（检测技术与自动化装置专业论文）基于神经元控制的万能试验机测控系统的研究.pdf

基于神经元控制的万能试验机测控系统的研究 摘要 材料作为人类赖以生存和发展的物质基础，日益受到人们的重视。试验技 术是人们认识和研究物质世界的重要手段，各种材料需要经过试验才能确定它 们的力学和产品性能。万能试验机是用来测定材料力学性能、工艺性能、结构 强度等特性的仪器设备。论文以电子万能试验机为研究对象，将检测技术、自 动控制技术与智能控制技术相结合，研究基于神经元控制的万能试验机测控系 统，以适应万能试验机向高精度、智能化方向发展的需要。 论文的主要内容如下： 1 在分析万能试验机组成结构和系统工作原理的基础上，给出了系统的总 体结构框图，并对系统中各组成单元的实现方案进行了分析。设计了基于a r m 9 主控制器的试验机测控系统，并对其进行了功能分析，对材料试验的三个物理 量检测进行了分析与研究。 2 根据万能试验机控制对象的不同，分析并建立了负荷、变形、位移的闭 环控制系统模型。 3 用优化方法对万能试验机控制系统内环调节器的参数进行优化设计，仿 真结果表明，该方法获得了较好的效果。 4 针对万能试验机系统存在的非线性和不确定性因素，采用基于神经元的 p i d 控制方法实现万能试验机高精度动态控制。仿真实验结果表明，该控制方法 与常规p i d 控制相比，能够更好地满足万能试验机高精度控制性能的要求。 关键词：万能试验机主控制器三闭环参数优化单神经元p i d t h er e s e a r c ho nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fu n i v e r s a l t e s t i n gm a c h i n eb a s e d o nn e u r o nc o n t r o l a b s t r a c t m a t e r i a li st h ep h y s i c a lb a s eo nw h i c hh u m a nm u s tr e l yf o re x i s t i n ga n d d e v e l o p i n g ，a n dg a i n si n c r e a s i n ga t t e n t i o n t e s t i n gt e c h n o l o g y i sa ni m p o r t a n t m e a n so fu n d e r s t a n d i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ep h y s i c a lw o r l d v a r i o u sm a t e r i a l sn e e d t e s tt om a k es u r et h e i rm e c h a n i c a la n dp r o d u c tp e r f o f i n a n c e u n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n ei st h ee q u i p m e n tt h a ti su s e df o rm a t e r i a lp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n to f m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，a n ds t r u c t u r a ls t r e n g t h i nt h i st o p i c ， e l e c t r o n i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ei st h er e s e a r c ho b j e c t , t og e t h e rw i t hm e a s u r e m e n t ， a u t o m a t i cc o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo fm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n eb a s e do nn e u r a lc o n t r o li sd i s c u s s e d t h et h e m e a d a p t st ot h eh i g hp r e c i s i o na n di n t e l l i g e n td i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n tn e e d so f u n i v e r s a lt e s tm a c h i n e t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i co ft h ea n a l y s i st h es t r u c t u r ec o m