（固体力学专业论文）完善YAW300液压试验机性能.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 科技的发展刺激了试验机的发展。随着人们对物质结构的深入研究，物质内部 的细观构造已不再神秘，现在人们不仅透彻得了解它们，而且可以制造出性能各异 新型材料。如何科学地、合理地使用这些新型材料，如何根据这些材料的力学行为 快速地研制出其他更优的材料，这些都是值得我们去共同探讨的问题。解决问题的 第一步就要求能够快速、准确、科学地检测出它们的各种力学指标。 众所周知，材料在不同的加载、受力的条件下，它们的力学表现差异很大。比 如，对同一样的材料，对它施加不同数值的比例荷载，则它的一些性能指标就不同； 对它施加等应变速率的载荷和等比例载荷，它的力学指标差别也很大。这就给试验 机提出了更高的要求。目前，试验机是一个高科技的产品，它集机、电、光于一体， 正朝着自动化、智能化、微机化的方向发展。r 本文所要论述的内容主要是针对现有的设备y a w 3 0 0 液压试验机的改造。简单 地概括，本次改造有以下三方面的内容。 1 原来的y a w 3 0 0 液压试验可显示力时间关系，现在该系统中增加光电编码 盘，该装置可准确的测出变形、位移，所以改进后的实验机可显示力时间、位 移时间、变形时间、力变形、应力应变关系。 2 小局域：当今网络是一种发展趋势，它可以充分利用计算机硬件资源，使数 据的利用率更高，实现实时动态管理。在本次改造中，单机实验的操作仍由一个电 控箱直接管理，但各个电控箱组成一个小网络，由一台p c 机统一管理：为了便于操 作、日常管理和提高通讯可靠性，通讯采用r s 4 8 5 协议。 3 数据处理的改善：在数字式控制系统中，相关数据的采集都是离散的。尽管 采集时间很短，但从回显图上仍可看到曲线不光滑。在改造中采用插值法，在两个 不同的采样点之间算出几个新值，这样一方面使各个曲线更光滑，另一方面曲线所 描绘的函数关系更接近被测试件本身物理、力学性能。同时，采用最小二乘法，算 出弹性阶段的斜线方程表达式，从而，得出材料的杨式模量，并自动求解出a 舢之类 的指标；按最新国标要求，排除“仞始效应”，自动计算上屈服强度和下屈服强度： 汁算材料的抗拉强度。 关键词：液压试验机；数字p i d ：l a b w i n d o w s c v i ；数据处f 野，小局域 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys t i m u l a t e st h e d e v e l o p m e n to ft e s t m a c h i n e a l o n gw i t ht h ef u r t h e rs e a r c h i n go f s u b s t a n c es n u c t u r e t h em l n o rs t r u c t u r eo f t h ei n n e rs u b s t a n c ew a sw e l lk n o w nb yu s n o w , w ec a r ln o to n l yr e a l i z et h e m 。b u ta l s o c a nw e p r o d u c e a l lk i n d so f m a t e r i a lw i t l lm o r eb e t t e rp e r f o r m a n c e h o wt ou s e 也e s en e w s u b s t a n c e sm o r es c e n i c a l l y , m o r er e a s o n a b l ya n dm a n u f a c t u r eo t h e rb e t t e rs t a f fa c c o r d i n g t ot h em e c h a n i c sb e h a v i o r so ft h e s em a t e r i a l sk e e p sap r o b l e mw es h o u l dt r yt os t u d y t o s o l v et h e p r o b l e m t h e f i r s t s t e p i st h a tw ec a nc h e c ko u ta l lt h e s em e c h a n i c si n d e x s w e e p i n g l y , a c c u r a t e l y , s c e n i c a l l y a sw ea l lk n o w n , u n d e rd i f f e r e n tk i n d so f l o a d i n gt h e i rm e c h a n i c s b e h a v i o ri sq u i t e d i f f e r e n t f o re x a m p l e ，t ot h es a m em a t e r i a l ，i fu n d e rd i f f e r e n tn u m e r i cl o a d i n g ，t h e p e r f o r m a n c e si n d e xo ft h e mb e h a v i o