拉力试验机控制系统改造设计

　　一、微机控制基本原理及其改进

　　整个系统工作原理为:开机后,在每一个采样周期内,由微机发出控制信号(数字量),经D/A转换成电信号,通过比例阀控制油缸进行升(降)油压、换向操作,试件所受拉力经传感器转化为电信号(模拟量),经A/D转换成数字量后,读入微机处理。在下一个采样周期内,根据上次所读回的力值和试验开始时设定的条件比较后,求得所需的控制信号(数字量)D/A值。

　　原系统控制原理如图1所示,试验期间,微机定期发生控制信号,控制油缸内的液压力,通过油缸活塞拉伸试件,并通过传感器检测试件所受拉力。在拉力未达到设定拉力之前,输出信号按程序设定的步长,随试验时间不断增加,油缸内压力也不断增加,当拉力达到设定拉力之后,记下输出控制信号值(用于后面补偿控制),并输出控制信号0,这时,比例阀关闭,油缸内的油压靠液控单向阀维持。当油缸内的压力因内泄漏而降低,导致试件所受拉力减小到设定容许值时,输出原来记录的控制信号值,重新启动比例阀,给油缸补油。

　　保压时间达到设定值后,立即换向,比例阀向油缸另一腔供油,驱动油缸回位,回程压力由原来记录的控制信号值确定。这样,控制原理比较简单,但由于受比例阀频繁启动/关闭,液控单向阀磨损和油缸突然换向等因素影响,系统使用寿命和可靠性明显降低,设定拉力比较小时,回程速度很慢。针对原来系统存在的问题,对原液压系统作了以下改进:

　　1.加大油箱尺寸,增加散热面积,保持油温相对稳定;

　　2.去掉液控单向阀,减少故障源,在保压期间,比例阀不关闭,微机输出给比例阀的控制信号保持相对稳定,由比例阀直接保压。由于控制信号(和油缸内油压)增加和拉力增加不可能同步,当拉力到达设定值时,微机所给出的控制信号必定大于静态时设定拉力所需要的控制信号,加载速度越快,误差越大。为了解决这个问题,在控制程序中,将加载过程分为三步:在每一个时间周期(可由程序设定为毫秒的整数倍),(1)在拉力小于设定力0.9倍之前,采用比较大的增量步长,增加控制信号;(2)在拉力大于设定力0.9倍之后,采用比较小的增量步长,增加控制信号,避免过载;(3)在拉力达到设定力之后,通过微分控制,即由实际所测量的力值和设定拉力间的差值,来决定控制信号的增减。通过试验,可测试出一组静态拉力———控制信号资料,对每一次试验可经过插值计算出其设定拉力值所对应的静态控制信号资料,作为微分控制的初始值。

　　为了缩短加载时间,提高工作效率,在程序中增设了一个控制信号初始值,每次试验时加载不是从0,而是从设好的初始值开始,尽快逼近设定拉力值。3.在保压结束后,结束试验也分为两步:(1)在每一个时间周期,输出信号逐步减小,油缸内液压力也逐步减小;(2)当输出信号(油缸内液压力)接近于0时,再发出换向信号,控制比例阀换向,驱动油缸回位,减小液压冲击;回程时输出信号值为常量,回程速度不受设定拉力影响。