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东北大学硕士学位论文摘要 1o o k n 电液伺服疲劳试验机的控制系统研制 摘要 在材料性能测试中，疲劳试验机是最为常用的设备。疲劳试验机的性能主要取决于 其控制系统。由于数字控制器具有灵活的多参量控制补偿功能，特别是对系统的非线性 修正、改善控制特性和控制状态转换方面模拟控制系统是不能比拟的，因此得到了很大 的发展和应用。而国内的全数字式控制器目前还在研制中，距离产业化应用还有一定的 距离。基于这一情况，本文在普通的p c 机上应用l a bw i n d o w s c v i 软件对疲劳试验机 的全数字式控制系统进行了开发。 首先，对疲劳试验机的液压及电控系统设计进行了简要的介绍。然后利用理论分析 和系统辨识相结合的方法来建立系统模型，由前者经过机理分析建立系统经过简化的模 烈。分析系统的特征，为系统辨识提供足够的信息，然后使用最小二乘的方法对系统离 散模型进行辨识。针对经辨识得到的系统差分方程模型，通过遗传算法获得p 1 d 控锖4 器 参数初始值，继而用改进的单纯形法进行最终寻优。 在实时控制系统中，时间显然是最宝贵的资源。控制系统的各项任务，包括输入、 输出、控制计算以及数据传输都必须在确定的时刻开始，在有效的截止时间内完成。推 理和计算的正确性不仅依赖于逻辑的准确，丽且依赖于结果产生的时间。因此要完成实 时控制任务，首先就是要能够获得精确的时间，从而使控制程序能够周期定时地被启动 运行。本文利用w i n d o w s 精确定时技术进行定时，该技术l m s 的定时误差不超过2 。 另外，利用多线程技术把系统运行状态实时显示、数据实时记录放到控制线程之外的辅 助线程以保证控制效果。 最后，对控制软件的各个控制界面以及控件进行了简明的介绍。并且进行了空载位 移控制和板状试件的力控制试验。试验结果表明，本文所开发的控制系统能够完成既定 任务，且控制效果良好。 本文所研究的疲劳试验机的液压站、主机、电控以及计算机控制系统均顺利通过了 东北大学验收。 关键词电液伺服疲劳试验机优化精确定时多线程l a bw i n d o w s c v l i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o ft h ec o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o f a t i g u em a c h i n eo f 10 0 k n a b s t r a c t t h et e s t i n gm a c h i n ei st h em o s tp o p u l a re q u i p m e n ti nt e s t i n gt h ec a p a c i t yo fm a t e r i a l t h ef u n c t i o no ft h et e s t i n gm a c h i n el i e so nt h ec o n t r o ls y s t e mm o s t l y i ti se a s i e rf o rt h e d i g i t a lc o n t r o l l e rt om a k em u l t i p l ep a r a m e t e r sc o n t r o l l e do f f s e tt h a nt h ea n a l o gc o n t r o ls y s t e m a s 协n o n l i n e a ra d j u s t m e n t c o n t r o l l i n gc h a r a c t e r si m p r o v e m e n ta n dt r a n s i t i o nf o rc o n t r o l m o d e ，t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rh a so b v i o u ss u p e r i o r i t i e st oa n a l o gc o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，t h e f o r m e rc o n t r o l l e rh a sb e e nw i d e l yu s e da n dd e v e l o p i n gq u i c k l yf o rt h e s ey e a r s h o w e v e r , d o m e s t i ct o t a ld i g i t a lc o n t r o l l e ri ss t i l lu n d e rd e v e l o p m e n ta n dh a sal o n gd i s t a n c et og oi n o r d e rt of o r mi n d u s t r i a l i z a t i o n b a s e du p o nt h i sc u r r e n ts t a t u s ，t h et o t a ld i g i t a lc o n t r o l l e rf o r