r i sd i f f e r e n t w h e nw et h r o ws a m er a t es t r a i n l o a d i n ga n d t h es a m es c a l el o a d i n g ，t h em e c h a n i c si n d e xd i f f e r sm o r e s oi tb r i n g sf o r w a r d h i g h e rr e q u e s tt o t h em e c h a n i c s a tp r e s e n t ，t h em e c h a n i c si sah i g h t e c hp r o d u c t i t g a t h e r sm e c h a n i c s ，e l e c t r i c i t y , a n d o p t i c st o g e t h e r t h e d i r e c t i o n d e v e l o p m e n t i s a u t o i m m u n i z a t i o n , i n t e l l i g e n t ，f l e x i b l e t h em a i nc o n t e n to ft h i st e x ta i m sa te x i s t i n ge q u i p m e n ty a w 3 0 0h y d r a u l i ct e s t m a c h i n e sa l t e r a t i o n s u m m a r i l y , w ec a ng e tt h r e ea s p e c t s 硒f o l l o w s ： 1 h y d r a u l i ct e s tm a c h i n ec a l ld i s p l a y t h ef u n c t i o nr e l a t i o no ff o r c ea n dt i m e n o wa o p t c o d e ri sa d d e dt ot h es y s t e m ，w h i c hc a nd e t e c tt h ed i s t o r t i o na n dd i s p l a c e m e n t a c c u r a t e l y s oa f t e rr e b u i l t t h em a c h i n ec a nd i s p l a ym a n yf u n c t i o nr e l a t i o n s ，s u c h 髂 f o r c ea n d t i m e ，d i s p l a c e m e n ta n dt i m e ，d i s t o r t i o na n d t i m e ，f o r c ea n dd i s t o r t i o n ，s t r e s sa n d s t r a i n 2 s m a l ll o c a ln e t w o r k ：n o w a d a y san e t w o r kb e c o m e s a t e n d e n c y i tc a nm a k e u s eo f h a r d w a r eo f c o m p u t e r sa n dd a t a , m a k i n g i tp o s s i b l et of u l f i l ld y n a m i cm a n a g e m e n t i nt h i s n e t w o r k ，as i n g l et e s tm a c h i n e i sc o n t r o l l e db yam c u ，b u tm a n ym a c h i n e sc o n s t i t u t eo f a s m a l ll o c a ln e t w o r k a n dt h en e t w o r ki su n d e rc o n t r o lb y ap c r s 4 8 5p r o t o c o li su s e di n o r d e rt om a k e o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ts i m p l e a n dr a i s et h ec o m m u n i c a t i o n r e l i a b i l i t y i i 华中科技大学硕士学位论文 3 i m p r o v e m e n to fd a t ap r o c e s s i n g ：i nad i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o l l e c t e dd a t aa r e s c a t t e r e d a l t h o u g h t h e c o l l e c t i n gt i m ei ss h o r t ，t h e f u n c t i o nr e l a t i o nc u r v ei sn o ts o s m o o t h i nt h en