)候需要計(jì)算機(jī)參與下的閉環(huán)控制。
三閉環(huán)控制是電子試驗(yàn)機(jī)的一項(xiàng)綜合技術(shù)

上圖是閉環(huán)控制的原理示意圖，虛線框是控制器，包括電路（測(cè)量電路和功率輸出電路）和軟件（控制算法），整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)還包括試驗(yàn)機(jī)的加載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如電子的伺服電機(jī)或者液壓的伺服閥及油缸，和傳感器，例如力傳感器、電子引伸計(jì)、位移編碼器等，甚至還要包括被測(cè)的試件負(fù)載?？刂菩阅艿暮脡牟粌H僅與控制器設(shè)計(jì)有關(guān)，也與試驗(yàn)機(jī)的所有部件技術(shù)性能有關(guān)，所以說(shuō)是一項(xiàng)綜合技術(shù)。所謂的三閉環(huán)，每一種閉環(huán)除了傳感器不同，其他都是相同的結(jié)構(gòu)。
二. 如何看待電子試驗(yàn)機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)
控制器的電路設(shè)計(jì)比較平凡，重點(diǎn)主要是控制軟件的開(kāi)發(fā)：
    （1）不要迷信各種名稱(chēng)的控制算法。控制理論到今天已經(jīng)發(fā)展出很多類(lèi)型的控制算法，有經(jīng)典控制，有現(xiàn)代控制，例如PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、智能控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)元控制等等，但是理論都是有前提的，就是被控系統(tǒng)可以建模，根據(jù)某個(gè)模型方程推導(dǎo)得到幾個(gè)簡(jiǎn)單的解（注意，很多理論不可能得到全部解）?，F(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)與理論的系統(tǒng)是不同的，頂多是近似，所以實(shí)際控制效果要打折扣。試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，例如液壓式試驗(yàn)機(jī)，專(zhuān)業(yè)上講就是一個(gè)多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)，白話就是說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)時(shí)刻刻都處于復(fù)雜的變化中，做到模型近似都不容易。工業(yè)上用的控制器首要目標(biāo)是穩(wěn)定，然后再考慮性能，因此在實(shí)踐上盡可能簡(jiǎn)單可靠。
    （2）拍腦袋算法。設(shè)計(jì)控制算法既需要本科的控制理論基礎(chǔ)，同時(shí)還需要電機(jī)傳動(dòng)或者液壓傳動(dòng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和工程實(shí)踐。現(xiàn)階段試驗(yàn)機(jī)用的控制算法，基本上還是PID算法，然后加以變化，例如冠上“微微分控制”、“神經(jīng)元控制”之類(lèi)的名稱(chēng)，實(shí)質(zhì)上壓根沒(méi)有理論的支持，都是憑幾年的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)加上了一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，適用面比較狹窄。
    （3）沒(méi)有的控制算法。不論哪種控制算法都是有針對(duì)性的，所謂的*控制只有在特定工況下才能實(shí)現(xiàn)。液壓試驗(yàn)機(jī)的控制算法肯定是不可能適應(yīng)電子試驗(yàn)機(jī)的，即使同一個(gè)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，例如在金屬試驗(yàn)中表現(xiàn)好的控制算法，在塑料試驗(yàn)中很可能就過(guò)渡時(shí)間太長(zhǎng)，需要調(diào)整參數(shù)。
    （4）控制范圍和精度來(lái)自測(cè)量范圍和精度。全程10000碼的測(cè)量精度，控制速度的范圍一般就是1～200碼/秒，速度檢定應(yīng)該是經(jīng)過(guò)短暫過(guò)渡后一段時(shí)間的平均速度，理論上反正是一個(gè)碼的誤差，平均時(shí)間越長(zhǎng)，速度精度越高，可以簡(jiǎn)單估算。當(dāng)然保壓控制的精度直接就是測(cè)量精度。
    （5）控制頻率沒(méi)必要很高。試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)瓶頸在于加載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，白話說(shuō)就是慣量電機(jī)、油缸活塞反應(yīng)非常慢，頻率響應(yīng)不會(huì)超過(guò)10Hz，所以當(dāng)控制系統(tǒng)1秒鐘控制10次，再快也沒(méi)有多大的積極效果，一般20～50Hz足夠。