p o s i t i o na n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h eu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n es y s t e m ，a no v e r a l lb l o c kd i a g r a mo ft h e s y s t e ms t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，a n dt h es c h e m eo fe v e r yp a r tw h i c hc o m p o s e st h e w h o l es y s t e mi sd e s c r i b e d 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 mo ft h et e s t i n g m a c h i n ew h i c hb a s e so nt h ea r m 9m a i nc o n t r o l l e ra n di t sf u n c t i o na n a l y s i sa r e i n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h em e a s u r e m e n to ft h et h r e ep h y s i c a lq u a n t i t i e si nt h e m a t e r i a lt e s t i n gi sc o n t a i n e di nt h et h e s i s 2 a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n t r o lo b j e c t so fu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ，t h e c l o s e d 1 0 0 pc o n t r o ls y s t e mm o d e lo fl o a d ，e x t e n s i o n ，a n dd i s p l a c e m e n ti sa n a l y z e d a n de s t a b l i s h e d 3 t h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm e t h o di su s e df o ro p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e ro f t h ei n n e rr i n gr e g u l a t o ro fu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em e t h o di sf a i r l ye f f e c t i v e 4 i nc o n n e c t i o nw i t ht h en o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t yf a c t o r sw h i c hi se x i s t i n g u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n es y s t e m ，i no r d e rt oa c h i e v et h er e q u i r e m e n to fh i g h p r e c i s i o nd y n a m i cc o n t r o lo fu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ，t h en e u r o np i dc o n t r o l a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea l g o r i t h mc a n b e t t e rs a t i s f y u n i v e r s a l t e s t i n g m a c h i n eh i g h p r e c i s i o nd y n a m i c c o n t r o lp e r f o r m a n c et h a n c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r k e y w o r d s ：u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ；m a i nc o n t r o l l e r ；t h r e el o o p ：p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ；s i n g l