e ws y s t e m ，n e wi n s e r t e dp o i n t sd a t aa r ec a l c u l a t e do u tb e t w e e nt h et w o d i f f e r e n tp o i n t s t h a tm a k e st h ec u r v es m o o t h a l s ot h er e s u l t sa p p r o a c ht h er e a ld a t ao f t h et e s t e dm a t e r i a li n p h y s i c a la n dm e c h a n i c s m o r e ，t h ee q u a t i o no fe l a s t i cp h a s ei s p r o d u c e db yu s i n gl m s ( l e a s tm u l t i p l es q u a r o ，w h i c hr e s u l t i n gi ne l a s t i cm o d u l u sa n d o t h e rm o d u l u ss u c ha sa r o 2 ，t h es u p e ry i e l d i n g s t r e n g t h a n dl o w y i e l d i n gs t r e n g t h e x c l u d i n gt h e “p r e l i m i n a r ye f f e c t k e y w o r d s ：h y d r a u l i c t e s tm a c h i n e ；d i # t mp i d ；l a b w i n d o w s c v i ； d a t ap r o c e s s i n g ；s m a l ll o c a ln e t w o r k ； l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 题目的来源及意义 1绪论 现代科技日新月异，随着人们对物质结构内部的了解的不断深入，人们在研究 材料的细观结构并弄通其原理之后就可以造出许多新型的人工复合材料。这些材料 的力学行为与普通的材料差别比较大，许多特殊行业需要它们，比如航空航天部门、 军工单位、科研院所。而准确地检测出这些新材料的力学指标有十分重要的意义， 它一方面可以指导如何合理、科学的使用它们，另一方面这些资料是进一步研究的 科学依据。 所以，研制新型的材料试验机具有十分重要的意义；同样，完善和改进现有的试 验机的性能，使之满足最新的国家标准，这样，一方面充分利用现有的设备，另一方 面又减少了开发的周期，具有经济上的价值，也有实用的价值，同时它也是一种思路。 1 2 研究现状 目前的y a w 3 0 0 液压试验机的功能比较简单，它可以实现对试样施加恒加载， 实时地测出试件所受的压力值。其整机精度达到1 级。 原y a w 3 0 0 液压试验机的加力系统为液压机构，具有动态响应快、f s t a x 大、结 构简单等优点。由p i d 控制器产生的信号作为p w m 功率放大的信号源，放大后的 信号用于驱动先导式比例阀，从而实现恒加载。这是目前改造的实物基础。 指导我们改造的一个重要依据是国家技术标准。影响试验结果准确度的因素很 多，主要包括试样、试验机设备和仪器、拉伸性能测试技术和试验结果处理几大类。 试验方法标准化的目的就是对这些因素加以限制，使其影响减至最小。经过三次修 改，g b 厂r2 2 8 金属拉伸试验方法是目前的最新标准。这三次修改分别是在1 9 6 3 年、1 9 7 6 年、1 9 8 7 年作的。新标准从技术内容、结构，从标准总体的科学性、先进 性和实用性方面已步入了国际水平。以下是一些主要的修改内容。 甜拉伸试验设备的要求 要求试验的准确度达到1 级或优于1 级。同时要求：测定上屈服强度、f 屈服 强度、观定非比例延伸强度、觇定总延伸强度、规定残余延伸强度，应使用不劣于1 级的引仲汁，测定其他具有较大延伸率的性能应使用小劣f2 的引伸计。 华中科技大学硕士学位论文 试验速率 试验机速率是指试验进行的快慢，衡量的指标有以下几种。 1 空载横梁运动速率 2 有载试验机夹头分离速率 3 应力速率 4 应变速率对于液压加载的试验机采用应力速率比较方便，但将来将采用应变 速率控制模式。 拉伸性能的测定 规定了测试材料性能的方法，这些指标包括断后伸长率、断裂总伸长率、最大 力总伸长率和最大力非比例伸长率、屈服点伸长率、上屈服强度和下屈服强度、规 定非比例延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度、抗拉强度、弹性模量 拉伸性能测定结果的准确度 确定了拉伸试验测量不确定度估计方法 1 3 本文的主要工作 本文把现有的设备和最新的国家标准结合起来，使旧的设备具有新的功能，自 动化的程度更高，操作更简单。主要的改进的内容如下。 原来的y a w 3 0 0 液压试验可显示力一时间关系，现在该系统中增加光电编码盘， 该装置可准确的测出变形、位移，所以改进后的实验机可显示里时间、位移一 一时间、变形时间、力变形、应力应交关系。 小局域：当今网络是一种发展趋势，它可以充分利用计算机硬件资源，使数据 的利用率更高，实现实时动态管理。