1  引言

    一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件在使用前必須進行強度和剛度或者疲勞程度的測試。靜力試驗和疲勞試驗是常用的兩種測試方法。靜力試驗是研究結(jié)構(gòu)斷裂和破壞的重要手段，它用于確定結(jié)構(gòu)在一定載荷作用下的應(yīng)力分布、承載能力和穩(wěn)定性，從而合理評價結(jié)構(gòu)的完整性和耐用性；而疲勞試驗是使載荷值在一定范圍內(nèi)反復(fù)變化，用于確定材料在一定時間內(nèi)的破壞程度，從而評估材料的使用壽命。上述實驗由協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)來完成。

    所謂協(xié)調(diào)加載，是指在同一時刻，各載荷按其所設(shè)定最大載荷的等百分比同步加載。協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)具有以下特點：

    (1)  時變性  加載過程中液壓系統(tǒng)參數(shù)和機械結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時間變化；
    (2)  耦合性  加載過程中各載荷之間是耦合的；
    (3)  不確定性  作為加載對象的機械結(jié)構(gòu)，其材料、形狀和尺寸都是不確定的。

    多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)又稱伺服控制系統(tǒng)，能對試件進行多個通道協(xié)調(diào)施力，不僅對系統(tǒng)的過程加以實時控制，而且能獲得很好地控制結(jié)果。

傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)不能解決結(jié)構(gòu)件測試中的以下問題：

    (1)  對結(jié)構(gòu)件進行多點協(xié)調(diào)加載的靜力試驗中，加載達一定值，某一加載點可能首先發(fā)生局部破壞，此時，控制系統(tǒng)應(yīng)當對結(jié)構(gòu)件自動地進行保護，以免結(jié)構(gòu)件由于載荷失衡或在無承載能力的情況下繼續(xù)承受對其施加的載荷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件全局的破壞。

    (2)  對結(jié)構(gòu)件進行多點協(xié)調(diào)加載的疲勞試驗中，若控制系統(tǒng)的工作站發(fā)生故障，此時，控制系統(tǒng)應(yīng)切換工作站，以免結(jié)構(gòu)件發(fā)生局部破壞或者疲勞試驗失敗。

    針對傳統(tǒng)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)的以上問題，設(shè)計了全數(shù)字多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，在通信、同步協(xié)調(diào)控制方法以及信號處理技術(shù)方面進行了改進。

2  全數(shù)字多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    全數(shù)字多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)采用3級分布式控制結(jié)構(gòu)，分別是管理級（PC機）、協(xié)調(diào)修正級（PC-104模塊）和實時控制級（通道機及伺服控制器等模塊）。

    管理級（PC機）完成系統(tǒng)及試驗的定義、管理、監(jiān)控和試驗數(shù)據(jù)的處理等工作，提供易操作的人機界面，不參與實時控制。

    協(xié)調(diào)修正級采用PC-104模塊，軟件寫在固態(tài)盤中，用來協(xié)調(diào)指令與反饋的同步。

    實時控制級是采用DSP與CPLD（Complex Programable Logic Device，可編程邏輯器件）技術(shù)，基于VME（Virtual Mobile Engine，虛擬存儲環(huán)境）總線新一代全數(shù)字伺服控制器，該控制器包括了電液伺服控制系統(tǒng)的全部功能，主要由反饋調(diào)節(jié)器模塊、伺服控制器模塊及閥驅(qū)動模塊等組成。

3  幾項改進措施

3.1  同步協(xié)調(diào)控制方法

    對一般結(jié)構(gòu)件進行協(xié)調(diào)加載，采用常規(guī)的PID經(jīng)典控制理論即能滿足要求。但有些復(fù)雜的工程，僅采用常規(guī)控制法還是遠遠不夠的，需要實時地采集回實際加載波形的幅值、相位和頻率，分析處理并使協(xié)調(diào)控制級做出相應(yīng)補償。因此，為了使系統(tǒng)的總體功能及精度得到進一步提高，本系統(tǒng)增加了如下的補償方法。