en e u r o n ；p i d 插图清单 图2 1 万能试验机主机结构7 图2 2 负荷一变形曲线8 图2 3 系统总体结构框图1 0 图2 4a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器体系结构1 2 图2 5 电源电路1 3 图2 6 复位电路1 4 图2 7 外部总线接口结构1 5 图2 8 直流电桥1 6 图2 9l v d t 工作原理1 8 图2 1 0 增量式光电编码器的组成结构1 8 图2 1 1 光电码盘转换采集原理1 8 图2 1 2 放大电路1 9 图2 1 3 滤波电路1 9 图2 1 4m d 转换电路2 0 图2 1 5 电枢控制线路2 1 图2 1 6p w m 控制原理2 2 图2 1 7 串行通信接口电路2 3 图2 1 8u s bh o s t 接口电路2 3 图2 1 9u s bd e v i c e 接口电路2 3 图3 1 齿轮传动间隙2 6 图3 2 万能试验机控制系统框图2 6 图3 3 万能试验机控制系统模型2 7 图3 4 单纯形法的寻优过程2 8 图3 5 内环p i 调节器参数优化流程3 1 图3 6 电流环的优化s i m u li n k 模型3 2 图3 7 带积分限幅的p 工调节器的s i m u l i n k 模型3 2 图3 8 电流环阶跃响应。3 3 图3 9 万能试验机内环优化s i m u l i n k 模型3 3 图3 1 0 转速曲线3 3 图3 i l 电流益线3 4 图4 1 常规p i d 控制系统结构3 5 图4 2 人工神经元的数学模型3 7 图4 3 神经元网络整定p i d 参数3 8 图4 4 单神经元结构p i d 控制器3 9 图4 5 单神经元p i d 控制器4 0 图5 1 系统单位阶跃响应曲线4 3 图5 2 位移循环试验曲线4 4 图5 3 低周疲劳试验曲线4 4 图5 4 某种塑料恒速率负荷拉伸控制响应曲线4 5 图5 5 某种铝合金恒速率负荷拉伸控制响应曲线4 5 图5 6 某种塑料刚度变化曲线4 5 图5 7 某种塑料恒速率负荷拉伸控制响应曲线，4 6 插表清单 表3 1 某万能试验机系统参数3 2 表5 1 两种控制器的性能指标4 3 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 佥目曼王些太堂 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。 学位论文作者签名啼或 签字嘲年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墨王些太堂有关保留、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。本人授权金胆王些太堂可 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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：辛 蝴期卿 电话： 邮编： 汉。佃芴月 名 年 签者作 ： 文 期 沧 日 位 字 学 签 致谢 本文是在我的导师朱程辉副教授的悉心指导下完成的。从课题的选题到研 究都倾注了朱老师大量的心血。 朱老师高尚的人格、博大的胸怀、严谨的治学态度、渊博的理论知识和丰 富的实践经验给我留下了深刻而又美好的印象，使我终生难忘，并将是我今后 学习的楷模。在此向朱老师致以最诚挚的感谢! 衷心感谢王建平教授，王老师认真的工作态度、严谨细致的工作作风以及 学习生活上热心的帮助尤为让我感动。在此向王老师表示深深的感谢! 衷心感谢智能传感器网络研究所全体老师，您们的教诲为本文的研究提供 了理论与技术基础。 感谢同窗好友项思俊、何勇、金铁江、陈正伟、邵威、栾庆磊、梁祥莹和 张磊等同学在学习和生活上的热情关心和无私帮助，感谢陈克琼、曹慧颖、王 二帅等师弟、师妹们的关心和帮助，这段与你们一起度过的学习和生活时光将 是我人生的美好回忆。 感谢我的父母和家人，焉得谖草，言树之背，感爱之心，无以言表，养育 之恩，无以为报，你们永远健康、快乐是我最大的心愿! 衷心感谢所有关心和帮助过我的同学和朋友们! 作者：方或 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 前言 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。2 0 世纪7 0 年代人们把信息、材 料和能源誉为当代文明的三大支柱。8 0 年代以高技术群为代表的新技术革命， 又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因 为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。可以说，没有材料的 使用和不断发展，就没有人类社会的进步。 材料的性能不同，应用的领域也不同，要对材料进行合理和有效的使用， 充分发挥其潜力，必须了解和掌握它们的某种或某些性能( 包括成分、组织结构 等) 。