在本次改造中，单机实验的操作仍由一个电控 箱直接管理，但各个电控箱组成一个小网络，由一台p c 机统一管理；为了便于操作、 日常管理和提高通讯可靠性，通讯采用r s 4 8 5 协议。 数据处理的改善：在数字式控制系统中，相关数据的采集都是离散的。尽管采 集时间很短，但从回显图上仍可看到曲线不光滑。在改造中采用插值法，在两个不 同的采样点之间算出几个新值，这样一方面使各个曲线更光滑，另一方面曲线所描 绘的函数关系更接近被测试件本身物理、力学性能。 同时，采用最小：乘法，算出弹性阶段的斜线方程表达式，从而，得出材料的 杨式模量，并自动求解出o r 02 之类的指标；按最新国标要求，排除“仞始效应”， 自动汁算上届服强度羊f 屈服强度：计算材料的抗拉强度 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = j 口。= = = = = = = _ ；= 目_ = = _ # = = # = = = ： 2 材料的力学性能及最新国家标准 各种不同的材料，其受力后的力学表现也不同，深入了解其中的一般性规律是 研制试验机的基础。而且国家标准的制订也是基于此的。 2 1材料的力学- 陛质【3 1 材料的力学性质是指在一定的条件下，如一定的温度条件下，材料在荷载的作 用下所表现出来的性质。这些性质包括弹性变形、塑性交形、拉伸破坏、剪切破坏、 疲劳断裂、蠕变等。为了简化问题的研究，略去无关的次要因素。对变形采用如下 假设：连续均匀假设和各向同性假设。连续均匀假设：即认为物体在其整个体积内 毫无间隙地充满了物质，各点处的力学性能是完全相同的：各向同性假设：即认为 物质沿各个方向的力学性质是相同的。 2 1 1 低碳钢的拉伸与压缩试验 金属拉伸试验是应用很普遁的一种力学性能试验方法，它简单、可靠，并能清 楚地反映出受外力时表现出的弹性、弹塑性、断裂3 个过程，对金属材料尤为明显。 这里，所谓静载”是指温度、加载速度和应力状态都基本恒定，应变速率为1 0 4 1 0 五s 。 时所加的载荷。 1 拉伸图 o 匕 ；，一一 r 、 j。 、 l !s ，。 一 lpe f 盖i ij l = 皿 ； ；l l 圈2 - 1 拉伸图 在材料试验机上进行静拉伸试验，试样在负载平稳增加下发生变形直至断裂， 3 华中科技大学硕士学位论文 可得出一系列的强度、塑性等指标。拉伸图的纵坐标表示负载，单位是n ( 牛顿) ，横 坐标表示绝对伸长a l ，单位是m m ( 毫米1 。 试样拉伸过程中，开始试样伸长随荷载成比例地增加，保持直线关系。荷载超 过一定值后，拉伸曲线开始偏离直线。保持直线关系的最大荷载是比例极限荷载f 口， 该比例极限荷载f p 除以的试样原始面s o 积即得比例极限0 p ： o p = ( 2 - 1 ) ) 0 这一阶段的变形称为弹性变形，弹性变形的物理特征是符合虎克定律，即应 力与应变成正比例关系。 当荷载大于后再卸载时，试样的伸长( 变形) 只能部分地恢复，保留一部分残余变 形。这种卸载后不能恢复的变形称为塑性变形，开始产生微量塑性变形的荷载是弹 性极限的 载荷r 从而弹性极限o e ： f a 。- ( 2 2 ) o o 一般地说，f 。和f d 是很接近的 当变形继续进行，载荷增加到一定值时试验机的压力出现不增或往下掉，拉伸图 上出现平台或锯齿状，这种现象称为屈服，屈服阶段的最小载荷是屈服点屈服f s ，屈 服应力瓯： f 盯，。 ( 2 3 ) o o 屈服后金属开始明显塑性变形，试样表面出现滑移带。 随着塑性变形不断增大，试样抵抗变形的能力不断地增加，出现变形强化或加 工硬化。这一阶段的变形主要是均匀塑性变形和弹性变形，当载荷达到最大值f b 后，试样的某一部位截面开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，此后的变形主要集中 在缩颈附近，直至达到f k 试样拉断。试样的强度极限( 抗拉强度) o b ： 丘 口6 。亍 ( 2 4 ) v 0 试样的断裂强度吼： 仃。= ( 2 - 5 ) 4 华中科技大学硕士学位论文 其中s k 为试样断裂后缩颈处截面积 拉伸试验除可以得到上述强度指标外，还可以得到塑性指标，它们是伸长率6 和 断面收缩率v 等。它们的计算公式如下： 万= 生二鱼1 0 0 r 2 - 6 ) 厶 ：巫二盐1 0 0 ( 2 7 ) s o 其中k 为试样的原始标距，l k 为断裂的后的试样标距长度，s k 为断裂后的试样 缩颈处截面积 一般把金属在外力作用下的变形过程分为3 个阶段，即弹性变形阶段、弹塑性 变形阶段和断裂阶段，也可把拉伸圈分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和局 部集中塑性变形4 个部分。 2 应力应变图 拉伸图即f - l 曲线只代表试样的力学性能。现令。一以，占= 钐，以为横 u o- o 坐标，以。纵坐标，这样就可以绘制出应力应变曲线，图2 - 2 图为底碳钢的应力- 应 变曲线，它代表了材料的力学性能，从曲线上- j - 以赢接读出弹性模量e ( e - - - - t g c t = o - 2 - ) 、 占 比例极限o d 、弹性极限o 。、屈服点仃s 、抗拉强度a b 、均匀伸长率以、局部集中伸长率 瓯、总伸长率瓯等指标。 