基于模糊自适应PID的材料试验机控制系统

0 引言

如果材料试验时所加应力速度及应变速率不同，试验所没得的有关强度数据有差别。在国际标准ISO 6892:1998(E)及国家标准GB/T228-2002中，明确规定加载时必须保持恒定的应力速率或恒定的应变速率。因此如果科学有效地达到对材料试验机的应力速率及应变速率控制，是目前试验机领域的关键问题。

为达到上述目的，应用旁路节流数字调压、调速技术，并采用了压力、应变及位移传感器，用模糊自适应PID控制方法，仅一只比例数字节流阀便实现了应力、应弯、位移的精确控制。

1 试验机控制系统结构 

试验机系统自动控制如图1所示。

2 模糊自适应PID控制方法

　　(l)应力速率控制:2一60MPa/s，控制误差5%;

　　(2)应变速率控制:0.00025/s一0.008/s，控制误差5%;

　　(3)位移速率控制:0.5一50mm/min，控制误差5%;

　　(4)试验力定荷控制:自满量程的2%一100%之间任意力值定荷，控制误差3%;

　　(5)应变定值控制:自0.005一l之间任意应变定值，控制误差3%;

　　(6)定位控制:自l一200mm之间任意位置定位，控制误差3%。

　　以上6种控制方式中，前3种为速率控制方式，后3种为定值控制方式。每一时刻系统只控制应力、应变、位移三路采样值中的其中一路，根据系统的误差。及误差变化de调整PID　　控制参数KP、K，、K。，实现模糊自整定。再采用增量式PID控制算法，由此驱动步进电机输出。

　　3.1定义输入输出变t及确定相关参数初始值

　　首先根据控制方式是应力、应变还是位移控制来确定输人变量。在每次采样控制中，误差e(k)和前面两次采样中的误差e(k一1)、e(k一2)及其误差变化de(k)作为控制器输人变量;Kp、Kl、Kp为中间变量，在每一控制周期都是实时调整变化的;控制器的最后输出为驱动步进电机的步数△u(k)。模糊自适应PID控制器中模糊逻辑系统如图3所示，每个控制周期的e及山为输人变量，参数调整值KP’、Kl‘、Kv’为输出变量。模糊逻辑系统为二输人三输出系统。驱动步进电机的步数△u“(k)由增量式PID控制算法计算:

　　c(k)为实际控制值，即为每个控制周期采样得到的值;控制期望值r(k)根据控制方式是定值控制还是速率控制而有所不同。

　　当为定值控制方式时

　　3.2模糊逻辑系统的输入参数量化

　　取系统误差e及误差变化de的量化等级都为13级，即E，DE={一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，l，2，3，4，5，6}由于该控制系统是对应力、应变、位移三种物理量的控　　制，并且针对其中某一物理量，又区分为速率控制和定值控制。即使是应力速率控制，其速率范围也可从2一60MPa/s这样大的范围内变化。在这样的情况下，如果仅仅根据。和de　　自身的绝对值来进行简单的统一模糊化方法是不精确也不妥当的。如果按照不同控制方式以及同一控制方式下不同速率控制或不同值的定值控制来区分，分别采用各不相同的模糊化方法是相当繁琐也无法穷尽的。