材料试验机力控制系统设计

优秀设计第一章绪论1.1研究的目的和意义材料试验机在开发新材料和材料质量控制领域的应用越来越广泛，作为大型精密仪器，对它的控制精确性、智能性及人机交互便利性都提出了很高的要求。

然而，目前的材料试验机发展不完善，还存在各种问题。

第一，针对试验过程中，负载刚度变化，怎样找到科学合理的解决办法，在能得到负载力学性能参数的基础上，确保控制系统的精确性；第二，针对不同的试验对象以及试验标准，研制能够自动控制完成试验过程，并具有良好人机界面的试验机；第三，控制系统中的问题，比如电液比例控制系统的不确定性，它的系统参数具有高维、时变、模糊、非线性等特点，试验机本身要满足控制多项性能指标的苛刻要求。

常规的控制方法不能满足这些苛刻的要求，需要研制常规方法和智能控制方法相结合的控制系统。

第四，建立物理和数学模型时的误差问题。

论文针对目前试验机存在的各种问题，以电液比例控制液压万能材料试验机系统为对象，进行了深入探讨和研究。

1.2国内外研究现状和发展材料试验机是一种施力装置或者力控制系统。

主要是用来测试各种材料在不同条件下的物理机械性能、工艺性能、抗震强度及内外结构缺陷的重要科学测试仪器。

当今国内外市场上存在的试验机主要可分为三大类：电液伺服控制材料试验机、电液比例控制材料试验机、电子式万能试验机。

最初的自动控制液压材料试验机采用电液伺服阀构成控制系统，这类试验机采用大流量的伺服阀系统，其功率消耗大、装备复杂、费用昂贵，此外，抗污染能力差，传动液压油受到污染后系统将不能正常工作。

针对电液伺服控制中存在的各种问题，电液比例控制技术被应用于材料试验机。

比例阀以传统的工业液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟电-机械转换器和与之相应的阀内设计，对油质要求与一般工业阀相同，其阀内压力损失低，性能又能满足大部分工程测试业要求的比例控制元件。

近年来出现了一种性能和价格介于伺服阀和普通比例阀之间的控制阀—高性能电液比例方向阀，它具有传统比例阀的特征，采用比例电磁铁作为电-机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零遮盖阀口，对油液清洁度要求低于电液伺服阀，而它的控制性能已经与普通电液伺服阀相当，能大幅提高控制性能。

随着电液伺服技术、电液比例技术、微电子技术、计算机技术及现代控制技术的飞速发展，国内外试验机生产厂商都积极研发具有恒加载速率、恒应变速率、恒位移速率控制特点的试验机。

20世纪80年代末，济南试验机厂和日本岛津公司合资生产了WAW-500型试验机。

其采用电液伺服阀，试验范围大，具有恒加载速率、恒应变速率、恒位移速率控制等特点，可高效率高精度地自动完成试验过程，描绘出试验曲线，并对结果进行处理和打印、记录，还有故障自我诊断功能和人机对话功能，是比较先进的液压万能试验机。

1.2.1国内外研究现状国内液压试验机从五十年末开始，仿制并大批生产了德国申克公司的手动控制的UPM系列液压万能试验机。

如国内各试验机厂生产的WE系列万能机、YA 系列压力机。

它采用手动控制系统，主要特点是手动加载、卸载，摆锤测力、度盘显示，如图1.1所示。

这种设备测量范围小，精度低，对变形及位移不能等速率控制，加上摆锤的惯性误差等的影响，国家己经开始逐步限制这类试验机进入市场。

但由于这种试验机价格低廉、维护方便，目前，这两种试验机仍占相当大的市场。

图1.1 手动式液压万能试验机图1.2 数显式液压万能试验机为了提高测量精度，消除摆锤对测量精度的影响，一些试验机厂家以电子测力代替杠杆摆锤测力，如图1.2所示。