e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v of a t i g u em a c h i n ei sb r o u g h tf o r w a r db yu s i n gl a bw i n d o w s c v io n c o m m o np c f i r s t l y , t h eh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i cs y s t e ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , s y s t e m sm o d e li s e s t a b l i s h e db y l i n k i n gm e c h a n i s ma n a l y s i sa n ds y s t e m i d e n t i f i c a t i o nt o g e t h e r a tf i r s tt h em o d e li sb u i l tb ym e c h a n i s ma n a l y s i s a n dt h e ns y s t e m s c h a r a c t e r sw i t he n o u g hm e s s a g e sf o rs y s t e mi d e n t i f i c a t i o na r ea n a l y z e d a tt h es a n l et i m e l e a s ts q u a r e sm e t h o di sa p p l i e df o rs y s t e mi d e n t i f i c a t i o np r o g r a m s t h eg e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m i z a t i o nm e t h o di su s e dt og e tt h ei n i t i a lp i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r si nr e f e r e n c et ot h e d i f f e r e n t i a le q u a t i o nt h a ti sg o tf r o mi d e n t i f i c a t i o n ，a n dt h e nt h ef i n a lp i dp a r a m e t e r sa r e o b t a i n e db yi m p r o v e ds i m p l e xm e t h o d f o rr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m ，t i m ei st h em o s tp r e c i o u sr e s o u r c e e a c ht a s k , i n c l u d i n g i n p u t ，o u t p u t , c a l c u l a t i o na n dd a t at r a n s p o r t ，m u s tb es t a r t e da tac e r t a i nm o m e n ta n d e s t a b l i s h e dw i t h i na 1 1e f f e e t i v et i m ei n t e r v a l t h ev a l i d i t yo fr e a s o n i n ga n dc a l c u l a t i o n d e p e n d so nn o to n l yl o g i cc o r r e c t n e s s ，b u tt h ea c c u r a t et i m i n gf o rg e t t i n gt h er e s u l t s oi t st h e f i r s tt a s kt h a tg u a r a n t e ea c c n r a t et i m e ri no r d e rt os t a r tc o n t r o lp r o g r a m m e rp e r i o d i c a l l ya n d c o m p l e t er e a l - t i m ec o n t r 0 1 w i n d o w st i m i n gt e c h n i q u e i su s e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a ne n s u r e e r r o rl e s st h a n2 f o rl m st i m i n g f u r t h e r m o r e t h ep r o c e s sf o rr e a l t i m ed i s p l a ya n dd a t a r e c o r di sp u ti n t oas e c o n d a r yt h r e a d ，w h i c hi so u to ft h ec o n t r o