调谐初始控制参数的材料测试仪的自适应控制制造技术

本发明专利技术涉及一种操作材料测试仪以测试试样的方法，该测试仪包括用来对试样施加作用力的电控执行器。该方法包括：输入单个可调节的参数值，从参数值计算出所有必需的反馈控制增益，并且随后执行对试样的测试。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】调谐初始控制参数的材料测试仪的自适应控制 材料测试仪的调谐本专利技术涉及一种材料测试仪，尤其涉及一种用于调谐该测试仪的方法和装置。许多制造厂商都生产用于测试材料试样或组分的物理特性的材料测试仪 (有时也被称为结构测试仪)。在测试中，必须控制特定的被测变量，并且还必须尽可能接近地遵循指定的取值轨迹(trajectory )。 一些典型的变量包括 *位置(有时也被称为位移或延伸) *负载(施加于试样的力) *应变(针对试样的局部的位移或延伸) 这些仪器中采用的执行器技术的示例包括*自身电动机驱动的螺旋传动机构(精确控制，但是速度受限制) *水压致动器(响应更快，但更为复杂) *电磁振动器(响应非常快，但静态负载能力受限制) 參线性三相电动机(响应快，好的负载能力，需要大量电能和快速控 制器)在所有的仪器中，使用反馈控制以使得指定变量和当前被测值之间的误差 最少。大多数控制器具有多个反馈增益，例如PID控制器中的'P'、 T、 'D'。还 存在为进一步提高稳定性和响应而设定的其它控制参数，例如速度反馈、超前 -滞后补偿或信号滤波。 一般地，当仪器测试新试样时，所有这些参数都需要 被再次调谐，因为该试样的加入实质上改变了系统的动态。 一般地，仪器中的 执行器越是动态，就越需要小心地调谐控制参数。控制参数的数目以及试样的可测量特性与期望的控制参数值之间缺乏简 单的物理关系都经常造成调谐过程过于复杂，而使得仪器操作者难以完成该调 谐过程。取而代之的是，通常由受过培训的控制工程师基于自身经验和经验指 南(empirical guideline)调谐控制参数。由于使用该仪器的用户在培训技术人3法是昂贵并且耗时的。长期以来已经认识到上述问题，并且已经开发出可降低对于手动调谐需求的"自动调谐(autotuning)"算法。 一种方法是将控制工程师所使用的经验指 南自动化，举例来说，"最大增益、最小积分"技术的自动化。如此得到的控制 参数可正常地工作，但是仍存在如下几个缺点*该处理对使用者来说是个"黑箱"，该使用者在调谐处理中并不了解仪器 在做什么，并且没有用来核实该处理是否成功的简单方法。*在控制参数值和接受测试的试样之间，仍不存在可利用的物理关系。*如果出于参考或设定的目的将控制设定进行保存，则使用者必须知道并 记录许多相关的控制参数。考虑到材料(或结构)测试仪的调谐工艺的上述情况，如果对特定试样的 调谐仅涉及一个参凄t,则对于该仪器的用户和制造商而言无疑是巨大的改进。 如果该参数是可由仪器使用者独立地测量出来的、接受测试的试样的物理特 性，则会取得更大的改进。这正是本专利技术所要求保护的，即只需要测量试样的 刚度(stiffoess)即可调谐材料测试仪中的所有必需的反馈控制增益。这不是第 一 次使用"刚度"来辅助调谐材料测试仪。在美国专-寸 No.5,511,431中已经提出过一种"自适应，，控制算法，该方法利用了在使用中自 动确定的刚度值。然而，无论是手动地，还是采用不涉及刚度值的"自动调谐" 算法，该算法都只对必须依经验调谐的初始值修改控制增益。因此，刚度值是 一种额外的调谐参数，而不是其它控制参数的替代调谐参数。刚度值也不能够 被使用者使用，因此使用者不能利用刚度值来创建系统。另 一种在材料试样的控制中刚度的应用是关于金属试样的"应力率"的确 定。在这种情况下，由关于材料和试样几何构型的已知的杨氏模量(Young's modulus)的软件内部计算出刚度。这种刚度应用是为了设定位置指令的变化 速率，但是并不影响已经设定了的反馈控制增益。本专利技术提供了 一种方法和装置，通过单个可调节的参数值计算控制试样位 置或试样负载所需的所有反馈控制增益。