（机械电子工程专业论文）电子万能材料试验机闭环控制软件的研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 电子万能材料试验机是一种广泛使用的标准测试设备，在各类材料的质量检验、材 料科学研究和实验教学环节都需要用它进行材料的力学性能测试。 试验机测控系统具有强实时性、可扩展性、执行机构精确的运动控制和力控制、多 任务处理等性能要求。测控系统既要进行数据采集与处理，还要实现对执行机构的闭环 控制，是集计算机检测和控制技术为一体的自动化测试平台。基于p c 的微机电控试验 机具有良好的测试性能，试验数据、曲线的显示直观，运动控制精确，系统配置简便， 数据在线处理能力强。 本文论述了试验机的组成、原理、发展方向和存在的问题，阐述了采用模块化结构 设计和面向对象方法，在w i n d o w s 下利用v i s u a lc - h 开发试验机闭环控制软件的关键技 术，重点讨论了材料试验机系统的闭环控制软件的设计。详细介绍了材料机闭环控制软 件设计中要包括的方面，其中有多线程的数据采集、在线数字滤波、以及高精度定时器 的使用和p i d 控制算法的改进等等。同时采用a d o 访问a c c e s s 试验信息数据库，并借 助o f f i c e 自动化技术，实现了通过模板生成报表的报表处理方法。初步实现了基于增量 式p i d 控制算法的电子万能材料试验机的闭环控制。并且介绍了的离散滑模变结构控制 以及仿真情况，以便为下一步工作提出建议。 整个设备运行平稳，操作方便，数据采集和运动控制考评试验证明了系统设计是正 确的。 关键词：材料试验机、测控系统软件、闭环控制、多媒体定时器、滑模变结构 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n ei so n ek i n do fs t a n d a r dt e s te q u i p m e n t ，a l lk i n do fm a t e r i a l p e r f o r m a n c et e s t ，t h em a t e r i a ls c i e n c er e s e a x c ha n dt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gn e e dt oa p p l yi tt o c a r r yo nt h e m a t e r i a lm e c h a n i c sp e r f b 皿栅c ct e s t t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n es y s t e mh a st h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n to f h i g hv e l o c i t y 、e x p a n s i b i l i t y 、p r e c i s em o v e m e n tc o n t r o l 、m u l t i t a s k i n ga n dl o a d c o n t r o lo fi m p l e m e n t i n go r g a na n ds oo n t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mn o to n l ym u s t c a r r yo nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，b u ta l s or e a l i z et ot h ei m p l e m e n t i n gc l o s e - l o o p c o n t r o l ，w h i c hi st h ea u t o m a t i o nt e s tp l a t f o r mw i t ht h ec o l l e c t i o no f c o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lt e c h n o l o g y t o g e t h e r t h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e dt e s t i n gm a c h i n eb a s e do np ch a sg o o d t e s tp e r f o r m a n c e ，t h ed a t aa n dc u r v e sa r cd e m o n s t r a t e de a s i l y ，t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o ni s s a m p l e ，a n da l s oh a ss t r o n gd a t ao n - l i n ep r o c e s s i n ga b i l i t y t h i sa r t i c l eh a