这类试验机只在测力系统和数据显示方面作了改进，大多以单片机作为数据采集和处理系统，在长期可靠性方面存在不少问题，在控制系统方面存在不少缺陷，无法实现等速控制。

长春试验机研究所生产的WAW系列微机控制液压万能试验机，其测量范围可达6档，具有等速控制试验方式及专门为金属拉伸试验设计的试验方式，但采用模拟放大器，继电器自动换档，不能实现各档之间的平滑切换，可靠性比较差。

同时，国内试验机厂也积极与国外著名试验机公司合作联合开发自动控制液压万能试验机，济南试验机厂引进日本岛津技术开发WAW-Y系列微机控制电液伺服万能试验机，上海华龙测试仪器厂引进德国DOLI公司技术生产的WAW系列微机控制电液伺服万能试验机，这些试验机虽然能实现闭环控制，但存在各种控制方式不能灵活组合，控制性能难以适应材料刚度的变化，调试和使用复杂，适用范围不广，而且因价格昂贵难以被国内大部分企业所接受。

国外著名的试验机生产厂商主要有四个：美国的MTS公司，英国的INSTRON，德国的申克公司和日本的岛津公司。

日本岛津公司生产的UDH系列试验机，如图1.3所示。

它可进行自动和手动两种操作，具有计算机控制和数据处理功能，其系列性能好，机种覆盖广，缺点是自动化程度低。

德国申克公司的UPM液压万能试验机控制原理是由速度控制器控制力矩电机进而带动压力控制阀施加压力，具备计算机处理和控制功能，是一种较传统的控制方式。

美国MTS 公司生产的NEW810系列主机采用318系列，主要特点在伺服液压缸上，液压缸滑动表面，用非金属喷涂处理，实现较小阻尼。

电控系统有MTS TEST STAR 试验系统和MTS TEST LINK试验系统，TEST STAR计算机参与控制，P、I、D 参数给定，TEST LINK可以连接计算机，进行数据处理，但在非线性区没有良好的控制能力，控制方式平滑切换装置不够理想。

英国Instron公司生产的1190系列、1100系列和日本岛津生产的Dss系列和AG-A系列，由于引入了各种功能附件及计算机，其功能、可靠性、测试精度大大提高。

20世纪末21世纪初，Instron公司研制的5500系列电子试验机采用Windows操作系统和Morlin标准软件以及数字信号处理(DSP)技术，其性能得到进一步增强。

图1.4为英国英斯特朗公司生产的HTV液压万能试验机。

由于这些试验机的量程小，价格昂贵，在国内应用较少。

图1.3日本岛津UH-l-Fl液压万能试验机图1.4 英国英斯特朗HTV液压万能试验机在材料试验机电控系统的控制策略方面，人们已经做了一些研究。

神经网络因它具有学习任意非线性关系的能力和容许大量输入的并行信息处理方式，为试验机这样的复杂非线性和不确定性系统的控制开辟了一条新途径，但是由于神经网络控制实时性差，目前较少用于实际工业控制过程。

以模拟人的控制行为作为出发点的智能控制方法，在上世纪末取得了长足进步，可拓学与控制论的结合，产生了一种新型的智能控制方法--可拓智能控制方法，并将它应用于试验机上，取得了良好控制效果。

1.2.2国内外发展材料试验机是典型的非线性、微小流量系统，材料试验机液压系统与一般液压系统工况不同，其主要工作在微小流量领域，一般最大系统流量仅为4.2L，正常工作流量主要在几十毫升至几百毫升之间，此时，油缸活塞摩m in擦力的大小、油泵的流量、系统的油液泄漏等因素，将对系统产生较大的影响，系统存在着严重的非线性。

因此有必要研制更智能有效的控制系统，以解决由于非线性而产生的控制不精确的问题。

电液比例控制技术以其低廉的价格、高可靠性及抗污染能力强等特性，在液压控制领域得到广泛应用。

电液比例控制系统的发展趋势应该是可以把电液比例换向阀、手动调节阀、背压阀、安全阀及溢流阀、压差阀等多个阀控机构集中在一个比例阀组上，做到结构紧凑、体积小，同时要尽量降低成本，并且使调试及维修方便，易于推广。