    （6）試驗(yàn)機(jī)控制有其特殊的平穩(wěn)調(diào)速要求。除非特殊要求，材料試驗(yàn)從啟動(dòng)到建立速度需要一個(gè)過(guò)渡，恒速加載到保持需要一個(gè)過(guò)渡，不同控制環(huán)的切換也要求輸出連續(xù)。
    （7）不能忽視負(fù)載的影響。試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載就是被試驗(yàn)的對(duì)象，由于試件材料的特殊性，在試驗(yàn)過(guò)程中試件的特殊變化可能影響這個(gè)系統(tǒng)的性能，甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常見(jiàn)的問(wèn)題出現(xiàn)在力控制情況下。閉環(huán)控制采用的負(fù)反饋原理，正常情況下控制器輸出正信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用到試件，應(yīng)該得到試驗(yàn)力的增長(zhǎng)（前向正相關(guān)，閉環(huán)才是負(fù)反饋）。如果出現(xiàn)金屬的屈服、夾持機(jī)構(gòu)的滑移、材料的異常松弛等，整個(gè)閉環(huán)就成為正反饋而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。不能指望任何一種控制算法能有效處理這種情況。
三. 合理使用電子試驗(yàn)機(jī)三閉環(huán)的控制功能
由以上幾條可以看出，要獲得比較優(yōu)的控制性能，在設(shè)計(jì)上，必須考慮整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化，而不僅僅是控制器的設(shè)計(jì)水平。當(dāng)然好的控制器表現(xiàn)在一是適應(yīng)范圍廣，二是參數(shù)盡量少。同時(shí)在使用中，控制器畢竟是一個(gè)工具，受客觀規(guī)律的制約，不可能做到隨心所欲。當(dāng)操作者需要做閉環(huán)控制的時(shí)候，必須綜合考慮各方面因素，合理使用工具：
    （1）保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？紤]閉環(huán)控制中被控制量與加載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有正相關(guān)的關(guān)系，一般位移控制和變形控制不太出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題，問(wèn)題大都出在力控制上。如果加載過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)力值下降，或者非受控的自然起伏，就避免用力控制。
    （2）設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂颇繕?biāo)參數(shù)。雖然控制器給出一個(gè)可控制的范圍，但是實(shí)際使用中還是不能任意設(shè)置。例如一，壓縮試驗(yàn)，如果接觸前的預(yù)緊速度過(guò)快，則過(guò)渡時(shí)間會(huì)特別長(zhǎng)，甚至過(guò)渡到zui大載荷的一半還多。例如二，拉伸試驗(yàn)，如果中間需要切換速度，一般是換更快的速度。
    （3）會(huì)簡(jiǎn)單的調(diào)試。由于負(fù)載剛度影響到整個(gè)系統(tǒng)的剛度，為了獲得較好的性能，操作者經(jīng)常要改變控制器的比例系數(shù)。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系數(shù)。
四. 電子試驗(yàn)機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)與金屬拉伸
沒(méi)有一種材料試驗(yàn)像金屬拉伸這樣典型地考驗(yàn)控制器的三閉環(huán)功能。實(shí)際上廠家做的三閉環(huán)樣機(jī)試驗(yàn)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(huán)更多的指金屬拉伸中如何平穩(wěn)切換的問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上是一種對(duì)付金屬屈服現(xiàn)象的技巧，跟閉環(huán)原理沒(méi)有關(guān)系，跟直接的說(shuō)，根本就是一種具有先驗(yàn)知識(shí)的開(kāi)環(huán)程序技巧。
    在金屬拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，有三個(gè)階段需要三種閉環(huán)，作為純粹的閉環(huán)控制，需要調(diào)整的范圍不是很寬，甚至說(shuō)，是比較容易實(shí)現(xiàn)的。更何況廠家*可以針對(duì)性地優(yōu)化，例如有典型上下屈服現(xiàn)象的低碳鋼，然后演示一段的曲線。
    評(píng)價(jià)控制器有專(zhuān)業(yè)的方法和專(zhuān)業(yè)的指標(biāo)，而不僅僅是拉一根試樣。真正好的控制器表現(xiàn)在具備隨機(jī)較寬的調(diào)速范圍，當(dāng)切換到其他材料試驗(yàn)的時(shí)候，無(wú)需調(diào)整參數(shù)，仍然表現(xiàn)出穩(wěn)定的控制性能。
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