lt h r e a db ym e a n so f m u l t i - t h r e a dt e c h n i q u et oa s s b r eg o o dc o n t r o lr e s u l t i nt h ee n d t h ec o n t r e lp a n e l sa n db u t t o n si nt h ec o n t r o ls o r w a r ea r ec o n c i s e l yi n t r o d u c e d i i i 丕些苎堂塑鲎垒熊查 垒垫型 t h ei d l i n gd i s p l a c e m e n tc o n t r o l l e da n dl o a dc o n t r o l l e dt e s tf o rp l a i ns p e c i m e n8 聪c a r r i e do u t t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e rc a l lc o m p l e t ep o t e n t i a lt a s k s a n dh a sg o o dc o n t r o lr e s u l t t h eh y d r a u l i cs t a t i o n ，h o s tm a c h i n e ，e l e c t r i ca n dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo ft h et e s t 她 m a c h i n es t u d i e di nt h i sp a d e rh a v eb e e nc h e c k e da n dr e c e i v e db yn e u k e yw o r d s ：e l e c t m h y d r a t d i cs e r v o ；t e s t i n g m a c h i n e ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；s e t t i n g t i m e a c c u r a t e l y ；m u l t i f l l r e a d ；l a bw i n d o w s c v i 独创性声明 本人声骧所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：l 最球 1 日 期：上咖6 2 妙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人授权东北大学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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着现代科学技术特别是材料科学的发展，人们更加重视动态试验，疲劳试验机的 整体水平在不断提高，它己成为飞机、汽车等机械制造行业中零件的疲劳强度和寿命试 验不可缺少的设备【l 。而电液伺服技术是实现动态高周疲劳、程控疲劳和低周疲劳以 及静态的恒变形速率、恒负荷速率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。 电液伺服系统有许多优点，其中最突出的就是响应速度快、输出功率大、控制精确 性高，因而在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。人 类使用水利机械及液压传动虽然已有很长的历史，但液压控制技术的快速发展却还是近 几十年的事，随着电液伺服阂的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领 域也得到广泛的扩展。 本课题立足于计算机控制技术、电液伺服技术开发了疲劳试验机测控系统。该系统 具有通用性强、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、运行安 全可靠等特点，能够降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，创造良好的经济效 益和社会效益。 1 2 疲劳的定义及疲劳的重要性 在机械工程中，多数机械零部件都是在循环载荷作用下工作的，其工作应力往往低 于材料的屈服强度。零部件在这种循环载荷下，经过较长时间运行而发生失效的现象称 为金属的疲劳。 疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。据统计，机械零件整体断裂失效中约 有8 0 属于疲劳断裂【9 l 。随着现代机械向高速和大型化方向发展，许多零部件在高温、 高压、重载和腐蚀等恶劣工况下运行，疲劳破坏事故更是层出不穷。因此，研究机械零 部件的疲劳强度和推广疲劳设计，对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的 意义。 疲劳强度设计是建立在实验基础上的- l - j 科学。只有模拟真实的载荷及环境，对被 研究的设备或零部件进行实物试验，才能正确地评价他们真实的疲劳特性，验证疲劳设 计的预期效果。