si n t r o d u c e dt h ec o n s t i t u t i o n 、t h ew o r kp r i n c i p l e 、t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n a n dt h ee x i s t i n gp r o b l e mo ft h et e s t i n gm a c h i n e ，i th a sa n a l y z e dt h ep r o c e s sh o wt ou s et h e o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o db a s e do nm o d u l a t i o na m c t o t a ld e s i g na n dv i s u a l 叶t od e v e l o pt h e s o f t w a r eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r et h a t p r o v i d e sas o f t w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma n dt h ef r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei ss u c c i n c ta n d ：a s vt oo p e r a t e t h em u l t i - t h r e a dd a t aa c q u i s i t i o n 、t h eo n - l i n ed i g i t a lf i l t e ra n d t h en e wp i d c o n t r o lm e t h o dh a sg u a r a n t e e dt h ea c c u r a c yo f t e s t i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h ec u r v e e x p a n s i o n a n dc o n t r a c t i o na l g o r i t h mp a r t i a l l yr e a l i z et h ec u r v e e x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o ni nw i d er a n g e ， w h i c hi sg o o df o rt h ec u r v ed e t a i l t h es o t t w a r eu 瞄a d ot ov i s i tt h ea c c e s se x p e r i m e n t i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，a n du s e st h el e a s ts q u a r em e t h o dt op r o c e s ss y s t e mr a t i n gd a t a w i t ht h e a i do f t h eo f f i c ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，i tc a nc r e a t er e p o r tf o r mt h r o u g ht h et e m p l a t e b a s eo n t h ep i dm e t h o d s , t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c bo f t h em a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n ei si m p r o v e dg r e a t l y b e s i d e s t h ea r t i c l er e p o r t sa n da n a l y z e sd i s c r e t e - t i m ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( d v s c 、 s y s t e m s w h i c hi su s e f u lf o rn e x tw o r k t h ew h o l es y s t e mn j n so na i le v e nk e e la n do p e r a t e se a s i l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to f t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h em o v e m e n tc o n t r o lh a si n d i c a t e dt h es y s t