为了达到这个目的，应对材料性能进行测试。材料测试技术是人们认识和 研究物质世界的重要手段，各种材料需要经过试验才能确定它们的力学性能和 产品性能的优劣。 材料性能主要包括物理、化学、工艺和力学等方面，其中最重要的是力学 性能。通过材料力学试验，可以确定材料在各种荷载条件下的行为，为工程设 计提供依据；可以进行材质的比较与检验；可以结合力学行为与金属内部状态 的研究，掌握力学性质变化的基本原理和各种影响因素的本质，为改善和提高 材料的性能提供指导；可以通过力学试验研究金属内部的变化过程n 1 。材料力 学试验可以解决材料力学理论与其它力学理论无法解决的一些工程难题，因此 材料力学性能试验至今仍是研究新材料的重要手段。 近十年来，面对新技术、新材料的飞速发展，材料力学性能测试遇到了极 大的挑战，未来的发展将使常规检验和材料试验的深入研究结合起来，以适应 材料技术发展的要求。随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，材料性能的自 动化测试已成为体现测试技术现代化的重要标志聆1 。 各种新材料、新产品的开发都离不开材料性能的测试，材料的力学性能指 标几乎都是通过试验获得的聆3 。要进行材料的测试工作就必须用到材料试验机， 试验机是用来测定材料各种力学性能、工艺性能、结构强度等特性的仪器设备， 其广泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航与造船以及国防科技、高等院 校等国民经济的各个领域和部门。人们利用试验机在材料研究和技术领域中， 找到了不断提高材料应用范围的方法h 1 。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。 材料试验机是测试各种材料力学性能的一个测试加载平台。按照加载方式 与控制方式划分，有三代产品：机械式试验机、液压式试验机、微机控制式试 验机川”。 1 机械式试验机主要是采用普通电机、齿轮、丝杠及重锤杠杆式加载。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能 力很大。目前，市场需求量已经很少，它须经过改造才能适应现在的材料试验 工作，处于被淘汰的边缘。 2 液压式试验机使人工调整、控制加载速率变得较为容易，加载能力也得 到了很大的增强，而且对试验机结构的刚度要求下降，特别是易于实现双向、 三向加载，这是机械式试验机加载方式难以实现的。但是，由于存在油路系统 复杂，维修不便及功耗比较大，定位精度不高造成采集的数据不准确等缺点， 使得液压式试验机的发展受到了限制。 3 微机控制式试验机采用便于自动控制的伺服电机以及齿轮、丝杠等进行 传动和加载，或者在液压加载方式的基础上采用电液伺服阀或比例阀，配以微 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。 目前的微机控制式试验机，可以自动控制横梁的移动速度、应力速率和应变速 率。后两项是现代材料试验所必需的，也是机械式、液压式试验机所不具备的 两种非常有用的测试功能。 1 2 万能试验机及其控制系统的技术水平和发展状况 1 2 1 材料试验机的发展状况和趋势 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。 最初的产品设计很简单，品种也少，当时只有采用机械杠杆、使用砝码施加负 荷的原理制成的拉力试验机，用以测定钢铁和其他金属材料的抗拉强度。到十 八世纪中叶，材料试验机逐渐有了较大的改进，例如，在加载机构中采用了刀 口结构等。十九世纪初，液压技术的发展促进了液压材料试验机的开发与应用。 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。从这时开始起， 才系统地出现了一系列关于材料强度等试验数据资料。 在本世纪五十年代，随着电子技术的发展，出现了电子式材料试验机。由 于在材料试验机的控制、测量和记录系统中，广泛采用了电子技术，加上机械 结构设计的进步和伺服控制技术的应用，使材料试验机的整体性能得到了很大 的提升。现代的电子式静态试验机能兼作拉伸、压缩、弯曲等多种试验，被称 为“电子万能试验机 。 从最简单的砝码加载的特点到以数字化技术为特征的模式，材料试验机己 有二百多年的发展历史。在计算机应用与测量控制方面，测量装置经历了以单 板机为主体、单片机为主体、p c 机为主体等几个发展阶段。国际上最具有代表 性的试验机除采用了数字化测控技术外，并可附加计算机进行数据监控和数据 管理，反映了试验机技术的最新动态。如日本岛津a g s - j 系列材料试验机在微 处理器系统支持下可以进行常规试验的测控，并具有负荷自动校准、自动应力 一应变控制等功能3 。如果搭配计算机使用，材料试验可在计算机的监控下进 行，同时也可发挥计算机的数据处理性能，进行大量的数据处理和输出。 我国在短短的五十多年时间里，从无到有建立了较完备的试验机制造工业， 正在努力接近世界先进水平。但受到工业发展水平的限制，作为材料试验机中 基础的万能材料试验机，从五十年代开始生产，虽然现在有一些变化，但绝大 部分属于低档试验机，仍停留在杠杆摆锤测力系统的水平。