但是，由于整机试验成本太高，而零部件的疲劳试验虽不如熬机试验接 近实际，却比用标准试样更接近工况，所以，关键零部件的疲劳试验是疲劳设计中的一 个重要环节。在零部件的疲劳试验中，要消耗大量零部件试样，对于不同的设计方案， 又要制作不同结构的试样，很不方便。所以，一般多用结构简单、造价低廉的标准试样 进行疲劳试验，以提供疲劳性能数据和疲劳设计数据。因此，疲劳试验在疲劳研究和疲 1 东北大学硕士学位论交第一章绪论 劳设计中占有举足轻重的地位。 1 3 疲劳断裂机理 ( 1 ) 疲劳裂纹的产生 金属所受交变应力大于疲劳极限，在金属表面，晶界及非金属夹杂物处形成滑移带， 滑移带中的缺陷或挤入沟处形成应力集中，形成裂纹源。 ( 2 ) 疲劳裂纹的扩展 第1 阶段：从金属表面饷驻留滑移带，挤入沟或夹杂物开始，沿最大切应力方向( 与 主应力呈4 5 度方向) 向内部发展。速度慢，每1 次循环o 1 n m 数量级； 第2 阶段：裂纹扩展方向逐渐转为和主应力垂直的方向，速度快，每1 次循环微米 数量级； ( 3 ) 疲劳裂纹的扩展速率 每次应力循环裂纹的扩展量，称为疲劳扩散速率。 1 4 疲劳试验分类 疲劳试验有多种分类方法。 ( 1 ) 按试样破断时应力( 应变) 循环周次高低可分为；低周疲劳试验、高周疲劳试验。 失效循环次数大于5 1 0 4 的称为高周疲劳试验，小于5 x 1 0 4 的称为低周疲劳试验； ( 2 ) 按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试 验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等； ( 3 ) 按试样的加载方式可分为：拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复 合应力疲劳试验。弯曲疲劳试验又可分为旋转弯曲疲劳试验、圆弯曲疲劳试验、平面弯 曲疲劳试验；又可分为三点弯曲、四点弯曲、悬臂弯曲疲劳试验； ( 4 ) 按应力循环的类型可分为：等幅疲劳试验、变频疲劳试验、程序疲劳试验、随 机疲劳试验等； ( 5 ) 按应力比可分为：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。非对称疲劳试验又可以分 为单向、双向加载疲劳试验。单向加载疲劳试验又可以分为脉动疲劳试验、波动疲劳试 验； ( 6 ) 按试验目的可分为：性能测试疲劳试验、影响系数疲劳试验、对比疲劳试验、 簿选疲劳试验、验证疲劳试验等； ( 7 ) 按试样有无预制裂纹可分为：常规疲劳试验、疲劳裂纹扩展试验。 1 5 疲劳试验机的生产背景及应用价值 电液伺服疲劳试验机应用广泛，可对金属和非金属，特别是新材料如超强度钢、合 金和增强合成纤维等材料进行拉伸、压缩、高周疲劳、低周疲劳以及实物试验等。它充 2 东北大学硕士学位论文 第一章辩论 劳设计中占有举足轻重的地位。 1 3 疲劳断裂机理 ( 1 ) 疲劳裂纹的产生 金属所受交变应力大于疲劳极限，在金属表面，晶界及非金属夹杂物处形成滑移带， 滑移带中的缺陷或挤入沟处形成应力集中，形成裂纹源。 ( 2 ) 疲劳裂纹的扩展 第l 阶段：从金属表面韵驻留滑移带，挤入沟或央杂物开始，沿最大切应力方向( 与 主应力呈4 5 度方向) 向内部发展。速度慢，每1 次循环o 1 n m 数量级； 第2 阶段：裂纹扩展方向逐渐转为和主应力垂直的方向，速度快，每1 次循环微米 数量级； ( 3 ) 疲劳裂纹的扩展速率 每次应力循环裂纹的扩展量，称为疲劳扩散速率。 1 4 疲劳试验分类 疲劳试验有多种分类方法。 ( 1 ) 接试样破断时应力( 应变) 循环周次高低可分为t 低周疲劳试验、高周疲劳试验。 失效循环次数大于5 x 1 0 4 的称为高周疲劳试验，小于5 1 0 4 的称为低周疲劳试验； ( 2 ) 按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试 验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等； ( 3 ) 按试样的加载方式可分为：拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复 合应力疲劳试验。弯曲疲劳试验又可分为旋转弯曲疲劳试验、圆弯曲疲劳试验、平面弯 曲疲劳试验；又可分为三点弯曲、四点弯曲、悬臂弯曲疲劳试验； ( 4 ) 按应力循环的类型可分为：等幅疲劳试验、变频疲劳试验、程序疲劳试验、随 机疲劳试验等； ( 5 ) 按应力比可分为：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。非对称疲劳试验又可以分 为单向、双向加载疲劳试验。单向加载疲劳试验又可以分为脉动疲劳试验、波动疲劳试 验： ( 6 ) 按试验目的可分为；性能测试疲劳试验、影响系数疲劳试验、对比疲劳试验、 筛选疲劳试验、验证疲劳试验等； ( 7 ) 按试样有无颓制裂纹可分为：常规疲劳试验、疲劳裂纹扩展试验。 l ，5 疲劳试验机的生产背景及应用价值 电液伺服疲劳试验机应用广泛，可对金属和非金属，特别是新材料如超强度钢、合 金和增强合成纤维等材料进行拉伸、压缩、高周疲劳、低周疲劳以及实物试验等。它充 金和增强合成纤维等材料进行拉伸、压缩、高周疲劳、低周疲劳以及实物试验等。它充 2 东北大学硕士学位论交第一章绪论 劳设计中占有举足轻重的地位。 