电子万能试验机的三闭环控制系统

       JPL电子万能试验机采用伺服电机及伺服调整系统， 先进的芯片集成技术和专业设计的数据采集放大和过程控制系统。本机适用于各种金属与非金属材料的各项力学性能指标的测试。控制软件能实现自动求取弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂强度、试样延伸率、断面收缩率等常规数据，能自动计算试验过程中任一定点的力、应力、位移等数据结果。计算机控制系统对试验过程的控制和数据处理符合相应金属材料与非金属材料国家标准的要求。 微机试验机广泛应用于橡胶、塑料、皮革、电线电缆、织物、纤维、纸类、薄膜、帘线、帆布、无纺布、钢丝等金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切撕裂、剥离、粘合力等试验。技术先进，自动化程度高。

一、电子万能试验机三闭环控制系统概述
     闭环控制是自动控制理论的一个基本原理，在工业上有广泛的应用。万能试验机的闭环控制机制因涉及反馈检测到的信号，力、变形和位移，所以称为三闭环控制，是反映万能试验机的一项标志性功能。在一些试验标准，例如 室温金属拉伸试验标准中，对试验过程有恒速加载或者定点保持的规范性要求，人工操作是很难保证做到的，这个时候需要计算机参与下的闭环控制。
三闭环控制是电子万能试验机的一项综合技术

二. 如何看待电子万能试验机三闭环控制系统中控制器的设计
       控制器的电路设计比较平凡，重点主要是控制软件的开发：

（1）不要迷信各种名称的控制算法。控制理论到今天已经发展出很多类型的控制算法，有经典控制，有现代控制，例如PID控制、模糊控制、自适应控制、智能控制、变结构控制、神经元控制等等，但是理论都是有前提的，就是被控系统可以建模，根据某个模型方程推导得到几个简单的解（注意，很多理论不可能得到全部解）。现实的系统与理论的系统是不同的，顶多是近似，所以实际控制效果要打折扣。试验机系统，例如液压式试验机，专业上讲就是一个多变量非线性时变系统，白话就是说这个系统时时刻刻都处于复杂的变化中，做到模型近似都不容易。工业上用的控制器首要目标是稳定，然后再考虑性能，因此在实践上尽可能简单可靠。
（2）拍脑袋算法。设计控制算法既需要本科的控制理论基础，同时还需要电机传动或者液压传动的专业基础和工程实践。现阶段试验机用的控制算法，基本上还是PID算法，然后加以变化，例如冠上“微微分控制”、“神经元控制”之类的名称，实质上压根没有理论的支持，都是凭几年的调试经验感觉加上了一些经验参数，适用面比较狭窄。
（3）没有万能的控制算法。不论哪种控制算法都是有针对性的，所谓的最优控制只有在特定工况下才能实现。液压试验机的控制算法肯定是不可能适应电子万能试验机的，即使同一个试验机控制系统，例如在金属试验中表现好的控制算法，在塑料试验中很可能就过渡时间太长，需要调整参数。
（4）控制范围和精度来自测量范围和精度。全程10000码的测量精度，控制速度的范围一般就是1～200码/秒，速度检定应该是经过短暂过渡后一段时间的平均速度，理论上反正是一个码的误差，平均时间越长，速度精度越高，可以简单估算。当然保压控制的精度直接就是测量精度。
（5）控制频率没必要很高。试验机控制系统的频率响应瓶颈在于加载驱动机构，白话说就是惯量电机、油缸活塞反应非常慢，频率响应不会超过10Hz，所以当控制系统1秒钟控制10次，再快也没有多大的积极效果，一般20～50Hz足够。
（6）试验机控制有其特殊的平稳调速要求。除非特殊要求，材料试验从启动到建立指定速度需要一个过渡，恒速加载到保持需要一个过渡，不同控制环的切换也要求输出连续。
（7）不能忽视负载的影响。试验机系统的负载就是被试验的对象，由于试件材料的特殊性，在试验过程中试件的特殊变化可能影响这个系统的性能，甚至破坏系统的稳定性。常见的问题出现在力控制情况下。闭环控制采用的负反馈原理，正常情况下控制器输出正信号，通过执行机构作用到试件，应该得到试验力的增长（前向正相关，闭环才是负反馈）。如果出现金属的屈服、夹持机构的滑移、材料的异常松弛等，整个闭环就成为正反馈而导致系统失稳。不能指望任何一种控制算法能有效处理这种情况。

三. 合理使用电子万能试验机三闭环的控制功能

由以上几条可以看出，要获得比较优的控制性能，在设计上，必须考虑整个系统的优化，而不仅仅是控制器的设计水平。当然好的控制器表现在一是适应范围广，二是参数尽量少。同时在使用中，控制器毕竟是一个工具，受客观规律的制约，不可能做到随心所欲。当操作者需要做闭环控制的时候，必须综合考虑各方面因素，合理使用工具：
（1）保证系统的稳定性。考虑闭环控制中被控制量与加载驱动机构有正相关的关系，一般位移控制和变形控制不太出现稳定性问题，问题大都出在力控制上。如果加载过程中可能会出现力值下降，或者非受控的自然起伏，就避免用力控制。
（2）设置适当的控制目标参数。虽然控制器给出一个可控制的范围，但是实际使用中还是不能任意设置。例如一，压缩试验，如果接触前的预紧速度过快，则过渡时间会特别长，甚至过渡到最大载荷的一半还多。例如二，拉伸试验，如果中间需要切换速度，一般是换更快的速度。
（3）会简单的调试。由于负载刚度影响到整个系统的刚度，为了获得较好的性能，操作者经常要改变控制器的比例系数。一般原则是硬（刚度大）的试件用较小的比例，软试件用较大的比例系数。