b 0 图2 2 应力应变关系图 低碳钢的压缩应力应变图如图2 3a ) 所示，低碳钢受压时，过屈服限后，愈压愈 扁，横截面面积逐渐增大，因此试件不可压断，故得不到材料压缩时的强度限。 华中科技大学硕士学位论文 ；# ；# 脆性材料的力学性质与拉伸时有较大差别。图2 - 3b ) 是铸铁压缩时的应力应变 图，整个压缩时的图形与拉伸时相似，当压缩时的延伸6 率要比拉伸时大。压缩时的 强度极限仃。要比拉伸时大和5 倍。 压缩 拉停 疗 o 图2 - 3 压缩应力应变图 2 1 2 其他金属材料的力学性能 其他金属材料，如锰钢、硬铝、退火球墨铸铁，它们与低碳钢一样，都是塑性材 料，但它们在拉伸过程中没有明显的流动阶段。它们的共同特点就是延伸率6 都很小。 2 2 最新国家测试标准 影响试验结果准确度的因素很多，主要包括试样、试验机设备和仪器、拉伸性能 测试技术和试验接古结果处理几大类。试验方法标准化的目的就是对这些因素加以 限制，使其影响减至最小。 经过三次修改，g b t2 2 8 金属拉伸试验方法是目前的最新标准。这三次修 改分别是在1 9 6 3 年、1 9 7 6 年、1 9 8 7 年作的。新标准从技术内容、结构，从标准总 体的科学性、先进性和实用性方面已步入了国际水平。g b 厂r2 2 8 - 2 0 0 2 在合并g b t 2 2 8 1 9 8 7 金属拉伸试验方法、g b 厂i 3 0 7 6 - - - 1 9 8 2 金属薄板( 带) 拉伸试验方法和 g b t6 3 9 7 1 9 8 6 金属拉伸试验试样的基础上，等效采用了国际标准i s o6 8 9 2 ： 1 9 9 8 ，在标准技术内容上有很大的变化。现将一些相关的主要内容列举如下。 ( g b t 2 2 8 2 0 0 2 的有关要求： 2 2 试验速率 试验机速率是指试验进行的快慢，衡量的指标有以下几种。 6 华中科技大学硕士学位论文 l 空载横梁运动速率：指试验机横梁空载条件下每单位时间的位移，单位为 m m r r d n 。 2 有载试验机夹头分离速率：荷载下试验机两夹头每单位时间分离的距离，单位 为n 耐m i n 。 3 应力速率：单位时间内试样应力( 7 - 程应力) 的增加量，单位为n r a m 2 + s 。 4 应变速率：单位时间内试样应变( - r 程应力) 的增加量，单位为i t l 州m l n s “ 对于液压加载的试验机采用应力速率比较方便，但将来将采用应变速率控制模式。 应力速率的有关要求如下： 应力速率( n ，m m 2s 1 ) 材料弹性模量e ( n m m 2 ) 最小最大 1 5 0 0 0 02 2 0 2 1 5 0 0 0 0 66 0 2 2 2 有关引伸计 在弹性变形阶段进行力学性能测试时，试样的变形很小，如测定金属材料的弹 性模量时，伸长增量一般仅有数十微米，这样就必须用精度高、放大倍数足够大的 仪器来测量。这种仪器称为引伸计。详细介绍见第四章。 2 2 3 弹性模量的测定 杨氏弹性模量的测定有动态法和静态法两种。现采用静态法。 静态法是利用单轴拉伸试验测定弹性模量的传统方法试样可以制成圆形或矩形a 采用静态法测定时，绘试样施加初试力后，装上引伸计，然后逐级施力测量其 伸长。 由虎克定律即可计算出弹性模量( m p a ) 为： e = 8 ( 丝a r ) ! s o ( 2 8 ) 式中f 二力增量，n ： l r 引伸计标距，m m ； 6 ( l ) 伸长增量的算术平均值，m m ； s 0 _ 试样平行长度的原始横截面积，r r l r n 2 。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 4 有关抗拉强度o b 及上届服强度和下屈服强度的测定 抗拉强度是金属材料几乎必测的性能。新标准规定了具体的方法，现介绍其中 的自动方法( 包括图解方法) 。 采用自动检测方法( 包括图解方法) 时，试验机测力系统应为l 级或优于l 级准确 度。引伸计为2 级或优于2 级准确度，引伸计标距小于等于试样标距k 。但不小于 试样标距的一半。试验时平行长度的应变速率不超过0 0 0 8 i s 。 本次对最大f 。力作了新的规定：它指试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。 具体地，有如下图a 、b 、c 所对应的三种情况，其相应的正确取值如图所示。 8 t b 9 两诊m | 可 i o 匹一 f 图2 4 判断量大f 蕾力 新标准规定了上屈服强度和下屈服强度的测定方法：确定下屈服强度时，要排 除“初始瞬时效应影响”定性地把从上屈服强度向下屈服强度过渡期间的第一个下 降谷区作为“初始瞬时效应“的影响区。对于上届服强度和下屈服强度位置判断的 基本原则如下： _ 屈服前的第一个峰值应力判为上屈服强度，不管其后面的峰值应力比它大或比 它小： b 屈服阶段如呈现两个或两个以上的谷值应力，舍去第一个谷值应力不计，取其 余谷值应力中之最小者判为下屈服强度； c 屈服阶段中呈现屈服平台，平台应判为下属服强度；如星现多个而且后者高与 前者的屈服平台，判第一个平台为下屈服强度； d 正确的判断结果应该是下屈服强度一定低子上屈服强度。 几种典型的屈服类型如下，图中f e l l 为上屈服强度，f e l 为屈服强度。 华中科技大学硕士学位论文 ) c ) e ) 上， 摹 b ) d ) h ) l 到2 5儿种典础的屈服类刑 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = 。