    動靜踏步修正法用來修正靜力試驗。靜踏步修正法是指加載命令在加至終值處時，停止加載，即靜踏步等待。如果在規(guī)定的最大等待時間內(nèi)所有通道反饋值與命令的誤差進入設(shè)定的誤差帶，則繼續(xù)下一終值點的加載。反之，如果在規(guī)定的最大等待時間內(nèi)有通道反饋值與命令值的誤差不能進入設(shè)定的誤差限，則視為超差。動踏步修正法是指在設(shè)定頻率下從某一終值向另一終值加載的過程中檢測命令與反饋的誤差。在誤差超過給定誤差帶時，通過不斷降低加載的頻率，最終使反饋與命令的誤差達到給定要求的過程。

    幅值修正法和相位修正法是在周期性重復(fù)加載過程中使用的輔助控制方法。通過檢測反饋幅值與給定命令的誤差以及各通道反饋間的相位與命令相位的誤差，對加載命令的幅值和相位進行修正，從而改變反饋值，最終使反饋幅值、相位與給定加載幅值、相位的誤差在給定的誤差限內(nèi)。

    在協(xié)調(diào)修正級，本系統(tǒng)采用了用于嵌入式控制系統(tǒng)中PC-104模塊。該模塊與PC全兼容，集成度高，體積小，功耗低，工作溫度范圍寬，組態(tài)靈活、方便。

3.2  采用以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊、由VME總線與控制級交互工作

    傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)工作站與子站間的通信通過PC機的并行口來完成，協(xié)調(diào)級以板卡的形式插入PC機的擴展插槽中。對工作件實施靜力或疲勞試驗時，若某工作站發(fā)生故障，控制級失去指令控制而繼續(xù)加載，試件很有可能會被破壞，或停止加載而導(dǎo)致疲勞試驗失敗。

    本系統(tǒng)管理級與協(xié)調(diào)修正級通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊的功能，再經(jīng)由VME總線與控制級交互工作。通過自己定義的通信協(xié)議有效地對試件進行操作，試驗定義、進入試驗、譜段加載、試驗卸載、退出，有條不紊，并且多個工作站之間可以利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)切換，更穩(wěn)定的實施控制。

3.3  數(shù)字信號處理技術(shù)

    實時控制級由通道機和伺服控制器組成。通道機用于產(chǎn)生直流、正弦波、三角波、方波和梯形波，并可按一定斜率均勻加載和卸載；伺服控制器為閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要部分，PID參數(shù)的調(diào)節(jié)及輸出控制由一個單獨的處理器完成。數(shù)字閉環(huán)運算的速度直接影響了控制精度。單片機的性能好，價格低，所以以往的伺服控制器均采用單片機。但隨著通道的增加，單片機的速度劣勢顯現(xiàn)出來，現(xiàn)在采用專用的數(shù)字處理器（TMS320-31）來完成，控制周期由原來的3ms提高到25us，實時性得到很大的提高。

3.4  改進后的伺服控制系統(tǒng)性能指標

    •  伺服更新時間25us；
    •  可任選反饋一至反饋四，四種控制方式可動態(tài)切換；
    •  系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)切換功能；
    •  數(shù)字伺服閥平衡設(shè)置，精度1/65 535；
    •  伺服閥顫振幅值數(shù)字修改，精度1/100；
    •  控制系統(tǒng)靜態(tài)精度0.02%（典型狀態(tài)）；
    •  控制系統(tǒng)動態(tài)精度0.05%（典型狀態(tài)）；
    •  軟件復(fù)位接口。

4  結(jié)語

    與目前國內(nèi)該類系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有鮮明的特點：集成了多種試驗和多種控制方法，做到控制與用戶操作的分離，從而根本上保證了系統(tǒng)的可靠性；采用PC104和DSP技術(shù)，精度明顯提高且便于用戶升級。