液压式测力机双闭环数字伺服控制系统的研究与试验

　　0　引言

　　液压式测力机是利用帕斯卡原理将静重砝码产生的重力放大,得到标准力值的固定式测力设备。电液伺服控制系统是液压式测力机自动控制的核心部分,它通常由测力活塞位移传感器、伺服放大器(控制器)和电液伺服阀等组成。位移传感器将测力活塞位移信号转变成电信号。伺服放大器将该信号与位移给定信号(对应测力活塞平衡位置)进行比较后,经过一定的算法(如PID算法)运算并放大后输出电流信号驱动伺服阀。通过控制伺服阀开度的大小,从而对油液的泄漏量进行精细的补给,最终使测力活塞位移达到并稳定在平衡位置附近,保证工作端获得稳定的力值。电液伺服控制系统不仅决定了测力机自动控制水平的高低,而且也对其复现力值的准确度和稳定性(力值波动度)等计量性能产生直接影响。

　　1　单闭环伺服控制系统存在的问题

　　中国计量科学研究院分别于20世纪70年代和80年代建立的5MN和20MN两台液压式基准测力机在结构设计、机械加工等方面采用了较先进的技术和工艺。目前,两台测力机均采用测力活塞位移单闭环伺服控制系统,控制器为模拟伺服放大器,控制方式为半自动方式。与手动控制相比,无论从操作的自动化程度还是控制性能上都有了较大的提高。但通过多年的使用,仍发现其存在以下问题:

　　1)由于控制系统仅输入测力活塞位移反馈信号,缺乏更多的“系统信息”,如:系统压力等,使其不易实现更加智能化的全自动控制。因此,在某些情况下,必须手动控制系统压力,才能保证实时力值单调增加或减小。比如在5MN测力机上,当力值从500kN到600kN的变化过程中,由于出现了交换砝码的情况(即先加1块200kg砝码,再减4块40kg砝码),如果不采用手动方式干预控制,工作端力值就会随着砝码的加卸过程出现先增加至1000kN再逐级减小至600kN的情况。当力值从600kN到500kN的卸载过程中(先加4块40kg砝码,再减1块200kg砝码),也出现类似情况。以上加、卸载过程的曲线分别见图1(a)和图1(b)。在加(卸)载过程中,只要出现类似的交换砝码情况,就存在以上问题。

　　2)系统的灵活性和控制参数(PID参数)调整的便捷性不强。对于液压式测力机电液伺服控制系统来说,在不同的载荷下,采用相同的PID参数,可能会得到不同的动态和稳态响应指标(超调、力值波动度、稳态误差等)。即使在同一载荷下,对不同的被检测力仪器,由于其弹性体材料和结构的差异,采用相同的PID参数也可能出现不同的控制效果。为了在各种情况下都达到较为理想的控制效果,伺服放大器的PID参数应该能够进行灵活的调整。而在模拟伺服放大器中,PID参数是通过调整相应的电阻、电容等硬件实现的,这些元件的参数一旦确定后不易经常调整、改变。