1 3 疲劳断裂机理 ( 1 ) 疲劳裂纹的产生 金属所受交变应力大于疲劳极限，在金属表面，晶界及非金属夹杂物处形成滑移带， 滑移带中的缺陷或挤入沟处形成应力集中，形成裂纹源。 ( 2 ) 疲劳裂纹的扩展 第1 阶段：从金属表面饷驻留滑移带，挤入沟或夹杂物开始，沿最大切应力方向( 与 主应力呈4 5 度方向) 向内部发展。速度慢，每1 次循环o 1 n m 数量级； 第2 阶段：裂纹扩展方向逐渐转为和主应力垂直的方向，速度快，每1 次循环微米 数量级； ( 3 ) 疲劳裂纹的扩展速率 每次应力循环裂纹的扩展量，称为疲劳扩散速率。 1 4 疲劳试验分类 疲劳试验有多种分类方法。 ( 1 ) 按试样破断时应力( 应变) 循环周次高低可分为；低周疲劳试验、高周疲劳试验。 失效循环次数大于5 1 0 4 的称为高周疲劳试验，小于5 x 1 0 4 的称为低周疲劳试验； ( 2 ) 按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、热疲劳试 验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等； ( 3 ) 按试样的加载方式可分为：拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复 合应力疲劳试验。弯曲疲劳试验又可分为旋转弯曲疲劳试验、圆弯曲疲劳试验、平面弯 曲疲劳试验；又可分为三点弯曲、四点弯曲、悬臂弯曲疲劳试验； ( 4 ) 按应力循环的类型可分为：等幅疲劳试验、变频疲劳试验、程序疲劳试验、随 机疲劳试验等； ( 5 ) 按应力比可分为：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。非对称疲劳试验又可以分 为单向、双向加载疲劳试验。单向加载疲劳试验又可以分为脉动疲劳试验、波动疲劳试 验； ( 6 ) 按试验目的可分为：性能测试疲劳试验、影响系数疲劳试验、对比疲劳试验、 簿选疲劳试验、验证疲劳试验等； ( 7 ) 按试样有无预制裂纹可分为：常规疲劳试验、疲劳裂纹扩展试验。 1 5 疲劳试验机的生产背景及应用价值 电液伺服疲劳试验机应用广泛，可对金属和非金属，特别是新材料如超强度钢、合 金和增强合成纤维等材料进行拉伸、压缩、高周疲劳、低周疲劳以及实物试验等。它充 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 分发挥了电子、液压两方面的优点。精度高、负荷大，频率响应宽，逐渐成为精确研究 材料的力学性能，模拟零件、部件甚至整机在使用状态下力学特性的有力试验手段，因 此，电液伺服疲劳试验机历来为国内外众多试验机厂家所重视。然而我们与国外产品之 间的差距是不容忽视的。据不完全统计，国内市场伺服阀式试验机自1 9 8 7 年开始生产 至今，能正常使用的不足一半，像电子测量与控制部分、伺服系统等一些主要的部分， 我们许多型号的试验机还在采用国外的原装产品，甚至一些中小厂家的主打产品其主要 部分完全依赖国外进口。 1 6 国内外研究现状及主要控制方法 1 6 1 国内外研究现状 目前，国外生产电液伺服动静万能试验机的厂家很多。技术处于领先的知名厂家有 日本岛津公司、美国m t s 公司、德国申克公司及英国英斯特朗等。先进的电液伺服试 验机具有高精度、宽范围、多功能的电液伺服控制，能够用一台计算机完成所有试验功 能。可对试验全过程进行试验力、变形、位移等速率控制并保持，可实现各种控制方式 的平滑切换，试验数据的分析处理以及试验结果的打印显示等等。受大量进口国外试验 机设备的影响，加之该类设备技术难度大，投资巨大等原因，国产的电液伺服试验机的 开发和研制工作一度中止。9 0 年代时，生产微机控制电液伺服动静万能试验机设备的四 大公旬的产品，因其技术先进、功能强大，已占领了世界范围内的大部分市场。 现我国亦有许多著名的试验机生产基地，如济南的试金集团，上海申克试验机有限 公司，长春试验机研究所等，它们在试验机研制方面都有很大的突破。试金集团先后与 国外著名的试验机厂家及清华大学、浙江大学、中国石化院等国内十几所科研院所开展 了技术合作。并在现有产品的基础上，每年开发试验机新产品1 0 0 多种。而上海申克试 验机有限公司是由上海机电实业公司和德国卡尔申克公司共同投资组建，于1 9 9 1 年7 月4 日开业，是全国试验机行业第一家中外合资技术先进型企业。通过技术引进，出国 培训，德国专家指导和计算机现代化管理，该公司的全部产品均达到i 虱际八十年代末先 进水平。长春试脸机研究所7 0 年代初研制出第一台电液伺服试验机。 1 6 2 主要控制方法 目前国外新式疲劳试验机的控制系统基本采用的是上、下位机的控制体系。上位机 主要用于实现波形显示，数据录入及分析等功能；下位机用于闭环控制。其波形的发生、 闭环控制等工作全部采用硬件完成，频率范围通常在o 0 0 1 l o o h z 。m t s 新生产的液压 伺服式疲劳试验机带有p i d 自整定功能，可以针对不同的试样选择不同的p i d 参数，实 现优化控制。 国内厂家的产品基本上还处于跟踪仿制阶段。同样采用上、下位机的控制体系。上 3 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 位机用于波形显示，数据录入及分析；下位机通常采用m t s 的原装控制器；频率范围 一般在0 o l 一4 0 h z 。