可将单个可调节的参数值手动地输入该仪器，或是可选地根据关于仪器和 接受测试的试样的组合的单个可物理测量的参数值计算出单个可调节的参数接受测试的试样的组合的单个可物理测量的参数值计算出单个可调节的参数 值。作为用来执行"应变"控制的上述设置的改进，可定义用来描述将变形测定器(extensometer)应用于局部试样时效果的额外的可测量参凄t。在使用中，使用者只需向仪器输入表示将要被测试的试样的特性、单个可 调节的参数值。该仪器基于输入值和其它的参数值进行计算，并且估计该仪器 对测试试样所进行的特定测试所需要的初始增益设定。随后在正常的反馈控制 下执行上述测试。为了更加容易地理解本专利技术，现在参考所附的附图来描述本专利技术的实施 例，其中图l是给出了依照本专利技术的材料测试仪的示意图；以及 图2是给出了表示调谐处理的流程图。本专利技术是针对一种新型的、使用线性电动机作为执行器的材料测试仪进行 开发的，但是本专利技术通常也可应用于使用其它执行器技术的仪器，只要该仪器 使用的执行器的某些可测量的特性是已知的。参考附图说明图1，其示意出了一台材料测试仪，该材料测试仪包括具有底座11 和十字头(crosshead) 12的刚性架10,其中该十字头用于容纳执^f亍器14的驱 动组件。该执行器包括活塞及圆柱状设备，在此情况下该圆柱状设备由线性电 动机构成，而线性电动机的电枢构成了执行器的活塞。该活塞安装在轴承16 上，并通过一测压元件(load cell) 20连接到试样夹18上。另一个试样夹21 连接到仪器的底座11上，而接受测试的试样被夹持在试样夹18和21之间。以某种合适的方式监视执行器活塞的位置，例如采用LVDT(线性可变差 分变压器)或数字编码器，并且以某些便利的且已知的方式监视试样，举例来 说，使用用来测量作用于试样的作用力的测压元件20或者^f吏用用来测量接受 测量的试样的局部伸长的变形测定器22。上述仪器能够执行任意一种针对试样进行的大量不同的测试，并且这是通 过合适的控制以驱动执行器实现的。通常，上述控制是由使用者通过诸如键盘 等某种适宜的接口系统，将测试类型输入到仪器中以便计算机执行操作，。控 制系统及数据输入装置在附图中并没有示出。正像先前所解释的，将仪器的执行器与具备给定刚度的接受测试的试样相 连接，产生了 一个应用到与刚度相联系的运动质量的作用力的模型的动态系 统。试样的运动质量和刚度的连接，产生了一个具有特定自然频率的谐振机械 系统。刚度的作用依赖于系统的其它可测量的特性，举例来说，液压执行仪中 油柱的刚度。更进一步的，对于谐振的控制是对该控制系统的最主要的挑战，动机作为执行器的难题之一 。如果关于可能出现的反馈量的控制参数选择不 当，则对该谐振系统采用反馈控制将导致出现不稳定的系统。另外，控制器加 上执行器的响应限制了可以有效控制的可用频率范围。控制器加上执行器的响 应还构成了复杂的函数。意识到这些问题，已经设计出一种对于位置或负载控制的算法，其中使用者需要进行设定的唯一参数就是负载线刚度Ks，负载线刚度Ks被定义为当对 试样应用负载时测得的负载变化除以测得的位置变化。试样刚度Kx是一种更 精确的局部刚度的值，并且试样刚度Kx用于在采用变形测量仪执行应变控制 时精确地调谐增益。Kx被定义为在变形测量仪的接触点范围内测得的负载变 化除以测得的位移变化。如果Kx未知，对于大多数的试样和对于应变控制调 谐而言仅需要调谐一个参数的装置来说，Ks-Kx的设定都是一种很好的第一 近似。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作材料测试仪以测试试样的方法，所述测试仪包括用来对试样施加作用力的电控执行器，所述方法包括：输入单个可调节的参数值，从所述参数值计算出所有必需的反馈控制增益，并且随后执行对所述试样的测试。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰普森，保罗海福德，
申请(专利权)人：伊利诺斯工具制品有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]