e m d e s i g m i sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：m a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e ，s o f t w a r eo f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m ，c l o s e - l o o pc o n t r o l ，m u l t i m e d i at i m e r ，s l i d i n gm o d ec o n t r 0 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 虚王些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文作者签0 嘛字日期叼年占月调 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解些友王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权韭友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲孙睬 签字日期：p 7 年歹y j p e i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：煤炭科学研究总院 通讯地址： 导师繇锈锡 签字日期。7 年莎月，工d 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 本课题是与北京北成新控自动化技术有限公司委托的技术开发项目，其目的是 开发一套用于材料性能测试的电子式万能材料试验机测控系统。 工业生产中各种材料、零部件、构件以至整机或整个建筑物等都需要经过试验 才能确定它们的力学性能。在了解了这些性能以后才能使设计合理、使用可靠。经 过试验才能确定产品性能的优劣。因此，试验机在国民经济中占有相当重要的地位， 它的发展水平在某种程度上反映了一个国家工业发展的水平。材料试验机作为一种 标准的精密测试设备，对于材料科学的快速发展、对于工业产品和工程结构的合理 设计等具有极其重要的作用。试验技术和试验机是现代科学技术不可缺少的重要组 成部分，所以对材料试验机的研究是有重大意义的。 如今的试验机已经是一种技术密集型的精密标准测试设备，具有很强的综合性 和学科交叉性，它涉及到诸多高新技术领域。一般说来，材料试验机必须满足强实 时性、可扩展性、执行机构精确的运动控制和力控制、可靠的程控自动测试、多任 务处理等性能要求。试验机测控系统既要进行数据采集和处理，还要实现对执行机 构的运动控制。近些年，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，各种电子式万能 材料试验机相继问世并投入市场，为材料性能测试提供了高度自动化的设备。虽然 新设备功能全，但其价格昂贵，而原有的老设备仍在广泛使用，其数据处理方法满 足不了现代科学研究的需要。针对这种情况，国内己有一些科研单位、企业公司、 高等学校利用微机和传感器技术对老式万能材料试验机的测试系统进行了技术改 造，实现实验数据的自动采集、分析和处理，但其中仍然有许多问题有待解决。 本论文的主要研究内容是电子式万能材料试验机测控系统的闭环控制软件的设 计，主要针对橡胶材料的力学性能试验。其中主要包括的内容如下： 1 分析了系统结构和功能； 2 编写测控系统软件，实现了软件的闭环控制，能达到橡胶材料的拉伸试验 中的定伸运动以及定负荷运动； 3 分析了系统涉及到的若干算法和关键技术，并加以应用； 4 进行了相关的试验。 其中主要包括测控系统的组成和工作原理、测控系统测控系统软件结构分析与 设计、闭环算法编写、实时测试数据的在线处理、数据库、测控系统程控自动运行 的实现。 北方工业大学硕士学位论文 1 2 试验机及其分类 材料试验机是测定材料性能指标的标准仪器设备，根据材料种类及所需测定的 性能指标的不同，材料试验机可以分为很多种。按我国产品分类规定【3 】，试验机按 用途可分为：金属材料试验机、非金属材料试验机、平衡机、无损检测仪器、振动 台、冲击台与碰撞台、力与变形检测仪器、摩擦、磨损、润滑与工艺试验机、大型 结构试验机、汽车专用试验设备等。 材料试验机包括：万能材料试验机( 机械式和液压式) 、拉力试验机、压力试 验机、弯曲试验机、扭转试验机、复合应力试验机、大型构件试验机、蠕变与持久 强度试验机、松1 1 t 1 , 式马金机、硬度计、冲击试验机、疲劳试验机等。非金属材料试验 机是按被测试材料来分类的，每类中又按其能完成的检钡9 项目再进行划分。 材料试验机是测试金属材料力学性能的一个测试加载平台。按照加载方式与控制 方式区分【l 】，有三代产品：机械式加载试验机、液压式加载试验机、微机控制的电 控试验机。 1 机械式加载试验机，主要是普通电动机、齿轮、丝杠式传动加载及重锤枉 杆式加载。其缺点是调整、控制加载速率十分困难，而且要求试验机承力结构抵抗 变形的刚度很大。 