产品的可靠性与国 外同类产品比较，也具有较明显的差距。 随着国际化的不断深入，试验方法及试验机都需要符合国际标准，材料试 验机的设计方法、思想也要能随同技术的不断更新发展而变化，试验机需要向 高精度、自动化、智能化、系统化的方向发展。所以，万能试验机等力学性能 测试装置的发展趋势主要体现在如下几方面b m 们1 2 1 ： 1 高精度的横梁速度控制、负荷速率控制( 等速应力控制) 、应变速率控制 ( 等速应变控制) 、精确的控制状态转换以及实时的数据测量与记录，便捷的试 验结果的显示和打印输出。 2 近年来，随着新技术的应用，现代测试设备的技术水平也在不断提高， 鉴于负荷、变形测量对万能试验机的性能指标有很大的影响，因此，国内外在 不断改进试验机机械结构和加载系统的同时，都致力于研制性能稳定、反应灵 敏和精度高的负荷变形测量装置。 3 基于微处理器、d s p 技术的控制器开始应用到电子万能试验机和液压万 能试验机中，用来实现复杂的实时控制和数据处理。在微型计算机被广泛的用 于试验机的同时，试验软件也得到了快速发展，并在不断改版升级和完善。大 部分材料试验机也由基于p c 机或者工控机系统向独立式测控系统发展，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。 4 强化智能控制技术和可靠性技术的应用。当今，力学性能测试方法的实 现及测量控制系统的可调试性和可操作性，越来越受到重视。包括测控系统在 内的整个系统的可靠性、安全性、可维护性在产品设计中投入的比例越来越大， 因为这些技术的应用不仅标志着一个产品的技术水平，更重要的是在有效提高 产品质量的同时带来服务成本的明显下降。 5 随着计算机技术和网络通信技术的发展，测控系统将会成为一个以p c 机 和工作站为基础，以虚拟仪器和网络化测控技术为主的现代化开放式的。虚拟 仪器技术将仪器、仪表和计算机融为一体，通过网络技术将虚拟仪器接入 i n t e r n e t ，可以极大地提高了测控水平和效率。利用虚拟仪器技术可以将万能试 验机试验现场的测试数据在远端监测室进行实时监测，进行远程数据传输，以 满足不同地域对试验过程的实时监控，能很好地解决资源共享问题。 1 2 2 万能试验机控制技术的发展状况 2 0 世纪5 0 年代中期以来，国外先后开发了多种控制形式的万能试验机， 如美国m t s 系统公司、英国的英斯特朗有限公司、日本的岛津制作所等都有自 己的特色产品，德国d o l i 公司的试验机控制系统广泛应用在各个厂家的试验机 上。自2 0 世纪7 0 年代开始，他们又将计算机技术逐渐的应用到试验机上。我 国电子式万能试验机也得到了一定的发展，但是，由于一方面长期习惯于仿制 国外产品，国产测试设备缺乏创新能力，另一方面受开发制造成本和工艺所限， 还没有形成具有国际竞争力的系统级规范化标准化产品。 国内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w d 系列 产品。目前，国内试验机厂家众多，有实力的厂家也越来越多地参与到试验机 市场的竞争中来，其中以长春试验机研究所、济南试金集团有限公司、深圳新 三思材料检测有限公司等企业的开发研制、生产能力较为突出。 控制系统是万能试验机的核心，其控制精度和可靠性关系到试验的成败及 试验人员的安全引。伺服单元是试验机控制系统的关键部件，其目的是为了在 试验过程中获得良好的应力速率、应变速率、位移速率以及定负荷、定变形、 定位移等。采用何种方式进行加载是与试验机的种类、试件的类型、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材料试验国 家标准的要求，特别是应力速率和应变速率要求。 p i d 控制是目前自动控制系统中应用很广泛的一种控制方法，其控制效果 主要取决于三个控制参数足，、k ，和k d 的调整。目前，一般的材料试验机伺服 控制器仍采用经典的p i d 控制方法。尽管p i d 调节器具有简单、稳定性好、可靠 性高等优点，但由于试验机负载的改变会导致系统参数变化，而系统参数变化 后p i d 调节器的控制性能将大大降低n4 1 。近年来，在试验机控制技术上，国内 外的学者进行了一系列的研究工作，如多目标最优控制n 引、分级比例控制鲥、 变结构控制n 、锁相一自适应控制n 引、模糊控制h 副等。在万能试验机的实际应 用中，为了获取更加优良的控制性能，一般控制器都需要重新做适当的调整。 所以，为提高系统的控制性能，人们开始考虑万能试验机控制器参数的自适应 控制问题，以实现系统闭环控制器参数的自适应调节。 1 3 神经元网络控制的发展状况 自2 0 世纪4 0 年代维纳提出控制理论开始，自动控制理论已经经历了两个 主要发展阶段：经典控制理论阶段和现代控制理论阶段。虽然控制理论得到了 很大的发展和应用，但是，在科学技术和生产力水平高速发展的今天，人们对 大规模、复杂和不确定性系统实现自动控制的要求不断提高。因此，传统的控 制理论的局限性日益明显。尤其是在处理具有非线性、复杂性和不确定性的被 控对象时，由于很难得到精确的数学模型，传统方法设计的控制器在实际应用 中效果很差。 