材料的机械性能是通过使用试验机推、拉或扭材料样品来确定的。许多材料对应变率敏感，这意味着它们的性能随测试速度而变化。只有当所有供应商都使用相同的测试速度时，才能实现供应商之间机械性能的有效比较。
机电试验机电机控制系统
美国测试与材料协会(ASTM)和国际标准组织(ISO)是管理机械测试规范的两个组织。每个规范都要求在特定的应变、十字头位置或应力速率下施加力。试验机控制器的一个功能是确保在整个测试过程中准确地保持指定的测试速率。ADMET测试系统配备了控制器等MTESTQuattro控制器(如上所示)是电机控制系统的一部分，负责调节电机的速度。
测试速率与电机转速成正比。如果测试速度过低，则增加功率放大器的电压，如果测试速度过高，则降低电压，从而实现对电机速度的控制。调节电机速度的一个简单规则是使功率放大器电压与测试速度误差(实际和期望测试速度之间的差值)成比例地变化。
测试速度错误=期望测试速度-实际测试速度(公式1)
电压放大器= Kp x测试速度误差(Eq. 2)
式2为比例控制算法。Kp是比例增益，经过调整以使测试速度误差最小化。从电机控制系统的角度来看，测试速度控制得如何将取决于对MTESTQuattro控制器的需求有多大。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少的干预;如果用于计算功率放大器电压作为测量测试速度的函数的MTESTQuattro控制算法可以快速更新;然后，期望实际测试速度和期望测试速度之间的误差最小是合理的。由于功率放大器输出电压的计算不依赖于时间(见Eq. 2)， MTESTQuattro控制器的策略是尽可能频繁地更新功率放大器电压。我们将伺服更新速率定义为每个放大器电压计算之间的时间间隔。我们示例中的伺服更新速率固定在1毫秒或每秒1,000次(1,000 Hz)。要将伺服更新速率与实际测试应用联系起来，请参阅下面的示例。
- 示例1：ASTM D638塑料拉伸性能的标准试验方法指定一个常量
十字头测试速度为2 in/min或0.033 in/sec。具有伺服更新速度1000次/次
其次，每个伺服更新所需的十字头运动= 0.033/1000 = 0.000033英寸/伺服
更新。 - 示例2:在测试中，以5hz(周期/秒)的频率，施加10lbf的峰值到峰值正弦波力振幅
样本。按照5hz规范，每0.2秒(1/ 5hz)完成一个周期。的
每周期伺服更新数= 1000 x 0.2 = 200伺服更新每周期。在每个周期中
驱动器将施加10 LBF，然后从样品中移除10 LBF，总力遍历为20 LBF。的
每次伺服更新的平均力变化为20 LBF / 200 = 0.1 LBF /伺服更新。 - 示例3:在50hz的情况下，对测试样本施加10lbf的峰值到峰值正弦波力振幅。基于
50hz规格，每个周期完成0.02秒(1/ 50hz)。伺服数量
每周期更新= 1000 x 0.02 = 20伺服更新每周期。每个伺服的平均力变化
更新为20 LBF / 20 = 1 LBF /伺服更新。
在例1中，测试以0.000033英寸/伺服更新的恒定位移速率执行。由于期望的速率在整个测试过程中不会变化，并且控制算法每秒更新放大器电压1000次，因此电机控制系统能够精确地跟踪期望的测试速度。
在例2和例3中，每次伺服更新平均有0.1 lbf和1 lbf的力变化。然而，电机在正弦波剖面是不断加速和减速产生变化的测试速度误差。当我们增加循环频率，加速度变得更大，每个周期有更少的伺服更新。因此，伺服更新误差将随着频率的增加而增大，这将对控制器提出更高的要求以实现精确的控制。
在十字头位置速率控制下进行的测试框图
上图是示例1中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 in/秒或0.000033 in/伺服更新)。通过闭环控制，在每次伺服更新时，MTESTQuattro控制器从所需的十字头位置中减去实际十字头位置，以获得十字头位置误差。
- 如果伺服更新的误差为零，功率放大器电压将为零。
- 如果出现错误，就会采取纠正措施。如果实际位置滞后于所需位置(正误差)，电机将被告知加速，如果误差为负，则告知减速。随着测试的进行，力不断增加，但随后材料开始屈服(过程扰动)。突然间，拉伸测试试样的阻力减小了，实际位置超过了预期位置。控制器将降低功率放大器电压，使电机减速。一段时间后，材料可能会开始变硬，产生更大的运动阻力。实际位置落后，然后控制器增加功率放大器电压加速电机。
如果没有反馈回路，测试机器将不知道它的实际十字头位置。一旦遇到干扰，如增加负荷、屈服或破裂，实际和期望十字头位置之间的误差将随着测试速度而变化。
点击下面查看材料测试中开环和闭环控制的比较。
ADMET MTESTQuattro控制器采用比例、积分、导数(PID)控制算法。
PID控制器框图
PID控制器的工作原理如下。每次伺服更新，实际十字头位置减去所需的十字头位置，以获得位置误差。错误被传递到P, I和D模式中的一个，两个或所有三个模式，这取决于哪些模式被打开。然后将每个模式的输出加在一起。结果的总和是控制器输出或功率放大器电压，设置伺服更新电机的速度。一种、两种或三种模式都可以打开。下面列出了可能的组合，最常见的是PI控制。
- 仅限比例控制，P
- 比例加积分控制，PI
- 比例加积分加导数，PID
- 比例加导数，PD
积分控制动作不断地将后续伺服更新的误差加在一起，在功率放大器电压中产生类似斜坡的变化。随着时间的推移，这一动作将驱动伺服更新误差为零，并克服测试期间由变化负载引起的电机电阻变化。
一般来说，静态试验机上的一组十字头位置PID控制增益将在机器的几乎整个速度范围内产生可接受的十字头位置控制。对于非常慢的速度，可能需要第二组具有较大比例增益(Kp)和积分控制增益(Ki)值的十字头位置PID控制增益。对于疲劳测试应用，对于振幅和频率不同的循环波形可能需要一组不同的PID控制增益。因此，需要更频繁的增益调谐。
点击下面查看MTESTQuattro增益调优过程的概述。
在调整力控制循环时，有几个关键点要记住。试件的刚度或它在负载下相对于试验机负载框架和电机控制系统的刚度的拉伸程度很重要。
- 如果测试样本相对于试验机非常柔顺(拉伸更多)，则可以实现对整个力范围的良好控制。
- 如果试样的刚度等于或大于试验机的刚度，那么在更高的力下可能会出现失稳。
为了消除高负载下的不稳定性，通过降低比例增益和积分增益使控制回路更加缓慢。降低增益的最终结果是在低负载时控制误差更大，但在高负载时控制环路稳定。