2 液压式加载试验机使人工调整、控制加载速率变得较为容易，加载能力也 得到极大加强，而且对试验机结构刚度要求下降，特别是易于实现双向、三向加载， 这是机械加载方式难以实现的。 3 微机控制的电控试验机是在普通电动机，齿轮、丝杠式传动加载的基础上 改以采用便于自动控制的伺服电机，或者在液压加载方式的基础上采用电液伺服阀 或比例阀，配上微机控制的自动控制系统及显示系统，使得试验机的性能发生了革 命性的变化。 l - 3 试验机的发展历史及现况 在工业生产的发展过程中，随着新材料的不断出现，迫切需要研制和生产相应 的材料试验设备，以及研究材料的试验方法。于是材料试验机应运而生，第一台材 料试验机于1 7 2 9 年问世，它是根据杠杆原理制成的。到十八世纪中叶，材料试验机 逐渐地有了较大的改进，例如在加载机构中采用了刀口结构等，这时的材料试验机 加载能力己达到1 0 0 吨。 2 北方工业大学硕七学位论文 十九世纪初，液压技术的进步促进了液压材料试验机的研究与应用。第一台液 压材料试验机于1 8 2 7 年制成，采用杠杆原理测量负荷。从这时起，才开始系统地发 表了一系列关于材料强度和弹性的试验数据。十九世纪三十年代，材料试验把环境 温度也考虑进去了，制造了在1 3 1 0 下下测定金属拉力强度的机械式材料试验机。 本世纪初，制成了布氏硬度计，随后制成洛氏硬度计、维氏硬度计和蠕变试验 机等。二战后，适应军事科学的发展，新型合金的研究工作也随之发展起来。与之 配套的一系列新型材料试验机，如高温材料试验机、低温材料试验机、高速材料试 验机和高频材料试验机等也相继出现，负荷测量系统和变形测量系统也有了新的发 展。在本世纪五十年代，出现了电子式材料试验机。由于在材料试验机的的控制、 测量和记录系统中，广泛采用了电子技术，使材料试验机的整体性能得到很大提高。 机械设计的进步和微电子伺服控制技术的应用，现代静态试验机己经把拉、压、弯、 剪等集合于一身，称之为“电子万能试验机”翻。通过变换夹具、附件和改变机器 运行参数就能自动完成材料试验，并将试验结果以数据打印和曲线描绘的方式输出。 此类试验机由于具有闭环机电伺服控制系统，除上述静态试验机功能外，它还能进 行低频率下的往复拉压循环试验，因而添加了部分动态试验功能，扩展了它的应用 范围，成为世界上目前应用最广、最普遍的机种之一，基本取代了传统的老式机械 拉力试验机、压力试验机和专用的弯曲试验机。目前国际上公认的电子万能材料试 验机有英国的n q s t r o n 、美国的m t s 和日本的岛津。此外，利用液压驱动大负荷 加载的液压万能试验机不仅可以对高强度金属、岩石等材料进行拉、压、弯、剪的 试验，而且特大负荷的机型也可以对大型建筑构件、地层高压岩体进行重载下的力 学强度试验，其负荷力值己达到三千吨力以上【4 】。 可以实现各种速率控制的自控试验机在微机没有发展起来时就有，但那时因大 规模集成电路发展尚不成熟，故需较复杂、庞大的电控箱，采样速度慢，响应速度 低，性能不能与现在比，性能价格比低，操作复杂不便。只是随着大规模集成电路 的发展，微机的普及，才出现了现在的微机控制的电控试验机。比较有代表性的厂 家有英国的英斯特朗公司和日本的岛津制作所。英斯特朗公司的第一代产品是1 1 1 0 系列，第二代产品为1 1 9 0 系列，第三代产品为1 1 0 0 、6 0 0 0 系列，第四代产品是4 5 0 0 系列( 精密型) 和4 0 0 00 2 0 0 、4 3 0 0 ) 系列( 标准型) 。岛津制作所的第一代产品是i s 系 列，第二代产品是d s s 系列，第三代产品是a g a 、b 、c 系列，第四代是a g e 系列。这些系列的试验机的技术指标中负荷精度能达到指示值的o 5 ( 或每级量 程的o 2 5 h 横梁速度控制精度达o 1 1 2 】。 北方 业大学硕士学位论文 我国电子式万能试验机的发展也很迅速。最早的一款电子式万能试验机是由长 春试验机研究所开发的定型产品w d 系列，先后移植给宁夏青山试验机厂、广州试 验仪器厂。杭州南土仪器有限公司在n y l - 3 0 0 型压力试验机基础上增加微电脑显 示、记录、储存、打印等功能。当检定时发现示值误差超差，采用通过改变传感器 中可变电阻的大小，调整示值误差。长春市朝阳试验仪器有限公司对北京建筑科学 研究院检测二所的5 台试验机联网改造，在原有的试验机上进行升级改造，以提高 机器的自动化水平，并与管理数据库进行数据交换【6 i 。济南试金集团生产多种类型 的成套试验设备。 因为考虑加载速率、变形速率对金属材料力学性能的影响，国际上通行的与我 国现行的金属材料拉伸试验规范中都对这两者做出较为严格的规定。按照规定传统 试验机因无法达到要求应属淘汰之列。但基于我国的试验机保有量和更新的经济承 受力，现经过十几年的更新过程，传统试验机正在逐步消失。目前计算机控制的电 控实验机使用越来越广泛，尤其是科研单位、重点高校，已基本淘汰传统试验机。 试验机发展的同时，试验机的附件和辅助装置也在不断更新发展，如高温加热 装置、低温致冷装置、高低温夹具、高低温引伸计、温度控制系统、大变形跟踪测 量装置以及气动与液压动力系统等。 到目前为止，试验技术的发展和试验机研制的范围，己从单一的实验室型的材 料性能试验发展到现场应用的结构强度模拟试验和实物整体的运行试验，而且试验 的内容也从室温下的拉、压、弯、剪等纯机械的力学性能试验迈入到能模拟高温、 低温、化学腐蚀与振动等条件的综合性试验的领域。 