数字式自适应动态电液疲劳试验机中位置/力控制无缝切换的实现

　　本文所述数字式自适应动态电液疲劳试验机是北京市科委的研究开发项目, 由液压系统和控制系统组成, 控制系统分别设置力控系统和位置控制系统, 利用工业控制计算机和计算机控制技术, 实现了既能载荷控制又能位移控制, 并且两者之间可以无缝切换。

　　1 疲劳试验机系统组成

　　数字式自适应动态电液疲劳试验机电液伺服控制系统的结构关系如图 1 所示。包括计算机部分 1、功放部分和试验机部分2, 其中计算机部分 1 包括数字控制器、A/D 转换器、D/A 转换器、液晶屏 & 触摸屏; 试验机部分 2 包括力传感器、位移传感器、能源系统、伺服阀、液压缸和液压管路。

　　控制系统中的数字控制器硬件部分主要由工业控制计算机( 研华公司的 IPC- 610) 、数据采集卡( 研华公司的 PCL- 816) 、模拟电路和人机接口组成。控制过程是: 传感器信号通过放大电路和 A/D 转换器输入数字控制器, 数字控制器对输入指令与处理后的传感器输入信号作差后加入一些简单的控制, 得到输出指令, D/A 转换器将上述输出指令转化为模拟量, 再经过模拟电路对该模拟量进行功率放大, 然后驱动伺服阀阀芯, 进而使液压缸做出如输入指令要求的动作; 在数字控制器中采用自适应调节方法解决不同弹性负载试件下, 力控系统的稳定性问题和动态载荷精度问题。

　　2 控制系统数学模型的建立

　　控制系统的数学模型是系统分析和设计的基础。在此基础上才能设计合适的控制器, 使得系统的响应达到预期的效果。

　　2.1 位置系统数学模型

　　位置控制是实现力控制的基础。非对称动力机构的数学模型为:

　　其位置系统控制方块图如图 2 所示。

　　2.2 力控系统数学模型

　　电液力系统可划分为: 无扰动型、位置扰动型、外力扰动型和内力扰动型。根据试验机疲劳试验工作情况确定其模型为内力扰动型, 其数学模型为:

　　3 位置控制与力控制的切换

　　位置控制系统与力控制系统的数学模型不同, 决定了相应的控制策略不同。利用数字控制的优势, 控制器中利用 A/D 通道的选择, 仅在 1ms 就可完成力控制到位置控制或位置控制到力控制的切换。这是根据用户的指令而进行的, 称之为指令切换。

　　在零件静态力加载试验( 力控制) 开始前, 为用户使用方便考虑, 首先利用位置控制先加载上一小力值, 然后自动切换到力控制, 既给用户安装零件时带来了方便, 又对试验零件起到保护作用。同时在疲劳试验过程中, 控制器还会对位置进行监测, 以防止试件发生意外断裂时试验机还继续加载力, 控制器会自动中断试验, 等待用户来处理。这是控制器根据实际情况自动实现的, 称之为自动切换。