通过使用试验机推动,拉动或扭转材料样品来确定材料的机械性能。许多材料是应变速率敏感,这意味着它们的性质随测试速度而变化。只有通过所有的测试速度都使用相同的测试速度,才能实现供应商之间的有效比较。

机电试验机电机控制系统

美国的测试和材料协会(ASTM)和国际标准组织(ISO)是两个管理机械测试规范的组织。每个规格要求将力施加在特定的应变,十字头位置或应力率。测试机器控制器的一个功能是确保在整个测试中准确地维护指定的测试速率。址址测试系统配备了控制器,如mtestquattro控制器(如上所示)是电机控制系统的一部分,负责调节电动机的速度。

测试速率与电动机速度成比例。如果测试速度太低或降低,则通过增加功率放大器的电压来实现电动机速度的控制。用于调节电机速度的简单规则是使功率放大器电压变化与测试速度误差成比例(实际测试速度和所需的测试速度之间的差)。

测试速度错误=所需的测试速度 - 实际测试速度(EQ.1)
放大器电压= KP X测试速度误差(EQ。2)

等式2是比例控制算法。KP是比例增益,并调整以最小化测试速度误差。从电机控制系统的角度来看,控制测试速度的程度将取决于在MTESTQUATTRO控制器上放置多少需求。如果模拟到数字(A / D)和数字到模拟(D / A)转换器作为控制器的一部分需要很小的干预;如果用于计算功率放大器电压作为测量的测试速度的函数的MTESTQUATTRO控制算法可以快速更新;然后,在实际和期望的测试速度之间期望最小的误差是合理的。由于功率放大器输出电压的计算不依赖于时间(参见EQ.2),因此MTESTQUATTRO控制器的策略是尽可能频繁地更新功率放大器电压。我们将伺服更新率定义为每个放大器电压计算之间的时间间隔。我们的示例的伺服更新速率固定在1毫秒或每秒1000次(1000 Hz)。要将伺服更新速率与实际测试应用程序相关联,请参见下面的示例。

  • 例1ASTM D638塑料拉伸性能标准试验方法指定常数
    十字头测试速度为2英寸/分钟或0.033英寸/秒。伺服更新率为每次为1,000次
    第二,期望的十字头运动每伺服更新= 0.033/1000 = 0.000033英寸/伺服
    更新。
  • 例2.:将10 LBF峰值施加到峰值正弦波力幅度以5 Hz(每秒周期)进行测试
    样本。根据5hz规格,每0.2秒(1/ 5hz)完成一个周期。这
    每个周期的伺服更新数= 1000 x 0.2 = 200个伺服更新每个周期。在每个周期期间
    致动器将施加10LBF,然后从样品中除去10LBF,用于20LBF的总力遍历。这
    每个伺服更新的平均变化为20 LBF / 200 = 0.1 LBF /伺服更新。
  • 例3.:将10 LBF峰值施加到50Hz的50Hz峰值正弦波力幅度至测试样品。基于这一点
    50 Hz规范,每个循环都要每0.02秒完成(1/50Hz)。伺服的数量
    每循环更新= 1000 x 0.02 =每循环伺服更新。每个伺服的平均变化
    更新为20 lbf / 20 = 1 lbf / servo更新。

在示例1中,测试以0.000033英寸/伺服更新的恒定位移率执行。因为期望的速率在整个测试期间没有变化,并且控制算法更新了每秒1000次的放大器电压,所以电机控制系统能够精确地跟随所需的测试速度。

平均来,在实施例2和3中分别在每个伺服更新中有0.1LBF和1 LBF的力。然而,在正弦波型材期间的电动机连续加速和减速产生不同的测试速度误差。随着我们增加循环频率,加速度变大,每个周期更新备用更新。因此,伺服更新错误将随着频率的增加而增长,这将从控制器中需要更多,以实现准确的控制。

在十字头位置速率控制下进行测试的框图

在十字头位置速率控制下进行测试的框图

上图是例1上测试应用程序的框图,其中测试速率基于十字头位置(指定为0.033 /秒或0.000033 /伺服更新)。通过闭环控制,在每次伺服更新时,MTESTQuattro控制器将实际十字头位置从期望十字头位置减去,以获得十字头位置误差。

  • 如果该伺服更新为零的误差,则功率放大器电压为零。
  • 如果出现错误,将采取纠正措施。如果实际位置滞后于预期位置(正误差),电机将被告知加速,如果误差为负,则被告知减速。随着试验的进行,力逐渐增大,但随后材料开始屈服(过程扰动)。突然间,拉伸试样的阻力变小了,实际位置超出了期望位置。控制器将降低功率放大器电压,使电机减慢。一段时间后,材料可能开始应变硬化,产生更多的运动阻力。实际位置落后,控制器然后增加功率放大器电压,使电机加速。

如果没有反馈循环,测试机器将不了解它的实际交叉头位置。一旦遇到干扰,例如增加负载,产量或破裂,实际和期望的十字头位置之间的误差会随着测试速度而变化。

点击下面的用于在材料测试中的开环和闭环控制的比较。

ADMET MTESTQuattro控制器采用比例、积分、微分(PID)控制算法。

PID_Controller.

PID控制器的框图

PID控制器的工作方式如下。每次伺服更新,实际十字头位置减去所需十字头位置,以获得位置误差。根据打开的模式,误差被传递到P、I和D模式中的一个、两个或全部三个模式。然后将每个模式的输出相加。结果的总和是控制器输出或功率放大器电压,它设置电机的速度为伺服更新。一种、两种或所有三种模式都可以打开。可能的组合如下所示,其中最常见的是PI控制。

  1. 仅比例控制,p
  2. 比例加积分控制,pi
  3. 比例加积分加上衍生,PID
  4. 比例加衍生物,PD

积分控制动作连续地在随后的伺服更新中加入误差,一起产生电力放大器电压的斜坡。随着时间的推移,此动作将伺服更新错误驱动到零,并且还克服了在测试期间改变负载引起的变化的电机阻力。

通常,静态试验机上的一组十字头位置PID控制增益将在机器的整个速度范围内产生可接受的十字头位置控制。对于非常缓慢的速度,可能需要具有较大比例增益(KP)和积分控制增益(KI)值的第二组十字头位置PID控制增益。对于疲劳测试应用,可能需要不同的PID控制增益,振幅和频率不同的循环波形。因此,需要更频繁的增益调整。

点击下面查看MTESTQUATTRO增益调整过程的概述。

调整力控制循环时有几个关键点可以记住。试样的刚度或其在负载下相对于试验机负载框架的刚度和电机控制系统的刚度延伸。

  • 如果测试样本相对于试验机非常符合(延伸得多大),则可以实现对整个力范围内的良好控制。
  • 如果试样的刚度等于或大于试验机的刚度,则可能经历较高力处的不稳定性。

为了消除更高负载的不稳定性使得控制回路通过降低比例和积分的增益来更加缓慢。减少增益的最终结果是较低负载下的较大控制误差,而是在较高负载下的稳定控制回路。

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