1 4 电子万能材料试验机的特点和发展方向 目前电子材料试验机的发展十分迅速，其优点较其它试验机表现在以下几点： 1 可以实现稳定的恒加载速率。因为加载速率的变化对材料力学性能有重大 影响，为测试静载条件下的力学性能就必须要求加载速率满足特定要求，而且恒定。 传统试验机只能靠试验人员观察，根据经验加以手工调整，而微机控制的电控试验 机则利用力传感器对载荷变化速度加以数据检测、采集，利用负反馈的闭环自控系 统使得加载速率稳定在预设值。 2 可以实现稳定的恒变形速率。这一点传统试验机是无法实现的。而微机控 制的电控试验机则利用电子引伸计对变形速率加以检测、采集，利用负反馈的闭环 自控系统使得变形速率稳定在预设值上。 北方工业大学硕士学位论文 3 传统试验机度量力的大小基本上靠杠杆平衡原理，其示力精度依赖砝码的 精度及杠杆系统的精度。故传统试验机测力绝对误差都是按照量程的百分之几来计 算的，故在某一量程内，力的数值越小，相对误差就越大。而微机控制的电控试验 机则利用力传感器作为力的测量装置，通过力传感器及相应电子放大线路则可以做 到力的示值相对误差保持不变并通过提高力传感器及相应电子放大线路的质量极大 提高了测力精度。 4 微机的使用，使得显示数据、曲线变得更加容易，通过软件还可以对数据 进行处理，这是传统的) ( _ - y 记录仪所做不到的。另外利用微机的外设打印机可以 极为容易地打出测试报告。 电子万能材料试验机的技术进步与材料理论、机械科学、电子技术、计算机技 术、信息技术等领域的发展联系密切，但也存在着诸多问题尚未解决。 试验机的机械本体是对试样加载的平台，它的结构、精度、刚性、上下夹头的 同轴度等指标对于试验的结果有很大影响。譬如：假设同轴度不好，在进行标准试 样拉伸试验的时候，试样所承受的载荷力的作用表现为沿着试样轴线的拉力和和力 矩，这将显著影响力学性能指标的分析结果。同时，合理分析试验机的机械本体结 构，可以在不降低机身强度和刚度的前提下，进一步缩小本体的尺寸和重量。目前 通过应用有限元分析方法，建立机械本体的受力分布，选择合理的载荷和约束条件， 可以得到机身横梁的上下表面、立柱、工作平台的应力分布情况【6 】，从而合理设计 机身的结构和尺寸。 在对非金属材料的应力应变关系测试的时，需要试验机本体刚性良好。试验 机在加载的时候，本身的弹性变形会吸收远大于试样吸收的能量，这种能量在试样 破坏过程中导致难以准确检测试样的破坏过程，同时也会造成试验机的冲击振动。 针对这种情况，罗生军等人设计辅助装置一由一个承力架和若干个碟簧叠合而成的 吸能装置，它可以降低机身储存的能量对试样破坏过程的影响【1 6 1 。 试验机的夹具【8 1 【9 】【1 0 1 一直就是试验机本体设计中的关键一环，以往的试样安装 方法繁琐，难以保证试样中心线和夹具的中心线处于同一直线上，而且手工装夹生 产率低下，自动化水平低。目前比较好的装夹方式是液压和气动方法，将来可以向 机械手自动装夹的方向发展。 试验机的测量系统是试验机的一个关键部分，它需要采集载荷、变形等多种参 量。老式试验机采用一些机械式的仪表盘、滚筒，通过试样人员目测的方法记录材 料力学试样特征点的力数值等方法记录原始数据，这种方式不方便而且容易出错， 试验结果和人为因素关系密切。目前试验机的的测量系统主要由传感器和电子线路 北方1 ：业大学硕士学位论文 搭建，将单片机、d s p 、计算机等引入到测量系统中，大幅度提高了测量的自动化、 准确性和试验效率。在载荷测量方面，目前常见的是使用应变式力传感器搭建电桥 电路进行，而且随着集成电路技术的进步，产生了很多专用信号调理模块如 m a x l 4 5 7 等的，它们提高了测量的精度和电路设计的复杂程度。在变形测量方面， 引伸计应用广泛，传统的模拟量输出的引伸计向数字量输出的引伸计过渡，比如将 引伸计两脚之问的直线位移转换为转角的变化，然后由编码器输出对应与变形量的 脉冲数。光栅尺【”】是一种量程很大而分辨率很高的传感器，应用光的干涉原理，计 量标尺光栅和指示光栅之间的相对位移来测量试样的变形。这种传感器的输出可以 直接是数字量，方便计算机的处理。 数据采集过程中，必然会包含一些干扰成分，如何消除干扰是试验机测控系统 必须面对的一个核心问题。已有的解决方法分为两个方面：在硬件方面，使用分辨 率很高的模数转换器件，因为在数据采集系统中，影响精度的最关键的方面就是a d 的转换能力。s o c 1 2 1 ( s y s t e m o n c h i p ) 在试验机测控系统的改造和设计中越来越受 到重视1 2 ”，它能把一个系统要完成的功能用一个芯片来实现，如p h i l i p s 公司生产 的c 8 0 5 1 f x x x 系列芯片，使用非常方便，数据处理能力强。数字信号处理器( d s p ) 在试验机的开发应用越来越广泛，利用d s p 强大的数值运算能力，可以将复杂的数 据处理、伺服控制算法等计算任务直接交给硬件执行，降低测控系统软件的负担， 提高试验机整体性能。一些可编程的器件如c p l d 、f p g a 等，在把它们和其它器 件的配合使用，可以极大地增强系统的可靠性和自动化水平，便于系统扩展。