不具备p i d 自整定功能。p i d 参数由操作人员手工输入，不能实现 优化控制，大大限制了振动频率的提高。 1 7 电液伺服疲劳试验机系统组成 本课题所用电液伺服疲劳试验机系统由主机系统、液压系统、计算枕控制系统和电 控系统组成。主机为双立柱式框架结构，横梁由液压缸升降和液压锁紧、双向伺服作动 器直接固定于台面下，上液压夹头通过传感器连接在横梁上，下液压夹头直接与作动器 相连。主机部分如图1 1 所示。 图1 1 疲劳机照片 f i g 1 1t h ep h o t oo f e l e c t r o - h y d r a u l i cf a t i g u et e s tm a c h i n e 试验机的液压系统是动力源，它的任务是给主机提供动力。依靠电机带动油泵输出 高压油，推动所有液压执行机构动作，从而达到对试件的加载。控制系统部分是保证对 试样能够按照相应的波形来加载的关键，也可以说，控制系统性能的好坏决定了整个系 统性能的好坏。在控制系统中，要求系统可以进行负荷、位移、变形控制试验，对试件 可施加规则波形和任意波形实验，其负荷、位移、变形三种状态可以实现平滑切换。 整个液压伺服控制系统主要由计算机、数据采集卡、伺服放大器、伺服阀、伺服缸 和力( 位移、变形) 传感器等组成。计算机实物照片如图1 2 所示。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 翻1 2 计算机照片 f i g t 2t h ep h o t oo f c o m p u t e r 其中，数据采集卡直接插在计算机的p c i 插槽上，能够同时实现数据采集，a d ， d a 转换功能。由计算机给出电压信号弛控制系统便产生相应的力( 位移、变形) 。经过 力( 位移、变形) 传感器反馈回来的信号蜥。经过a d 转换器交成数字信号，与矾进行比 较，得出差值，经过p i d 运算后得出控制量，该控制量经过d a 转换器变成模拟信号 经伺服阀传到油缸活塞上，使负载力( 位移、变形) 向着减小偏差方向变化，直到负载力 ( 位移、变形) 等于指令信号所规定的值为止。整个计算机控制的电液伺服疲劳试验机方 框图如图1 3 所示。 图1 , 3 疲劳试验机的计算机控制系统方框图 f i g a 3 t h e s t r u c t u r e b l o c k d i 8 9 r a m o f c o n t r o ls y s t e m 1 8 研究内容与主要工作 1 8 。l 液压及电控系统的设计开发 首先依据集成化、标准化以及尽量减少发热量和噪声为主要目标，对疲劳机的液压 站进行了设计；然后运用西门予的s 7 2 0 0 系列p l c 对电控系统进行了设计，并利用s t e p 7 软件对c p u 2 2 4 进行了编程，随后完成了程序的实际调试工作。电控柜实物照片如图 1 4 所示。 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4 电控柜照片 f i g 1 4t h ep h o t oo f e l e c t r oc a b i n e t 1 8 2 系统辨识与p i d 参数优化 通过理论分析，获得了系统的模型结构。选取合理的采样周期，利用伪随机序列信 号对系统进行激励，在利用输入、输出数据对系统进行辨识之前，对输出数据进行了分 柝处理，剔除了可能出现的尖峰干扰。然后对系统进行离线辨识，从而获缛系统了的离 散数学模型。根据所得的模型通过遗传算法来确定p i d 参数初始值，然后再利用改进的 单纯形法对p i d 参数进行优化，从而有效地克服了单纯形法对初始值敏感的缺陷，加快 了优化速度和质量。随后利用所得的p i d 参数对实际系统进行了控制，试验结果表明， 控制效果良好。 1 8 - 3 系统软件设计 在本控制系统中，采用的是美国国家仪器公司n i 的6 0 1 4 数据采集卡，利用n i d a q 软件对板卡的输入输出通道进行设置，并利用w i n d o w s 精确定时及多线程技术，由n i 的虚拟仪器语言l a bw i n d o w “c v i 编制了数据采集和系统控制程序。 1 8 4 试验 本文分别对疲劳机作了空载位移控制和带载荷力控制两种试验，从试验的准备工作 到试验过程、结果、试验中发生的问题及其解决方案都进行了比较详细的介绍与分析。 1 9 课题的意义 本课题研究的主要目的在于根据液压伺服技术、系统辨识和计算机控制原理，设计 制造出一套具有控制精度高、功率大、响应速度快、结构紧凑的液压伺服系统，并开发 出一种成本较低、稳定性较高、操作简明、性能较强、适用范围较广的计算机疲劳试验 测控系统，以改进此类试验的控制手段。通过系统辨识、p i d 参数自动整定、计算机自 动控制、实时显示试验状态、存储试验数据、分析试验结果，从而提高其控制水平，增 强其数据处理功能，为广大研究人员提供高效、精确的试验监控系统，减轻试验人员的 。6 。 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 劳动强度，缩短试验周期，使疲劳试验真正满足现代化科研工作的需求。 目前，国内外以p c 机为基础，构成疲劳试验机等各类试验设备的测控系统还不多。 