电液伺服疲劳试验机负载刚度自适应模型研究

　　引　言

　　电液伺服疲劳试验机使用方便、可靠性好、频率范围适中,在研究材料的力学性能、模拟零件、部件甚至整机在使用状态下的力学特性等方面发挥着重要作用[1-3]。由于试件在材质、规格尺寸等方面表现出的多样性,试验机在对不同试件试验时的控制系统的数学模型是变化的。如果忽略这个变化,按照定常系统对其实施控制,很难达到理想的控制效果。有些学者提出应用现代控制理论(诸如智能控制、自适应控制和神经网络技术等)方法来解决这一问题[4-9],但疲劳试验机的工作频率较高(一般在0.1～100 Hz之间),由于算法计算时间与计算机控制系统资源之间的矛盾,使得许多算法复杂,计算量大的先进控制方法在电液伺服疲劳试验机上并未得到广泛应用。目前,电液伺服疲劳试验机生产厂家仍广泛采用算法简单、计算速度快的PID类控制算法。有的试验机产品(如长春试验机研究所生产的PLS系列)允许用户手工修改PID控制器参数,以适应试件刚度的变化。

　　如果在试验进行前首先测量出试件的刚度(或系统负载刚度),然后按照某一模型计算出较优良的PID参数,并用新的PID参数对试验机进行控制,无疑会大大方便用户的使用。本文在大量试验的基础上,研究了负载刚度与PID控制器参数最优设定值之间的关系,建立了二者之间的数学模型,并实际应　用于某100 kN电液伺服疲劳试验机的控制过程中,取得了预期的效果。

　　1　试验条件

　　1.1　试件的制备

　　为了用试验的方法找出PID控制器参数(KP,TI,TD)与试样刚度(Km)之间的对应关系,准备了大量刚度各异的试样。试件材质为普碳钢,其质量分数为:C占0.44%,Si占0.22%,Mn占0.66%,Cr占0.15%,P<0.022%,S<0.029%。被加工成单轴实心圆棒试样,如图1所示。

　　1.2　试验用设备

　　采用长春试验机研究所生产的PLS-100型电液伺服疲劳试验机主机,控制系统采用自行开发的FTM-100型疲劳试验机全数字智能控制系统。主要技术指标如下:最大静负荷为±100 kN;最大动负荷为±80 kN;测量精度(负荷、变形、位移)为±1%　示值;试验波形分别为正弦波、三角波、方波、组合波等。

　　控制器内环为增量式数字PID控制算法,可用下述传递函数描述

　　为了保证系统的稳定性,其初始值按照刚度较大的试样(正常试验时所采用的试样刚度不会超出这个值)设定,本文取(0.09,0.1,0.006)。

　　1.3　负载刚度的测量方法

　　电液伺服疲劳试验机的负载刚度由上横梁刚度、负荷传感器刚度、上卡具刚度、试件刚度、下卡具刚度、下横梁刚度、液压缸刚度、立柱刚度等部分组成。对于一台具体的试验机而言,除试件刚度外,其余各部分的刚度都是固定不变的,而且试件的刚度远远小于其他各部分的刚度,试验机的负载刚度主要由试件的刚度决定[10]。