= = = = = ；= = = 目= = t = = 自= l 一= 3 试验机控制机理 3 1w w 3 0 0 系统总体原理 系统要求：该机主要用于测量、检验不同材料的各种力学性能指标。系统应该 保证试验机能按照规定的试验过程进行试验，并能按照预定的加载速度进行自动恒 应力加载；试验过程中，系统能实时显示试样所受压力和加荷曲线：试验完毕后， 能进行数据处理、存储、查询，打印报表等等。 控制方式的选择：根据我国的实际情况，控制系统采用电液比例控制系统。这 种控制系统结构简单、稳定性好、容易维护、抗污染能力强，价格低廉。许多试验 要求按恒荷载方式加载，实现恒应力加载的方式很多，例如可以采用p i d 控制，鲁 棒控制，模糊控制，专家系统控制等等。其中，最简单、最实用的是p i d 控制。p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于它具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高 等显著优点，所以被广泛应用于工业过程控制“”。 p i d 控制的实现有模拟实现和数字实现之分，模拟实现需要构建电路，是一种用 硬件实现的方法；数字实现只需要编制程序，是一种用软件实现的方法。用数字实 现p i d 控制，具有很大的优越性，它可以使系统简化，硬件数量减少，从而减少了 引入噪声的机会，因此提高了控制精度，丽且，数字p i d 控制器的参数调整方便灵 活，成本大大降低。数字p i d 控制器具有如此多的优点，我们的控制器当然也采用 数字式p i d 。 系统组成：根据系统要求和以上分析，系统采用p c 机和a t 8 9 c 5 2 单片机共同 组成主要的控制部分。整个控制系统如图3 - l 所示，主要元件包括p c 机、a t 8 9 c 5 2 单片机、打印机、a d 转换嚣、精密压力传感器、比例阀组、试验机主机等。 图3 1未连成小局域前的单一系统情形 1 0 华中科技大学硕士学位论文 该机控制系统的工作原理如下：试验开始后，液压加载系统带动活塞，横粱也 就随之上下运动，压力传感器随压强的增加而输出一个与液压成正比的电信号，该 信号经放大，a d 转换后，进入微机，微机将其处理，得出偏差信号，输出一个与 偏差信号成比例的电信号来控制比例阀，进而控制系统的工作压力，从而保证加荷 速度恒定，直至材料破坏。 3 2w 州3 0 0 液压控制系统原理 3 2 1液压控制系统组成 电液比例控制既可以用于开环控制，又可以用于闭环控制。在控制精度要求较 高的场合，常常采用闭环控制。本文所设计的系统就是闭环控制系统。各种电液比 例闭环控制系统，尽管其结构各异，功能也不相同，但它们存在着共性，可归纳为 以下结构【1 1 j ： 图3 - 2 电液比例控制系统框图 指令元件 它是给定控制信号的产生与输入的元件。也可称为编程器或输入电路。在有反 馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号相同形式和量级的控制信号。它也可以是 信号发生装置或程序控制器。指令信号可以手动设定或程序设定。在我们的控制系 统中，指令元件是微机，在试验过程中，由微机输出给定信号。 比较元件 它的作用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的输入。 在我们的控制系统中，比较元件仍然是微机，在试验过程中，加载压力经传感器转 换成电压信号后，又经过放大器的放大和d 转换后，作为反馈信号进入微机，由 微机进行比较，得出误差信号。 比例放大器 华中科技大学硕士学位论文 比例放大器又称电控器。一般而言，比例阀内的电磁铁所需要的控制电流较大 - - 8 0 0 m a ) ，而微机输出的控制电流较小，不足以使电磁铁正常工作。所以，要对控 制信号进行功率放大，再对它进行整形、滤波，使其满足高性能控制的要求。比例 放大器的主要功能就是对控制信号进行加工、整形和放大，使其满足电机械转 换装置的控制要求。比例控制放大器按照功率放大级来区分，可分为连续电压控制 式和脉宽调制( p w m ) 式。由于采用p w m 控制，可以使比例阀经常工作在开和关状 态中，这种开、关信号实际上相当于给阀加入颤振信号，使阀和活塞始终处于一种 微振状态，对减小系统的静摩擦和滞环，提高低速平稳性、减少功耗都有好处【9 1 。所 以，在本系统中采用这种控制方式。这部分内容，在后面还要详细讨论。 比例阀 在这种控制系统中，最关键的元件就是比例元件比例阀。比例阀出现在2 0 世纪6 0 年代末期，它是在普通液压阀的基础上，采用廉价而可靠的比例电磁铁作为 电机械的转换元件，取代原来阀内的手动控制器或普通开关式电磁铁，并相应 的改进了阀内的设计和引入各种内反馈控制，从而实现了一种价廉的、耐污染与一 般工业阀相同，性能上又能满足大部分工业控制要求的比例元件。比例阀内部集成 了电机械转换器以及液压放大元件，电机械转换器把经过放大后的电信号 转换成与其电量成比例的力或位移。这个输出力或位移改变了液压放大级的控制液 阻，经液压放大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载，是整个系 统的功率放大部分。 先导式比例滋漉稠 比例压力阀用于系统的压力需要在工作过程中连续升降或多级压力调节的场 合。