电液伺服疲劳试验机的计算机控制研究

　　1　引　　言

　　电液伺服疲劳试验机作为测试材料、构件乃至整机疲劳寿命的设备,因输出功率大、频率范围适当、动态响应快等特点,在航空航天、车辆、船舶、建筑、机械等领域,一直被广泛的应用与研究[1]。90年代初,国外试验机行业知名的几大公司,均已推出其代表性的数字控制疲劳试验系统,完成了模控技术向数控技术的转化。推出的控制系统实现了仪器虚拟、人工智能、组态模块以及网络连接等功能,为国际疲劳技术的研究与发展做出了贡献。国内电液伺服疲劳试验机的起步较晚,技术贮备与综合研究水平远远落后。因此充分利用当代计算机技术,尤其是计算机控制技术的研究成果,研究制造数字控制疲劳试验设备,符合国际试验机研究发展方向。

　　本文在分析综合大量文献的基础上,进行了计算机控制技术应用于电液伺服疲劳试验机上的研究,开发研制了实用性良好的多功能计算机伺服控制器。并针对疲劳试验机的特殊要求,对控制器的方案选择、控制策略及相应的实现原理进行了重点描述。

　　2　控制器方案选择

　　计算机控制的电液伺服疲劳试验机可用图1所示的方框图表示。图中1所示的控制器部分,国内外制造厂商与研究者通常采用上下位机,即主从CPU结构。上位机一般采用个人计算机,软件平台以Windows95、NT或DOS为主,完成交互式用户界面,如定义试验谱、设置闭环控制参数、试验过程监控、实时显示试验波形以及数据存贮打印等。下位机的型式多种多样,有采用PC104模块的,有直接采用工控机主机的,也有采用以Intel80x86芯片为核心的自制计算机系统或单片机系统的。主要完成实时闭环控制算法(以PID算法居多)、高速数据采集、信号发生、控制输出以及与上位机进行高速数据通讯等。由于该类试验机主要用于动态疲劳试验,对数据传输速率有着较高的要求,因此各类下位机与上位机的通讯接口通常采用传输速率较高的并行口、GBIP接口以及以太网卡等。这种控制器易组成分布式集散计算机控制系统,特别适合于电液伺服多通道协调加载系统作为控制器使用。目前,从国内疲劳试验机的市场情况来,需求量较大的一般为材料研究、汽车、船舶以及航空航天等行业。这些行业对多通道协调加载试验系统有一定的需求,但需求量不大。需求量较大的试验设备是各类单通道的材料以及构件疲劳试验机。为此笔者提出以工业PC机直接作为控制器,辅以必要的外围电路的单CPU结构方案。

　　该方案利用计算机现有的系统资源,使用商品化AD/DA等卡板,以Windows 98为软件平台,通过VXDs编程技术实现疲劳试验波形加载系统要求的高速数据采集与实时闭环控制。并采用C++Builder语言实现可视化用户接口界面,单CPU完成疲劳试验机所要求的全部控制器功能。与上下位机结构比较,具有构成简单、系统资源利用充分、成本低、用户易于理解等特点。在目前国内基础工业,尤其是电气工艺水平相对落后的情况下,其可靠性、开发研制速度以及升级能力等方面均有着明显的优势。