CN109212967B - 一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法，该方法根据切换前后两种控制模式驱动电压的误差进行闭环学***滑切换，在切换过程中不会对试件造成损害，满足各种试验标准的要求。

Description

一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法
技术领域
本发明涉及液压材料试验机控制领域，具体涉及一种用于控制模式平滑切换的在线跟踪方法。
背景技术
材料试验机是用来测试各种材料(如金属、非金属、复合材料等)、机械零件和工程结构等在不同条件下的物理机械性能的仪器。为了满足各种不同试验标准和各种材料的试验需求，材料试验机的控制软件需要有较大的灵活性，针对其控制方式而言，一般需要有位移、载荷、应变控制模式。在试验过程中，经常需要在各种控制模式之间进行灵活组合测试，根据国际通用试验标准的要求，在各种控制模式切换过程中必须保证平滑切换，即在切换过程中不会产生载荷冲击。
现有的控制策略主要是通过调整控制闭环的输入信号，使得当前闭环控制下的***误差与待切换控制模式下的***误差的差值近似为零。此方法只适合与静态的切换。对于不同的控制模式，***的传递函数和控制器参数都不相同，因此，很难达到完全的平滑切换。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法，根据切换前后两种控制模式驱动电压的误差进行闭环学习待切换模式的输入信号，使得切换实际驱动***的驱动信号在切换瞬间保持不变，从而使切换后控制模式的闭环形成过程中，不会出现位移、载荷或者应变的冲击。
本发明采用如下技术方案：
一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法，其特征在于，所述液压材料试验机各个通道均采用PID控制方式；根据切换前后两种控制模式的驱动电压的误差，获得学习信号；通过PI***闭环学习待切换模式的学习信号，使得切换后的驱动电压能够实时跟踪切换前的驱动电压，因此，实际驱动***的驱动信号在切换瞬间保持不变，切换后控制模式的闭环形成过程中，不会出现位移、载荷或者应变的冲击。
从控制通道1切换到控制通道2的一般过程如下：
当控制模式处于通道1时，通道1的闭环形成，此时控制通道1的PID-1控制器的驱动电压的计算方式为：
Figure BDA0001773783640000021
式中，P1是通道1的比例系数，I1是通道1的积分系数，D1是通道1的微分系数。e1(t)是通道1的指令信号与输出反馈信号的差。
控制通道1的驱动电压u1(t)输出给伺服阀，驱动伺服阀阀芯运动，从而使液压油流入油缸使油缸作动。
与此同时，控制通道2的PID-2控制器也处于工作状态，且采用PI***来学习控制通道2的输入指令信号，使得控制通道2的驱动电压u2(t)能够实时跟踪u1(t)。学习过程描述为：
learn1-2(t)＝Pe3(t)+I∫e3(t)dt
Figure BDA0001773783640000022
式中，learn1-2(t)为通道2的输入指令信号，用于学习；P是PI***的比例系数，I是PI***的积分系数。P2是通道2的比例系数，I2是通道2的积分系数，D2是通道2的微分系数。e3(t)是通道1的驱动电压u1(t)与通道2的驱动电压u2(t)的差。e2(t)是通道2的输入指令信号与输出反馈信号的差，即learn1-2(t)与通道2的反馈信号的差。
等接收到切换指令的中断消息，将伺服阀的驱动电压从通道1切换至通道2，同时，将通道2的指令输入信号从切换过程学习信号learn1-2(t)切换至通道2的命令输入信号。
进一步地，材料试验机的控制通道包括位移、载荷、应变。各个通道的PID控制和PI***采用模拟电路实现或用数字控制器实现。伺服阀的驱动电压从通道1切换至通道2通过模拟开关、继电器控制或数字控制器编程实现。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法，根据切换前后两种控制模式驱动电压的误差进行闭环学***滑切换，在切换过程中不会对试件造成损害，满足各种试验标准的要求。
附图说明
图1为普通的控制模式间切换过程。
图2为控制模式平滑切换原理图。
具体实施方式
材料试验机控制方法各个通都采用PID控制，而位移、载荷和应变控制模式的***特性不同，各个控制模式的PID参数也不相同。不失一般性，以任意两个控制模式来说明控制模式间平滑切换过程，图1显示了普通的从控制通道1切换到控制通道2的切换过程。
图中，控制模式处于1通道闭环状态，r1是1通道的输入指令信号，y1是1通道的输出信号，并作为反馈信号至输入端，e1是通道1的误差信号，其值为r1与y1的差值，u1是误差信号e1经过PID-1控制器之后的输出信号，是控制通道1的驱动电压。
Figure BDA0001773783640000041
式中，P1是通道1的比例系数，I1是通道1的积分系数，D1是通道1的微分系数。e1(t)是通道1的指令信号与输出反馈信号的差。
控制信号u1驱动伺服阀阀芯运动，从而使液压***闭环工作。开关sw1处于通道1的位置表示，***现在处于1通道的闭环控制状态。r2是待切换通道2的输入指令信号，e2是控制通道2的误差，u2是控制通道2的驱动电压、y2是控制通道2的输出反馈信号。
当开关sw1处于通道1时，PID-1闭环控制使驱动电压u1处于稳态值。如果不进行平滑切换的处理，从通道1切换至通道2，其起始驱动电压u2与切换前瞬间的驱动电压u1不同。由于y2是通道1控制模式闭环下的通道2输出信号，其值与输入指令r1相关，误差信号e2也与e1不同。切换后通道2的闭环立即形成的过程中驱动电压u2必然会产生抖动，从而造成被控***的输出信号产生突变。这种突变使得切换过程不平滑，可能对试件产生影响。
传统的方法通过在切换过程中控制通道2的输入指令信号r2来进行平滑切换，一般方法是通过改变r2使待切换通道的误差信号e2与现在控制模式下的误差e1保持相等。这种方法虽然控制了误差信号不产生抖动，但不能保证通道2的驱动电压u2的初始电压与切换前相同。一般，积分环节在使用前，其初始电压应该置零。而当通道1的驱动电压u1不为零时，通道2的初始驱动电压u2不等于u1。因此，切换过程必然也会产生一定的抖动。
本发明采用如图2所示的基于闭环PI***的在线学习待切换通道的输入指令信号以使得两个通道驱动电压相等。在控制通道1与此同时，控制通道2的PID-2控制器也处于工作状态，且采用PI***来学习控制通道2的输入指令信号，使得控制通道2的驱动电压u2(t)能够实时跟踪u1(t)。其主要原理是：将驱动电压u1和u2的差值e3经过PI***变为learn1-2信号，再将其输入通道2作为输入指令。
学习过程描述为：
learn1-2(t)＝Pe3(t)+I∫e3(t)dt
Figure BDA0001773783640000051
式中，learn1-2(t)通道2的输入指令信号，用于学习，P是PI***的比例系数，I是PI***的积分系数。P2是通道2的比例系数，I2是通道2的积分系数，D2是通道2的微分系数。e3(t)是通道1的驱动电压u1(t)与通道2的驱动电压u2(t)的差。e2(t)是通道2的输入指令信号与输出反馈信号的差，即learn1-2(t)与通道2的反馈信号的差。此时，PI***、PID-2、u1组成一个闭环跟踪***。当u2与u1有差值，PI***根据其差值e3，计算出相应的learn1-2输入PID-2。因为积分环节可以消除稳态误差，所以跟踪的结果为u2＝u1。
等接收到切换指令的中断消息，开关sw1和开关sw2同时切换。开关sw1将伺服阀的驱动电压从通道1切换至通道2，开关sw2将通道2的指令输入信号从切换过程学习信号learn1-2(t)切换至通道2的命令输入信号。
该方法通过PI控制器跟踪功能，实时改变通道2的指令信号来学习，使得驱动电压u2和u1相等。在切换瞬间，开关sw1和sw2同时切换，通道2由learn1-2信号突然切换成通道2新的指令信号，此过程在不改变PID-2参数的情况下，使得***切换至通道2的瞬间保证输入给伺服阀的电压信号u2保持不变，从而使得通道2新的闭环形成过程中的整个过程连续可控，不产生突变。
如上所述，以通道1切换至通道2切换为例，说明了本发明提出的材料试验机控制模式平滑切换的方法。实际上，任意两个通道间的切换都与此类似。在任意一个控制模式闭环状态下，其余的控制模式的PI***都在线学***滑切换，无需达到稳态即可切换。