智能控制是人工智能、自动控制理论、计算机技术、运筹学等许多学科知 识交叉而成的，包括模糊控制、专家系统控制、神经元网络控制等方法。尽管 智能控制尚需迸一步的完善和发展，但在复杂系统的控制中已经显示出其在很 多方面较之传统控制更好的性能。与传统的控制理论相比，智能控制对于环境 和任务的复杂性有更大的适应程度，所以能在更广泛的领域中获得应用馏叫。 神经元网络是智能控制的一个重要分支，其在自动控制系统中的应用提高 了信息处理能力和自适应能力，提高了系统的智能水平心。神经元网络已被证 明具有逼近任意连续有界非线性函数的能力，这给非线性系统的控制带来了新 思路；另外，神经元网络具有很强的信息综合能力，它能同时处理大量不同类 型的输入信息，能很好地解决输入信息之间的冗余问题，并能够处理那些难以 用模型规则描述的系统信息。神经元网络在复杂系统的控制方面具有明显的优 势，神经元网络控制和辨识的研究已经成为智能控制研究的主流。 神经元网络控制系统的研究目前尚处于探索阶段，还未形成比较完善的理 论体系和系统化的设计方法，神经元网络自适应控制系统是基于自适应的基本 原理，利用神经元网络的特点和理论设计而成的，简化了单纯自适应控制系统 设计的复杂性，发挥了自适应与神经元网络的各自长处，为智能控制的实现探 索了种新方法，在智能控制研究领域中具有巨大的潜力。 l 。4 课题背景及研究意义 万能试验机作为一种精密的测试仪器，对于材料科学的快速发展、工业产 品和工程结构的合理设计、有效的使用材料、改进工艺、减轻产品的重量和减 小体积、提高产品质量和降低成本，以及保证安全可靠和提高使用寿命等，都 具有极其重要的作用。 我国目前生产的试验机大部分属于低档试验机，测试精度不够高，而且不 能做较复杂的测试。在试验机的控制系统方面，由于控制方法的落后，在试验 的过程中达不到各种控制速率的平滑切换以及控制器参数的自适应调整。随着 科学技术的快速发展，新材料、新设备不断涌现，科研、企业、技术监督等单 位部门对材料的性能指标和设备安全可靠性的要求越来越高，这对试验机的测 控系统性能提出更高的要求，市场需要越来越多的控制性能优良的万能试验机。 由于受到机械传动机构特性的影响，万能试验机存在着一些非线性因素。 在试验机控制系统中，由于试件不同而使系统的数学模型变化较大。在这种情 况下，当利用万能试验机进行材料力学试验时，传统的控制方法不能取得令人 满意的控制效果或达不到精度要求。计算机技术和智能控制理论的发展为复杂 不确定系统的控制提供了新的途径，所以，基于智能控制的电子式万能试验机 测控系统已成为重要的研究课题。 本课题以电子万能试验机测控系统为研究对象，研究基于神经元控制的万 能试验机测控系统。此课题的研究能够适应万能试验机的发展趋势，因此，具 有较强的实践意义。加快万能试验机测控技术的发展，对促进新技术的开发与 应用也具有重要意义。 1 5 论文的内容安排 本文以电子万能试验机测控系统为研究对象，分析研究了万能试验机试验 过程的功能要求，以及如何实现万能试验机参数采集及高精度的动态控制。内 容安排如下： 第一章：绪论。系统阐述了材料试验机的发展概况和趋势，对万能试验机 的控制技术以及神经元网络控制的发展概况进行了分析，概述了课题研究的主 要内容、意义和各章的内容安排。 第二章：万能试验机系统方案设计与实现。本章首先分析了万能试验机组 成结构和系统工作原理，其次给出了系统的总体结构框图，并分析了系统组成 单元的具体实现方案。最后对试验机电子测控部分进行了详细的分析与研究。 第三章：万能试验机控制系统模型及内环的设计与研究。本章在简要分析 万能试验机控制对象的基础上，对控制系统各组成部分进行了建模，并建立了 由于反馈信号不同而构成的负荷、变形、位移闭环的控制系统模型。内环调节 器采用参数优化方法进行调节器参数寻优，得到了较为满意的结果。 第四章：外环神经元p i d 控制器的设计与研究。本章首先对常规p i d 控制算 法进行了概述，其次分析了神经元网络控制的基本原理，包括神经元网络的基 本概念和基于神经元网络的p i d 控制，最后对万能试验机外环控制器所采用的 单神经元p i d 控制算法进行了详细的分析研究。 第五章：万能试验机神经元p i d 控制仿真。针对万能试验机的高精度控制要 求，采用积分分离单神经元p i d 算法，仿真结果表明，该算法与常规p i d 对比， 能够更好地满足万能试验机动态控制性能要求。 第六章：总结与展望。 第二章万能试验机系统方案设计与实现 2 1 万能试验机测控系统概述 2 1 1 万能试验机测控系统简介 万能试验机是最常用的材料力学性能测试仪器和产品质量测试设备，它具 有实时性强、执行机构精确控制等性能要求。试验机测控系统既要进行数据采 集和处理，又要实现对执行机构的闭环控制乜剀。 万能试验机测控系统是一个自动检测和控制系统，是能按照国家标准对照 材料试验的各项规定，在对标准试件加载的整个过程中，依据制定的参数并能 够按照给定的数值进行控制的系统。同时，采集并记录试验过程中的负荷和试 件变形等重要的实时数据，分析计算材料的弹性模量、屈服强度等各项力学性 能指标。 。 2 1 2 万能试验机的组成与工作原理 电子万能试验机的主体结构可以分为机械和电子测控两部分，机械部分是 材料试验机进行材料力学试验的载体，其主要有固定框架、机械传动装置、活 动横梁和工作台等组成。