尤其在国内，在该领域仍处于研制、开发阶段，尚未有十分成熟的产品进入市场，及时 利用现有技术，研制成本低廉、性能优异的试验设备测控系统，对改善科研教学环境， 提高科研教学水平，推动国产科学试验设备的开发和生产将起到积极的作用。开发此类 系统的意义体现在以下几个方面； ( 1 ) 疲劳试验机测控系统可采用代表屋前计算机技术发展水平的先进p c 机及相关的 外围设备，如数据采集卡等，作为硬件平台，充分发挥最新计算机产品所带来的海量存 储空间、快速的c p u 运算速度所带来的性能优势，进行大量的数据处理，完成高效率的 运算，最大限度的保证了系统拥有高性能的硬件基础。 ( 2 ) 由l a bw i n d o w s c v l 开发出来的、易于操作的人机交互界面，能为使用者提供 个友好、明晰的操作环境。通过该界面，试验操作人员能方便地选择试验方式，输入 试验控制参数，控制试验的开始和终止，实时观察试验的进程。该控制系统能够实时监 测系统运行状态，一旦发生危险会自动实现安全保护及报警。在试验结束后，还能由计 算机处理试验数据，并及时输出试验结果。 7 东北大学硕士学位论文 第二章疲劳试验机液压及电控系统设计 第二章疲劳试验机液压及电控系统设计 2 1 前言 本文中所使用的试验机为1 0 0 k n 电液伺服疲劳试验机，主要用于各种金属材料、高 强塑料以及零部件的动静态力学性能测试。本机采用电液伺服闭环控制原理，伺服作动 器全部采用非金属摩擦，具有响应速度快、精度高、频带宽、波形种类多等特点，可进 行负荷、位移及应变控制试验，工作平稳可靠。对试件可施加规则波形和任意波形试验。 其负荷、位移、变形三种状态可任意切换横粱升降、缩紧、试件装夹均为渡压驱动， 安全可靠。主要技术规格为： 最大静负荷：+ 1 0 0 k n ； 最大动负荷：+ 8 0 k n ； 力测量精度：示值的1 ： 位移测量精度：i f s ； 变形测量精度：示值的士1 ； 油缸行程：i ：5 0 m m ； 有效试验空间( 两夹头间最大距离) ：5 0 6 0 0 m m ； 立柱距离：7 0 0 r a m ： 试验波形：正弦波、三角波、方波、斜波； 额定工作压力：2 1 m p a ； 最大流量：8 0l r a i n ； 油液过滤精度：1 0 l u n ； 泵站总功率：4 4 5 k w ； 工作介质：4 6 号抗磨液压油。 本试验机的主机机械部分是委托长春试验机研究所制作，液压站、电控以及控锖4 软 件为自制完成。 控制系统在总体设计时采取了如下措施： ( 1 ) 采用液压伺服控制系统，以提高负载水平和稳定性； ( 2 ) 利用力( 位移、变形) 反馈实现闭环控制，以提高控制系统的精度和稳定性； ( 3 ) 采用电液伺服阀，以提高系统的控制精度和频率响应。 2 2 液压站系统设计 电液伺服疲劳试验机的工作原理【1 0 1 是：从油源输出的高压油经过滤器、蓄能器进入 电液伺服阀，同时电控系统给定的电信号与从负荷传感器或位移传感器、引申计输出的 8 东北大学硕士学位论文 第二章疲劳试验机液压及电控系统设计 反馈信号相比较，并将此差值放大后送入电液伺服阀，把电信号转交为油的流量，高压 油交交地输入到作动器的上下油腔，驱动活塞进行往复运动。活塞杆与位移传感器、下 夹头、试样、上夹头、负荷传感器相连，引申计点接夹在试件上。系统执行机构液压原 理图如图2 1 所示。 图2 1 疲劳机执行机构液压原理图 f i g 2 1t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l ed i a g r a mf o rf a t i g u et e s tm a c h i n e sa c t u a t o r s 液压站系统的原理如图2 2 所示。 1 空气滤清器2 涟位计3 y “2 l _ 4 电动机4 c b t - 5 0 齿轮泵5 滤油罂6 电接点温度计7 截止阔8 ，y i g o l - 4 电动机9 油 箱1 0 2 5 p c y 轴向柱塞泵1 1 ，电加热罂1 2y 1 8 0 m - 4 电动机1 3 高压软管1 4 滤油嚣1 5 压力表开关1 6 y n l 0 0 压力 表1 7 截止阀1 8 蓄能器1 9 单向阀2 0 + 安全阀2 1 冷却器 图2 2 疲劳机液压站原理图 f i g 2 2t h es k e l e t 0 1 1d r a w i n go f f a t i g u et e s tm a c h i n e sh y d r a u l i cs t a t i o n 对于上述液压系统，其组成主要有：保证控制系统具有快速、高精度特点的电液伺 9 东北大学硬士学位论文第二章疲劳试验枫液压茂电控系统设计 服阀；提供动力的电机和油泵；保证系统压力恒定的溢流阀；用于存贮能量，吸收液压 冲击和压力脉动以提高液压系统动态稳定性的蓄能器【1 1 】；防止油液中的污物和杂质堵塞 和破坏伺服阀，使其性能下降而导致系统不稳定的滤油器；以及伺服油缸、压力表和单 向阔等。在设计的过程中，将它们依据集成化、标准化以及尽量减少发热量和嗓声为主 要目标进行安排和布置。伺服阀安装在伺服集成块上以减少相应元件之间的过多连接， 而简化油路。两个电加热器可以保证在北方低温天气下，油泵能够正常启动。强制冷却 系统又可以保证油温不致过高使各液压元件性能下降或损坏液压元件，特别是精密液压 件如电液伺服阀等。为减少噪声和适应结构化的要求，采用了无缝钢管连接。 另外，本系统液压站采用两个恒压变量泵，型号均为2 5 p c y 。