在软 件方面，广泛应用的数字滤波算法将信号的调理由硬件实现转换为软件实现，随着 计算机和高性能的数字信号处理芯片的广泛应用，这种方法可以实现很复杂的数据 处理处理过程。 试验机的伺服控制是试验机测控系统设计中的关键一环，伺服控制的目的是为 了在试验过程中获得良好的应力速率、应变速率、位移速率以及定载荷、定应变、 定位移等等。传统的载荷加载控制是应用杠杆原理，通过手动的方式实现试样的， 这种控制方法与和试样人员的主观因素关系密切，而且控制的精度依赖与杠杆系统 的精度，现在基本上已经被摒弃。在技术上已成熟的试验机测控系统上，广泛应用 了如p w m 电液控制系统、分级比例控制、p w m 直流伺服控制、锁暗一自适应控制、 p i d 控制、动态响应自适应控制等等。采用何种控制是和试验机的种类、试样的类 型、试验的目标、驱动部件类型、加载方式、控制精度要求等相关的，但是最终都 要满足相应的材料试样国家标准的要求，特别是应力速率和应变速率要求。 6 北方工业大学硕士学位论文 p i d 控制”5 】【1 6 1 17 l 【1 8 】【1 9 】是应用非常广泛的一种控制方法，在液压和电控的试验机 系统中都有很好的控制表现。目前普遍使用的是增量式p i d 控制，其控制的效果主 要取决于三个控制参数k p 、k i 和k d 的调整。在实际应用了，为了获取更加优良的 控制性能，一般会做适当的调整，如改造成比例积分适时调整的p i d 控制等。 随着航空、航天工程、近海钻探、核反应堆及动力设备、造船、火车和汽车等 工业中新型材料、先进结构和工艺的出现，人们对高响应、高精度和高功率比的电 子万能试验机的需要也日益迫切。这就意味着采用现代控制理论来指导电子万能试 验机系统的设计已成为重要的研究课题。它主要以状态方程为基础，研究多输入、 多输出、变参量、非线性、高精度和高效能控制系统的分析和设计问题。最优跟踪、 最佳滤波、系统辩识及自适应控制等则是这一领域里的几个主要分支阿。利用各种 先进的传感器、中间变换装置、各种类型的频率响应分析仪及其信号处理机来测试 材料试验中的振动、噪声、动态力、动态位移、动态温度等动态参数已受到普遍重 视，尤其是采用相关积分实现跟踪滤波和快速傅里叶交换和时间序列分析 ( d d s ) 的原理和手段来准确地测辩材料试验系统的动态模型，已成为对试验机 实麓最优跟踪、随机控制和自适应控制的必要技术。 变结构控制( v s c ) 是一种系统综合控制方法，其最大特点就在于为不确定性 对象提供了一种强有力的确定性控制系统的设计方法和结构简单的控制器，且保证 控制系统具有很强的鲁棒性和适应性。变结构控制已开始被应用来解决许多实际问 题，如机器人的控制、飞机的自适应控制、卫星姿态控制、电机控制、电力系统控 制等，在这些方面都有许多研究成果。 一 如上所述，电子万能材料试验机的发展需要解决的问题还很多，整体而言表现 在以下几个方面，也在一定程度上代表了试验技术发展的方向【l 】： 1 高精度的横梁速度控制、加荷率( 等速应力) 、应变率( 等速应交) 、精确的控 制状态转换，以及实时地进行测量、记录，便捷的试验结果显示和打印输出。 2 万能试验机上带有各种自动控制和自动测量装置，大都采用微型组件形式， 可以随意增加以扩大试验机的使用范围和功用【7 】。 3 主机结构逐步向单空间式发展。控制测量系统趋于与主机分离设置，为使试 验准确可靠并便于操作，广泛使用气动和液压加紧装置。 4 鉴于应力、应变测量对万能试验机的性能指标有很大的影响，因此国外在 不断改进万能试验机结构和加荷系统的同时，都致力于研制性能稳定、反应灵敏和 精度高的应力应变测量装置。目前正在大力发展的是应变片式负荷传感器，差动变 压式延伸计。 7 北方工业大学硕七学位论文 5 p c 机和微处理器己开始应用到万能试验机中，用来实现复杂的实时控制和 数据处理。试验机系统也由基于p c 机或者工控机系统向独立式测试系统发展，采 用的总线方式由以前的i s a 总线、p c i 总线向u s b 总线发展。 6 试样的加工、处理、搬运、安装等过程的自动化；试验结果记录过程自动化； 试验结束时保护应变计等装置免受冲击和试验机自动停机等试验安全保护。试验数 据处理过程的自动化，以便从测出的基本试验数据中值迅速得到有用的推导值，从 而迅速进行控制反馈； 1 5 论文所开发的试验机测控系统简介 1 5 1 系统分析 材料试验机测控系统设计需要达到的目标是：开发一套自动检测和控制系统， 按照国家标准对材料试验的各项规定，在对标准试样加载，完成定伸运动或者定负 荷运动过程中，记录载荷力和试样变形量的实时数据，并分析计算材料的力学性能 指标。测控系统主要针对橡胶材料的拉伸试验。 试验机测控系统包含软件部分和硬件部分，主要有：载荷加载子系统、运动控 制子系统、物理量测量子系统、人机交互子系统和数据分析及报表处理子系统构成。 目前广泛应用的测试系统主要是数字控制系统，而且微机是系统的核心。根据 应用领域的不同，可以选择不同的系统配置。主要有：单片机为控制核心的系统、 专用总线模块控制系统和以p c 机或工业控制计算机为核心的系统。 基于p c 机或工控机的测试系统有很多优点：运算速度快、开发平台多种多样、 可移植性好、性能稳定、扩展方便、硬件资源丰富和开发难度较小等等，这些优点 对于材料试验机开发而言是非常需要的。