电子测控部分是试验机测控系统的核心，其控制整个 试验机的工作运行过程，它的性能好坏直接关系着整个万能试验机的综合性能。 电子测控部分一般由电机伺服单元、三种物理量测量单元以及主控制器等部分 组成。试验机的主机结构如图2 - 1 所示。 位移传感器 固定框架 负荷传感器 活动横梁 上夹头 滚珠丝杠 试件 变形传感器 下夹头 图2 1 万能试验机主机结构 万能试验机需要获取的参数为试件所承受的负荷量、试件在受力方向上的 变形量以及活动横梁的位移量，这些参数通过不同的传感器采集并传送到主控 制器的相关接口。工作原理为：在对试件进行力学性能试验过程中，根据不同 的控制要求，选择负荷量、变形量或位移量中的一个作为测控系统的反馈信号， 与相应的给定信号比较，由主控制器调节输出，经直流伺服单元控制电机运转， 再由精密减速器减速后，通过滚珠丝杠驱动活动横梁上下移动，实现对试件的 加载，从而完成试件的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验心引。 2 1 3 万能试验机系统测量参数分析 万能试验机能完成的基本试验包括材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切以及低 周疲劳等，所完成的材料力学性能检测包括强度、塑性、弹性、硬度等。目前， 常用的基本力学性能试验是拉伸试验、压缩试验和冲击试验等。本课题对万能 试验机进行材料拉伸、压缩和低周疲劳试验的控制进行了研究。 拉伸试验是一种对材料力学性能进行评定的方法，一般按照标准要求对材 料取样并加工成规定形状的试件，进行单向拉伸，同时，对试验中试件的负荷 与变形量进行测量，通过相关的计算得到表征材料力学性能的各项参数心们心副。 参照材料拉伸试验的国家标准心6 2 7 2 引，我们可知，一般需绘制出材料在试 验进行中的负荷一变形曲线或应力一应变曲线。所以，万能试验机需要检测出 试件在进行试验中的负荷、变形值。试件的标距部分可视为处于单向应力状态， 负荷传感器测得负荷一时间曲线，将负荷除以试件标距部分横截面积可得应力 时间曲线；同理，可得到应变一时间曲线。由应力一时间曲线和应变一时间 曲线可得应力一应变曲线心9 1 。由材料力学可知： 盯：曼( 2 一1 ) 盯= 一 k 厶一上 彳 i 三一三。i 占= 一j - $ 岛 = l 三一厶 彳：三感2 4 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，仃为材料的应力，艿为纵向应变，f 为加载在试件上的负荷，a 为试 件的横截面积，l o 为试件变形前的长度，三为变形后的长度，b 为试件的平均 直径。其中厶和b 可以从试件的物理参数直接得到，而f 和a l 需要在试验进行 中动态检测获取。 利用实际测量的参数值可以得到负荷一变形曲线，如图2 2 所示。 图2 - 2 负荷变形曲线 图2 2 中，a 、b 、c 、e 代表了试验过程中材料所处的弹性、屈服、强化、 颈缩等阶段。尽为屈服点负荷值，忍为最大负荷值。 由前述关系，将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 1 ) ，我们可以得到关系式： 仃：竺( 2 5 )仃= ?厶一o ， 廊 在实际中，当拉伸或压缩时，试件的横截面积变小或变大，即会发生变化。 而当应力不超过比例极限时，横向应变与纵向应变之比的绝对值是一个常数， 但是因为当试件纵向伸长时横向会缩小，而纵向缩短时横向会增大，所以横向 应变和s 的符号是相反的，即 占= 一艘7 2 - 6 ) l z - o ) s2 一弘 式中，p 称为横向变形系数或泊松比，是个没有量纲的量。 设试件在进行拉伸试验前的平均直径是b 。，其数值我们可以在试验前直接 得到。由 。一i b - b $ d - - i i = 一 占0 只考虑拉伸的情况时，有 。一 曰一b o if = 二_ o b ：b ) + b y e ：b 、一b ) l l - - l o 0 0 由上述关系式整理后得： 4 f4 f 盯2 z b 2 2 蛾也弘守 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 占：_ l - l o ( 2 一1 1 ) 工o a l = z 一三o ( 2 1 2 ) 显然，只需获取负荷，和变形长度此两个变量的值，就可以计算出应力仃和应变 g 的对应值。同理对压缩试验，可作类似的分析。 2 2 万能试验机系统总体设计 目前，广泛应用的测控系统主要是数字控制系统，根据应用领域的不同， 可以选择不同的系统配置方案。对万能试验机测控系统的技术改造或设计方案 主要有两种旧训： 第一种方案是采用嵌入式微处理器和上位机组合的结构，微处理器使用集 成微电子技术，使之外形紧凑并具有完整的计算机功能，同时还具有丰富的联 网测控功能，使用方便、功能齐全。微处理器完成硬件相关的操作，并与上位 p c 机通讯，由上位p c 机完成复杂的数据处理及人机交互、打印功能，这样可以 减少微处理器的运算量及资源占用。 第二种方案即是利用现代p c 机的总线技术( 如使用比较广泛的i s a 总线、 p c i 总线等) ，设计专用数据采集卡并安装于p c 微机的主机插槽中。