模糊PID控制器在液压万能试验机上的应用

　　0　引言

　　液压万能材料试验机是一种典型的非线性时变系统,如单独采用常规PID控制器或模糊控制器对试验过程进行控制,其控制精度差,误差大。为此,将两者结合起来,并以此为基础,开发出了液压万能试验机计算机测控系统,并利用它成功地对东风汽车公司工艺研究所一台300kN试验机进行了改造。实际应用表明,改造后的试验机不仅完全满足国家标准GB228-87《金属拉伸试验方法》中对拉伸速度的控制要求,实现了测量与控制的自动化。

　　1　试验机改造方案设计

　　试验机改造原理如图1所示。其工作方式模拟人工手动控制方式。试样在拉伸时产生的载荷-伸长或应力-应变的物理量,被位移传感器、压力传感器和引伸计采集,经信号放大器、A/D接口转换产生的数字信号送到计算机进行处理,计算机根据这些值计算试验机的实际试验速度与设定的试验速度之差,并对步进电机加以控制,来调节送油阀的开度使进入到柱塞缸的液体流量发生变化,让实际试验速度趋于设定的试验速度。

　　1·1　液压部分改造

　　为了不改变原试验机的功能,油路采用并行方式,使其既能自动控制又能手动控制。由于试验机工作环境的限制,油的流量控制采用步进电机驱动一送油阀,即类似于手动控制。回油控制由一电磁阀来控制。

　　1·2　测控系统设计

　　在试验机的送油管上开一接口安置压力传感器,测量试验力。在试样上夹持引伸计,测量试样的变形量。在试验机的支柱上安置位移传感器与油缸相连,测量油缸的位移量。

　　在试验过程中,计算机循环采集压力值、位移值和试样变形量。根据这些值判断材料变形的不同阶段,根据不同阶段所需的拉伸速度来控制步进电机的转角,实现试验机自动控制的要求。

　　由于液压试验机是个本质非线性、时变系统,且参数时变。特别是在拉伸的起始阶段,由于上夹头和柱塞的惯性、系统的泄漏、库仑摩擦等将对控制效果产生严重影响。在试验过程中,要分别实现3种不同的控制方式,这将导致系统的传递函数发生变化。由于试样打滑、外界干扰、摆锤转动等因素也会对控制系统产生严重影响。

　　2　模糊PID控制器的设计

　　PID控制以其简单可靠、容易实现以及稳态无静差等优点而广泛应用于实际工业过程,即使在现代控制技术飞速发展的今天,仍有90%以上的控制回路采用PID控制。但是,传统的PID控制主要是控制具有确切模型的线性过程,而液压试验机不能建立确切的数学模型,因而采用一般的PID控制器无法实现对试验机的精确控制。尽管如此,对于一个熟练的操作者来说,凭借其丰富的经验,仍然可以较准确地控制试验机的试验速度。如果采取恰当的措施,把人工控制经验归纳成为定性形式描述的条件语句,然后加以量化,使控制器接受人的经验,模仿人的动作,就能巧妙地控制试验过程,这就需要采用模糊控制器。在常规模糊控制系统中,考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性,采用了二维模糊控制器结构形式。而这类控制器是以系统误差E和误差变化EC为输出语句变量,因此它具有类似于常规PD控制器的作用。由线性控制理论可知,采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性,但无法消除静态误差。针对PID控制和模糊控制的特点,尝试采用模糊控制与PID控制相结合的控制方式应用在液压试验机系统的控制中。