材料试验过程中，需要同时执行数据采集、 运动控制和状态监控任务，数据交换负担很重，实时性要求高，数据处理能力要求 很强。综合这些特征选定系统整体方案：以p c 机或工控机为核心实现检测和控制。 实践证明这种选择是正确的，如图1 1 所示基于p c i 总线的电子万能材料试验机实 物图。从图1 1 可以看出：材料试验机由机械本体部分、测控卡( 包含测控系统软 件) 、计算机和伺服驱动系统四个部分组成。 1 5 2 系统的特色 已开发成功的基于p c i 总线的电子万能材料试验机测控系统的特色： 1 电机调速平稳，调速范围宽，横梁位置位置控制精确。 2 可以同时采集4 路模拟量信号，预留i o 口以方便将来的系统升级。 3 输入输出通道与主机用光电耦合进行隔离，硬件系统有较强的抗干扰能力。 北方工业大学硕士学位论文 4 系统具有比较强的实时数据采集和在线处理能力。 5 试验过程中能随时根据试验进展情况调节试验参数和电机控制参数，而且 切换过程中试验机运行平稳，同时具有手动切换和根据运行状态自动切换 的功能。 6 电机调速平稳，调速范围宽，横梁位置位置控制精确；能实现橡胶材料拉 伸时的定伸运动和定负荷运动，且有一定的抗干扰功能。 7 系统具有安全保护措施，如夹头行程超过范围后能够报警或者自动停机。 8 测控系统软件的开发严格遵循材料试验机国家标准规定进行，界面友好， 易于使用。 9 系统标定和调零非常方便，操作简单。 图1 1 材料试验机实物图 1 5 3 系统组成和工作原理 本电子材料试验机( 如图1 2 所示) 系统的硬件组成包括万能材料试验机机械 本体3 ，伺服控制器1 4 及电机1 2 以及p c 机，其它附件有负荷传感器6 、变形传感 器7 、负荷变形放大器8 、编码器l o 、模数转换器、打印机、绘图仪等等。机械本 9 北方工业大学硕士学位论文 体主要用来给试样施加载荷，应变式负荷变形传感器固定在机械本体的上夹头上， 以测量加在试样上的负荷。变形传感器为应变式单向引伸计，试验时，引伸计直接 卡在试样上，用以测量试样的变形。当给试样加载时，力传感器和引伸计分别把力 和变形转化为电压信号，输入到力、变形电压信号放大器中，放大器输出经过信号 调理、模数转换后，通过测控卡送入计算机，再经过比例换算等处理得到力和变形 量值，同时绘出力变形等特征曲线。测控卡输出控制信号给驱动器，控制电机运 行，从而驱动执行机构运动。系统软件按照预先设定的计算项目，进行数据处理。 试验结果可以用表格或曲线的形式，经打印机或绘图仪输出。 1 5 a 测控卡原理分析 材料试验机是一种集数据采集和运动控制为一体的自动检测和控制系统，属于 机电一体化设备。测控卡从功能上面可以理解为在p c 机和材料实验现场架起了一 个自治的缓冲和命令传递中介，对于p c 机和系统软件而言，它汇报测试现场的情 况和状态，为系统软件获取实验相关数据、状态监控和系统调整提供了一个硬件平 台，同时它又实现对实验现场发布系统软件的控制命令，控制执行机构的运动和状 态。运用高性能的a d 转换芯片和复杂可编程逻辑( c p l d ) 芯片，将数据采集、 运动控制、状态监测和数字滤波有效地统一在一起。其硬件结构如图1 3 所示： 1 6 本章小结 本章简述了试验机的分类和发展历史，概括了试验机的现状和存在的问题。主 要针对系统的组成和工作原理、测控卡的原理以及系统的特色三个方面，分析了论 文所开发的材料试验机测控系统。 北方工业大学硕士学位论文 图1 3 系统工作原理图 拇 模 拟 蔓一 多 _ _ 篙_ 路 蓁一篓p 托i 螽三切 遁_ 换 总 道 - _ 一 十 线 匣堕蛩心执棚件蚶 图1 3 测控卡硬件原理图 北方工业大学硕士学位论文 2 测控软件整体分析 2 1 电子材料机委托方开发要求 本电子万能材料试验机按照委托方要求必须能达到以下功能指标： l 、 针对专用硫化橡胶拉伸应力应变性能测试软件； 2 、力、应变测试精度：1 ； 3 、动横梁速度精度：小于等于2 ； 4 、动横梁位移测量分辨率：0 1 m m ； 5 、具有软件限位保护功能； 6 、 具有拉伸力过载保护功能； 7 、 具有试样断裂后快速返回零点位置功能； 8 、可以记录位移，拉伸力，拉伸应变数据的功能，并可绘制力位移，力应 变曲线； 9 、 曲线可以屏幕显示和打印； 1 0 、能实现定伸运动和定负荷运动； 本软件设计中，主要功能方面具根据要求来设计编写，同时兼顾一般测控软件 的开发方法设计准则，整个软件采用动态链接库的思想，以模块化思路设计，方便 日后改进和升级。 2 - 2 测控软件的开发方法和设计准则 测控系统软件的开发可以分为问题定义、程序设计、程序编码、程序验证、正 确性确认、文档编制与维护等6 个阶段吲。 1 、问题定义阶段主要是根据测控系统对测控系统的需求任务书所提出的要求 来描述该任务，决定输入输出的形式、数据处理要求、系统的具体指标， 以及出错处理方法，明确测控软件设计的具体要求； 2 、程序设计阶段对测控系统实际定义的问题用软件结构的方式进行描述，划 分系统模块，制定系统布局，绘制功能结构图、程序流程图，研制相关算 法，并适当进行结构化程序设计或面向对象的程序设计。在程序设计阶段 还要考虑具体操作系统的选择问题； 北方工业大学硕士学位论文 3 、程序编码阶段需要选择合适的程序设计语言束编写程序是首先要考虑的问 题。