在疲劳机做低频试验 的时候，流量需要的比较小，就是用l 号泵工作。当疲劳机做高频试验的时候，流量需 要的比较大，就要求使1 号泵和2 号泵同时工作。型号为d b w l o a 的两个安全阀，在 p l c 控制下能够实现两个油泵电机的空载启动。 2 3 电控系统设计 2 3 1 可编程控制器( p l c ) 设计要点 p l c 是一种以微处理器为核心的固态设备，编程方式类似于继电器逻辑电路图，它 具有编程灵活、更改方便、结构紧凑、功能完备、抗干扰能力强、操作维护简单、体积 小、重蠢轻、价格低等特点。 在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启 停，电磁阀的开闭，产品的技术，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这 些自动控制问题，采用可编程序控制器( p l c ) 来解决自动控制闯题已成为最有效的工具 之一。控制设备的输入信号，以按钮开关、主令开关、行程开关、时间继电器、温度继 电器、压力继电器、过流过压继电器为主，输出信号以接触器、中间继电器或电磁阀为 主。这些信号只有两种工作状态，即闭合与断开，称为开关量信号，也可以用0 或1 表 示元件的工作状态，被称为数字信号或逻辑信号。 可编程控制器涉及到生产机械、生产工艺过程、顺序控制技术、计算机控制技术、 计算机网络与通信技术等，技术面广且比较复杂：另外p l c 工程的流程也很长，从工 程初步设计、技术设计、施工、调试、试运转一直至交付现场正式运转也要经过多次的 流程，所以p l c 的应用是比较繁杂的一项工程。整个p l c 应用流程如图2 3 所示【l 2 】。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章疲劳试验机液压及电控系统设计 2 3 2 本电控系统设计 图2 3 p l c 应用流程图 f i g 2 3f l o w c h a r to f p l ca p p l i c a t i o n 本系统需要实现的主要功能如下： ( 1 ) 油泵电机m 1 、m 2 的空载启动，停止； ( 2 ) 油泵电机m 3 、水泵电- 机m 4 的启停； ( 3 ) 疲劳机上、下夹头的夹紧和松开； ( 4 ) 疲劳机横梁的上升与下降； ( 5 ) 疲劳机急停控制； ( 6 ) 滤油器e 1 ，e 2 ，e 3 的报警； ( 7 ) 油温监测。 本文选用的是德国s i e m e n s 公司的s 7 - 2 0 0 系列继电器输出型c p u 2 2 4 ，该产品具 有1 4 个d i 和1 0 个d o 。 2 。3 _ 3 程序设计 p l c 是从继电器控制发展而来，一般都是基于周期性扫描的运行方式。p l c 程序的 设计是控制系统中工作量最大、最重要的一项工作。软件实现是控制系统的灵魂，好的 程序能够节省成本，减少占用的空间和时间，收到事半功倍的效果。 苎苎查兰堕主苎竺垒叁 茎三主壅茎塑竺垫兰堡垄皇丝墨丝堡盐 ( 1 ) 本文采用符号名寻址，需要对绝对地址建立一个符号名表。符号名表不仅包括 物理输入输出信号，也包括程序中用到的其它元件。符号名表如表2 1 所示。 表2 1 符号实名表 一! ! 堕；：! 坠些! 翌墨12 鲤鱼! ! z 墨塑! 符号 i t d l ： 注释 s t a r tm 1 1 0 0 m 1 机启动按钮 甜凹j l1 0 1 w 1 电机停止按钮 s t r t _ 比21 0 2 m 2 电机启动按钮 s t o p m 21 0 3 m 2 电机停止按钮 s t r t _ m 3i o 4 m 3 电机启动按钮 s t o p m 3 i o 5 i d 3 电机停止按钮 s t a r t _ m 4i o 6 眦电机启动按钮 s t o p m 4 i o 7 i ( 4 电机停止按钮 c i e c u i1 1 0 m i 机启动检测 c h e c km 2 1 1 1 m 2 电机启动检测 c h e c k _ m 31 1 ，z 船电机启动检测 c h e c k _ m 4i i 3 m 4 电机启动检测 s t a r to t 3 i l _ 4 o t 3 阀启动按钮 s t a r td t ；i 1 1 5 d t 4 阀启动按钮 s t a r td t 6 1 2 0 d t 6 阀启动按钮 s t a r t d t 71 2 1 d t 7 娜启动按钮 s t o pi j r g e n t 1 2 2 系统紧急停车 c h e c k _ e 11 2 3 e 1 滤油器报警检测 c l e c k _ e 21 2 4 e 2 滤油器报警检测 c h e c k _ e 3 1 2 5 e 3 滤油器报警检测 岍d j e m p _ l o w 1 2 6 液压站油温低检测 h y dt e m p _ h i g h 1 2 7 液压站油温高检溯 d r i v e _ m 1q o 0m 1 电机运行控制 d r i v e _ w 2 q o 1 m 2 电机运行控制 d r i v e _ v 3q o 2 m 3 电机运行控制 d r i v em 4 q o 3m 4 电机运行控制 s h o w _ m 1 一r u n q o 4 m 1 电机运行指示 s h o w _