压力阀按照功能划分，可分为溢流阀和减压阀。溢流阀的基本功能包括：稳定 系统压力：安全保护：卸荷。我们的系统采用它，主要是利用其定压作用，当然， 当系统压力过大时，它也可以卸荷保障系统安全。 由于受推动力的限制，直控式压力阀不可能做成大功率的，即大流量规格的阀。 采用先导式方案，经过一级或二级液压放大，就可以解决用小信号控制大功率的问 题。我们的试验机的最大载荷为3 0 0 k n ，最大压力高达2 0 m p a ，其要求功率是比较 大的，一般的直控式压力阀是不能满足要求的，故选用先导式比例溢流阀。 液压执行器 通常指液压缸或液压马达，它地系统的输出装置，用于驱动负载。在本系统中， 采用液压缸作为执行器 华中科技大学硕士学位论文 反馈元件 闭环控制必需检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的 反馈信号。检测元件常常使用各种传感器。在本系统中，选用的是高精度桥式压力 传感器 3 2 2 压力机控制系统的理论分析 压力机电液比例控制系统如图3 - 3 所示。 圈3 - 3 压力机液压系统简图 电液比例阀用于控制静态试验机时，其上升时间与阀芯质量及弹簧刚度有关， 其传递函数为： g = 错2 惫 1 ， 式中：k 。为阀的流量增益；为阀的固有频率，试验机框架刚度大大高于试样 刚度，故可将其看作刚性m ，将试验机负载及框架、油缸、活塞简化为图3 - 4 所示， 用方程描述如下： ) - - z s x + n 孟妒 。2 p ( j ) ；( 胁2 x + c t s x + k t x ) 彳a ( 3 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 墨 盯 图3 4 液压系统简化模型 图中： x ：活塞行程； k ，：负载弹簧刚度； m ：运动部件总刚度： 彳：活塞面积； q ：输入流量； p ：输出压力。 式中：c ，为油缸总漏油系数：c ，系统粘性摩擦系数。k 为油总的压缩容积，卢。为 油液有效弹性系数。将位移扰动输入，得油缸负载传递函数框图如图3 5 所示。 q 令c - 。 图3 - 5 油缸负载传递函数框图 忽略油缸泄漏，即g o ，得闭环传递函数如下： ( 3 4 ) 章 竺曲 器 m 华中科技大学硕士学位论文 更中： x ，= e x ” 酗屈= 爿么 q = 墨m = 撕豇丽 f 。= c , ( 2 4 - z , m f ：= c l 【2 捆百i 了砑】 忽略比例阀等元件的非线性，则把力作为反馈量时的闭环控制压力机系统的传 递函数框图如图3 - 6 所示。 堑耸点( 乓+ 2 矢川) 烈曲叫加j 蠹_ _ - 7 - 5 ， s ( 1 + 三) ( ；+ 堑j + 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 另加颤振信号源。从内部工作情况来看，p w m 式功放管工作在开关状态。从理论上 讲，在开启时，功率管导通，电压降近似为零；而关闭时，功率管截止，电流近似 为零：这两种情况所消耗的功率都为零。因此，这种放大器的功耗小。相反，模拟 式功率放大级工作在功放管的线性区，在非额定工况下能耗较大，同时也使发热增 加，降低了可靠性。另外，由于功放管工作在开、关两种状态，因而抗干扰能力强， 因油液污染而造成的阻塞等现象容易克服，比例阀的抗干扰和抗污染能力得到提高。 正如上面所叙，采用p w m 式作为功放级有许多优点，因而在比例放大器中得 到了广泛的应用。我们设计的比例放大器，也是采用p w m 式的。 3 3 1脉宽调制的原理 调制电路由三角波发生器和电压比较器组成。三角波发生器的输出电压“与控 制电压u ；在比较器中比较，比较方法是用它们的差值与零比较，每次过零时比较器 的输出电压翻转，使脉冲宽度巧与输入信号“；的幅值成正比。由于三角波的输出电 压对称于横坐标轴，为使“；- 0 时比较器的输出u 。为零( 低电位) ，应加入移轴电压“。， u 。的大小应满足： “6 + “，0( 3 6 ) 1 设“。的最大值为“，。，则应等于妄“，即： 二 1 “6 一妄“，。 ( 3 7 ) 图3 7p w m 信号调制原理框图 但实际应用中，为提供初始电流，应小于圭“，以便在控制电压“。为零时， 仍有小量的电流流进比例电磁铁。p w m 信号波形的转换原理图如图3 8 所示。当 “，+ u b + “。之和过零时“。跳转。当嚏由小至大过零时，“。由高电平转为低电平 反之，电平变高。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 o “d “d _ 0 强2 “，栅叫i 八八八，一 vvv 7 t r 图3 - 8p w m 信号调制原理波形 3 3 2 脉宽调制式功率放大级 采用脉宽调制信号( f w m ) 控制比例电磁铁，阀芯的运动响应p w m 的平均值， 使阀芯工作时处于微振动状态，大大减少阀的滞环。调制电路由三角波发生器和电 压比较器组成，三角波作为脉宽调制信号的载波加在一运放a 2 的反相输入端，调 制信号加在该运放a 2 的同相输入端，并带有正反馈。根据运放的原理，运放a 1 构 成双门限电压比较器，调制信号u s 的大小每与控制信号相等时，该运放a 1 的输 出电平就翻转，形成脉冲宽度不等的方波，其频率与三角波的振荡频率相同。