在w i n d o w s 平台上流行的程序设计语言很多，如v i s u a lc + + 、c 抖 b u i l d e r 、v i s u a lb a s i c 等。这些面向图形用户界面的程序设计语言为用户 设计优美的人机界面奠定了基础。v i s u a lc + + 是其中一种强有力的工具， 能自动地处理消息，在合适的事件过程当中添加合适的代码即可实现相应 的功能，可以降低劳动强度； 4 、程序验证阶段主要是对软件进行调试，在此阶段可利用代码调试器、仿真 数据、仿真程序等手段，跟踪测控程序； 5 、正确性确认阶段主要是检查程序是否正确执行了总的任务。由于测控系统 包含的各种相关的设备很多，非常复杂，而很难发现系统在总体结构方面、 各任务之间的协调配合方面的错误，这些错误是依靠测试阶段来发现的。 在测试阶段，需要选择正确的测试方法和合适的测试数据。 6 、文件编制涉及程序说明文档、程序测试文档、程序使用文档的编写，然后 就进入了长期的程序维护、改进和扩充阶段。 和其他软件的开发一样，测控系统软件也有自己的设计准则，具体表现在： 1 程序定时应与系统时钟无关，以支持c p u 主频的变化； 2 采用分层设计，提高各层软件程序的独立性，每一层的软件仅能调用低一 层次软件提供的接口与服务，避免越级调用出现，以便提高软件的生命周 期； 、 3 设计与硬件设备相对独立的接口模块，避免上层软件对硬件的直接操作； 4 保证上层软件的设备无关性； 一 5 灵活采用w i n d o w s 的消息机制与多线程编程，使软件系统高效率工作； 6 按功能或任务进行模块划分，对不同的模块可以设计相应的动态连接库或 静态库，以最大限度地实现资源共享，方便软件模块的升级； 7 保证软件的健壮性、可靠性、可维护性、可读性及可测试性。 2 3 电子万能材料试验机测控系统软件自身的要求唧 材料试验机作为一种标准的测试设备，在软件上也有其区别于一般软件的开发 要求。主要体现在阻下几个方面： 2 3 1 结合材料试验国家标准的要求 作为一种标准化测试仪器，和其它如游标卡尺一样，试验机的等级和是否合格 是要经过严格的检验的。测控系统软件作为试验机的一个重要组成部分，它是否完 北方工业大学硕士学位论文 善对于试验机本身而占尤为重要。显而易见， 关的，试验过程本身也是由国家标准规定的， 家标准进行。主要体现在以下几个方面： 1 通用性和针对性 试验机软件和材料试验过程是紧密相 所以，软件开发需要结合材料试验国 总体而论，试验标准大体可以区分为通用性标准( 如各种材料的性能检测标准) 和针对性标准( 如各种产品的性能检测标准) ，而针对性标准往往又是以相应的通 用性标准作为参照的。因而，多数的测试软件采用了通用性的设计，力求只作一次 性投入开发并尽可能适用于相当多的测试领域。然而，这样的设计必然是针对性不 足，其直接后果是很难顾及每一个用户的实际需要。 为此，根据测试软件的不同应用对象，在遵循标准的通用性和针对性上进行了 三类处置：对进行质量检验、质量控制、商品检验及仲裁等应用对象，充分突出测 试软件的针对性，从材料或产品牌号、遵循标准号、测试性能的符号及名称等，都 一一遵循针对性标准的规定；对材料研究，性能研究、教学等应用对象，则突出测 试软件的通用性并加强对原始数据及测试结果的灵活处理功能；对综合应用、特种 应用等应用对象。则在使测试软件具有通用性的基础上扩充应用对象的特定需求。 实践表明，这样的设计处置能较好地适应每个用户的实际需要。 2 严格性和严密性 试验机测控系统软件在遵循标准上体现出严格性和严密性是至关重要的。所谓 严格性是指严格遵循标准的各项规定；所谓严密性是指所遵循的标准本身的制定依 据。只有在测试软件中体现出了严格性和严密性，才不至于开发出仅只是执行加减 乘除之类的运算软件。显然，要做到这点，必须学习、研究所有涉及的试验标准及 其背景资料。 3 扩充性和预见性 力学性能试验标准是性能检测的依据，但是，标准总不是一成不变的，此外， 一套性能测试软件也可能在需要时即要求扩充执行更多的测试标准。因此，在开发 测试软件时，应当考虑到试验标准本身可能存在的问题而进行扩充性设量r 合理地 弥补或修正标准的某些不足之处；对试验标准的修订应有所预见，并在软件结构设 计和布局上有所准备，以适应标准修订后能及时实施测试软件的相应修订。 2 3 2 指标分析结果要求准确 力学性能测试的最终要求是获得准确可靠的测试结果，这应当是试验机测控系 统软件的重要设计原则。然而，实际状况却并非如此。对力学性能自动测试系统来 说，能实时采集到准确可靠的测试数据并不能说明它一定能自动获得准确可靠的测 北方：【业大学硕士学位论文 试结果。其实，采集到准确可靠的测试数据是不困难的，而要自动获得准确可靠的 测试结果倒是很不容易的。为此在软件开发的过程中，需要注意解决以下几个问题： 1 判断并处理试验条件 、 试验条件在很大程度上面会影响试验结果，比如：试验机的结构及功能、试验 条件设置、应用对象( 用户) 的应用目的、测试材料的性能特征、测试环境的保障 及材料发展及应用发展等等。只有正确分析影响测试结果准确的各类因素，才能设 计出相应的自动判断处理功能而确保测试结果的准确。 2 判断并处理人为影响 测试过程中存在或出现人为因素影响对获得准确的测试结果是极为不利的，此 外，操