Claims (4)

1.一种液压材料试验机控制模式的在线跟踪平滑切换方法，其特征在于，所述液压材料试验机各个通道均采用PID控制方式；根据切换前后两种控制模式的驱动电压的误差，获得学习信号；通过PI***闭环学习待切换模式的学习信号作为输入指令，使得切换后的驱动电压能够实时跟踪切换前的驱动电压，因此，实际驱动***的驱动信号在切换瞬间保持不变，切换后控制模式的闭环形成过程中，不会出现位移、载荷或者应变的冲击。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从控制通道1切换到控制通道2的一般过程如下：
当控制模式处于通道1时，通道1的闭环形成，此时控制通道1的PID-1控制器的驱动电压的计算方式为：
Figure FDA0002402064630000011
式中，P1是通道1的比例系数，I1是通道1的积分系数，D1是通道1的微分系数；e1(t)是通道1的指令信号与输出反馈信号的差；
控制通道1的驱动电压u1(t)输出给伺服阀，驱动伺服阀阀芯运动，从而使液压油流入油缸使油缸作动；
与此同时，控制通道2的PID-2控制器也处于工作状态，且采用PI***来学习控制通道2的输入指令信号，使得控制通道2的驱动电压u2(t)能够实时跟踪u1(t)；学习过程描述为：
learn1-2(t)＝Pe3(t)+I∫e3(t)dt
Figure FDA0002402064630000012
式中，learn1-2(t)为通道2的输入指令信号，用于学习；P是PI***的比例系数，I是PI***的积分系数；P2是通道2的比例系数，I2是通道2的积分系数，D2是通道2的微分系数；e3(t)是通道1的驱动电压u1(t)与通道2的驱动电压u2(t)的差； e2(t)是通道2的输入指令信号与输出反馈信号的差，即learn1-2(t)与通道2的反馈信号的差；
等接收到切换指令的中断消息，将伺服阀的驱动电压从通道1切换至通道2，同时，将通道2的指令输入信号从切换过程学习信号learn1-2(t)切换至通道2的命令输入信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个通道的PID控制和PI***采用模拟电路实现或用数字控制器实现；伺服阀的驱动电压从通道1切换至通道2通过模拟开关、继电器控制或数字控制器编程实现。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，材料试验机的控制通道包括位移、载荷、应变。
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