该运 放a 2 的输出驱动一功放管t 工作，由此可见，功放管t 只在“完全导通”和“完 全截止”两种工况下工作，并不具有严格意义上的放大作用。所以管的功耗很小。 其导通与截止的时间由脉宽调制信号的占空比决定，占空比大，导通时间长：反之， 截止时间长，从而改变末级输出电流。当功放管开关导通时，通过负载线圈的电流 按一阶特性上升，功放管开关截止时，由于线圈旁路二极管d 作用，工作电流也按 一阶特性下降。 3 3 3 常用信号极其产生 对比例电磁铁，除了足够的驱动功率以外，比例控制放大器还必须要有良好的 稳态和动态特性。为此，功率级的输入信号除了给定控制信号外，通常还包括多种 控制信号：斜坡信号、颤振信号、初始电流设定信号、负载电流反馈信号等等【 1 。 现在分刖一一介绍。 华中科技大学项士学位论文 图3 - 9p w m 功率放大级电路原理图 斜坡信号发生器 斜坡信号发生器用于控制信号的上升变化和下降变化速度，使当输入阶跃信号 时，能够以可调的速率无冲击地到达给定值，从而获得平稳而迅速的起动、转换或 停止。利用斜坡信号发生器可获得加速、减速、升压、卸压的调整功能。 三角波发生器 在比例放大器中常用三角波信号发生器作为颤振信号源和组成脉宽调制信号发 生器。 电流调节器 设计电流调节器的目的之一是调节控制对象的实际值与新的设定值相对应；目 的之二是减少或消除干扰量的影响。由于比例阀的特性中都存在一定的死区特性， 只有越过这个死区范围其特性才是线性的。为了克服这个死区，是通过向电磁铁提 供一个初始阶跃信号使阀芯产生快跳，迅速越过死区。 功率放大级 功率放大级的作用是对各种信号f 如斜坡信号、颤振信号、初始电流设定信号、 负载电流反馈信号等等1 进行综合和放大，向电机械转换装置提供足够大的驱动电 流。 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 0 模拟功率放大级结构框图 比 例 电 蠢 铣 电流反馈 比 例 电 磁 铣 图3 - 1 1 脉宽调制式功率放大级结构框图 根据控制信号综合后的处理方式不同，功率放大级有模拟式和脉宽调制( p w m ) 式两种，结构框图分别见图3 - 1 0 和图3 1 1 。从结构上看，两者的主要差别是模拟式 的放大器在各种信号相加后直接送功放管作电流放大，而后者在它们之间加入p w m 环节。 3 4p i d 控制器 3 4 1 概述 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于它具有算法简单、鲁棒性好、可 靠性高等优点，所以被广泛用于工业过程控制脚l 。实际运行的经验和理论分析都表 明，采用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果1 2 6 】。随着 计算机技术的发展，微机在控制领域也越来越受到人们的青睐。当控制系统广泛采 用微机后，普遍使用的模拟p i d 控制器便慢慢的被数字p i d 控制器所替代。数字p i d 控制器和模拟p i d 控制器相比，很明显的优点便是参数调整灵活、算法变化多样、 华中科技大学硕士学位论文 实现简单方便。当然，p i d 控制算法一直是一个很活跃的领域，许多学者专家多年来 一直致力于p i d 控制器的研究，经过他们的呕心沥血和长期的积累，现在已经出现 了许多以计算机为基础的新型控制算法，如自适应p i d 控制、模糊p i d 控制、智能 p i d 控制等等。 3 4 2 模拟p i d 控制器 模拟p i d 控制系统原理框图如图3 1 2 所示，系统由模拟p i d 控制器和受控对象 组成。 图3 1 2 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器根据给定值r ( f ) 与实际输出值c ( f ) 构成的控制偏差： e o ) - ，( f ) - c ( t )( 3 8 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( ，) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对受控对象进 行控制。其控制规律为： 喝【e ( f ) + 毒矗e ( o d e + t o 警】 ( 3 9 ) 或写成传递函数形式： g m 鬻“，( 1 + 去哪) ( 3 1 0 ) 式中，k ，为比例系数，瓦为积分时间常数，为微分时间常数。 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用是这样的： 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e ( f ) ，偏差一旦产生，控制器 立即产生控制作用以减小误差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度积分作用的强弱取决于积 分时删常数l ，l 越大，积分作用越弱，反之则越强。 华中科技大学硕士学位论文 微分环节：能反应偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变得太大 之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调 节时间。 3 4 3 数字p i d 控制器 随着计算机在控制领