新型的材料试验机还应具有极高的测量精度，试验机是一种大型仪器仪表设备，它的测量结果作为产品设计及生产控制的主要依据，因此对试验结果的可靠性、准确性都提出了越来越高的要求。

测量精度主要与传感器的精度、放大器的性能及油缸活塞的摩擦力大小等斟数有关。

先进的万能材料试验机的另一个特点便是由计算机全自动控制，能方便快捷的实现等速控制，价格低廉，能实现各档的平滑切换，各种控制方式的灵活组合，适应试样刚度的变化，抗污染能力强，能耗低，功能强大，能模拟各种条件测试各种材料的性能，在负载刚度变化状况下，照样能精确测得材料性能。

此外，集多种试验方式于一身，如拉伸、弯曲、压缩、剪切试验外，还有组合应力试验、应力保持试验、低周疲劳试验等，真正实现万能试验机的多功能特性。

1.3拉伸试验的负载分析以低碳钢拉伸试验得到的应力σ—应变ε曲线为例如图1.5所示，分析材料拉伸时所表现出的力学性质。

图1.5 拉伸试验的应力σ一应变ε曲线注：图中应力0S F =σ，F 为拉力，0S 为试样原始横截面积；应变0L l ∆=ε，l ∆为试样伸长，0L 为试样原始标距。

拉伸开始阶段OA 为一条斜直线，应力σ与应变ε成正比，将其斜率表示如下εσα==tg E ，得：εσE = 此式即为虎克定律。

由此可见，当应力一定时，材料的E 越大，应变ε越小；E 值越小，应变ε越大，因此，E 值表征了材料对弹性形变的抵抗能力，它是材料的刚性指标，称E 为材料的弹性模量。

当应力达到A 点时，材料开始非比例伸长，称A 点为比例极限或弹性极限，以e σ表示，若在此点卸载拉力，试样便停止变形。

因此，虎克定律可以表述如下：当应力不超过弹性极限e σ时，材料的应力σ与应变ε成正比，并将遵守虎克定律的材料称为线性弹性材料。

当应力超过弹性极限后，曲线明显变弯，如图1.5中的AC 段，材料在这一阶段，应力几乎不变的情况下，仍然继续变形，对变形失去了抵抗能力，此阶段称为屈服阶段。

材料在屈服阶段中的最大应力点，即B 点，称为上屈服点，用sU σ表示；排除屈服阶段刚开始时出现的第一个最小应力点，即忽略初始瞬时效应，以后出现的最小应力点称为下屈服点，用sL σ表示；若取屈服阶段应力的平均值s σ，称其为屈服点。

下屈服点sL σ是材料重要的强度指标，因为当应力达到它所对应的值时，材料就会产生塑性变形，因此也称之为屈服极限。

当材料所受应力超过屈服极限后，将影响构件的正常工作，这在工程上是不允许的。

屈服阶段AC 结束后，曲线开始上升，这表明材料又恢复了抵抗形变能力，此阶段称为材料的强化阶段，如图中CH 阶段。

H 点的应力值是强化阶段中的最高应力值，称之为强度极限，以b σ表示，在强化阶段以塑性变形为主，且比弹性阶段变形大得多。

当材料应力达到强度极限b σ时，在试件某处其横向尺寸显著缩小，形成细颈，此现象称为“颈缩”。

此时得变形集中在细颈附件，相应得横截面积随之收缩，因而使试件变形所需的拉力减少，曲线由H 点急剧下降，达到K 点时，试件在细颈处被拉断。

这一阶段HK 被称为颈缩阶段(或称局部变形阶段)。

强度极限也是材料的又一重要指标，当材料应力达到强度极限时，就标志着断裂即将到来。

试件断裂后，变形中的弹性变形(如图1.5中的1OG 段)消失，而塑性变形(如图1.5中的OG 段)保留下来，为了确定塑性变形的程度，引入%1001⨯-=l l l δ 式中：l 是试件原始标距长度，1l 为断后对接得到的试件标距长度。