材料试验过 程中，需要同时执行数据采集、运动控制，这种以微机和总线模块为核心的系 统适合那些需要强大数据处理能力的用户。 在本课题中，采用上下位微机结构的方案更符合其功能要求。使用3 2 位 a r m 微处理器和上位p c 机组合，可以充分利用a r m 处理器内部的丰富资源，相 对于以往的8 位单片机，3 2 位a r m 微处理器不仅具有更为丰富的片上外设资源， 而且具有更强的实时性，应用范围涉及汽车工业、消费电子、工业自动化及仪 器仪表等领域。 2 2 1 万能试验机系统总体结构 电子万能试验机系统主要由数据采集单元、伺服单元、基于a r m 微处理器 的试验机主控制器( 下位机) 、p c 机( 上位机) 、机械部分等组成。万能试验机系 统的总体结构框图如图2 - 3 所示。 图2 - 3 系统总体结构框图 2 2 2 系统各组成部分的分析 1 伺服单元。该单元是连接万能试验机主控制器和机械部分的部件。试验 机运动部件由直流伺服电机驱动，直流伺服电机驱动机构将输入的电压信号转 变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电 机的转速与转向，伺服驱动模块的作用是将主控制器的输出信号变换为驱动机 构的输入信号，从而控制活动横梁的运动。 2 数据采集单元。该单元包括变形测量、位移测量和负荷测量三个组成部 分，实现材料力学试验中参数的采集任务，并反馈给主控制器，由主控制器结 合给定输入完成控制功能。 3 机械部分。万能试验机在对被检测材料进行力学性能测定的同时，试验 机本身也受到被测材料的反力作用b 。所以，试验机的主机框架必须具有较高 的刚度，符合用户对高精度万能试验机的要求。一般横梁移动分为丝杠传动和 齿条传动，前者准确度高，重复性好、造价高；后者准确度低、重复性较差， 但价格便宜。针对高精度试验的要求，万能试验机活动横梁应采用丝杠机构驱 动，电机主轴的转动通过齿轮减速器传递到丝杠上并带动其转动，它具有传动 平稳、精度高、运行平稳等优点。 4 上位p c 机。按照材料试验的要求，上位p c 机主要通过和主控制器之间的 通讯完成试验数据、功能命令的传递。在上位机人机界面中，实现材料力学试 验过程中试验数据的变化显示，另外，还要具有材料力学性能的分析和打印输 出等功能。 5 a r m 主控制器。主控制器除了实时采集处理传感器测量的数据、实现相 应控制外，还为上位p c 机提供了通讯功能，在下节中将对其进行详细的分析。 2 3 万能试验机电子测控部分设计研究 2 3 1a r m 主控制器的功能分析和设计 2 3 1 。1a r m 主控制器的功能分析 在电子万能试验机测控系统中，基于a r m 微处理器的主控制器作为试验机 测控系统的重要组成单元，其主要任务如下m 1 ： i 测量参数的获取。作为一个测控系统，只有获取被控对象的运行状况， 才能根据具体的情况实现有效的控制。对于万能试验机来说，需要测量的参数 为试件的负荷量、变形量以及活动横梁的位移量。这些参数通过不同的传感器 传送到主控制器的相关接口。主控制器获取通过a d 转换后的信号量以及数字 脉冲输入，完成试验数据的采集。 2 控制功能。控制是电子万能试验机主控制器最主要的功能，试验机所有 的试验都是通过活动横梁的升降来完成的，不同的试验只是所需的试验机附件 不一样。所以在对伺服电机的“数字控制 上，主控制器的输出传递给伺服驱 动单元，电机的正转或反转带动活动横梁的升降。测控系统中检测和控制是两 个紧密联系的过程，在试验时所有的动作必须根据测量的数据来判断选择执行。 对a r m 主控制器而言，根据传感器的测量信号，通过比较判断调节控制器的输 出，其输出的p w m 控制信号经伺服驱动单元驱动直流伺服电机，实现试验过程 的控制。 3 通讯功能。主控制器的通讯功能主要涉及与上位p c 机的通讯，通过r s 2 3 2 或u s b n 种方式与上位p c 机进行通讯，通讯功能要求及时、稳定可靠。 万能试验机主控制器需要完成数据采集、处理、控制、通讯等功能。传统 的单片机由于具有运算能力较弱、资源有限、功能单一等缺点，往往无法满足 要求，并且如果使用单片机完成试验机所要求的参数设置、信号调整及过程控 制等功能，则系统设计将会较复杂，而且可靠性差、不易扩展。而使用嵌入式 微处理器，则可以大大减少设计的困难。所以，目前国内外新型的机电设备控 制器多采用1 6 位和3 2 位高性能的微处理器，辅助以必要的外围接口实现。 2 3i 2a 】l m 微处理器选型 a r m 微处理器是指使用英国a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n o s ) 公司3 2 位处 理器i p 核所生产的各种微处理器芯片。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 桉的 微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，己遍及工业控制及仪表、消费类 电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等