專利名稱：液壓伺服型材料試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液壓伺服型材料試驗裝置。
背景技術(shù)：
在液壓伺服型材料試驗裝置中，一般地，用于向測試片施加負(fù)載的加載機構(gòu)由液壓致動器驅(qū)動。涉及被選作控制變量的物理值的目標(biāo)值從波形發(fā)生器等提供。同時，基于目標(biāo)值的負(fù)載通過反饋該控制變量的檢測值而施加到測試片上。例如，選作控制變量的物理值為加載機構(gòu)的位移、由于該位移而施加到測試片上的負(fù)載等。
在具有這種反饋環(huán)的液壓伺服型材料試驗裝置中，傳統(tǒng)上執(zhí)行所謂的PID控制，其中通過向目標(biāo)值反饋檢測值而獲得的偏差經(jīng)歷比例-積分-微分(PID)操作，而獲得被控制的變量。為了呈現(xiàn)其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示例，如圖3所示，所提供的結(jié)構(gòu)為由檢測選作控制變量z，如加載機構(gòu)的位移、施加到測試片上的負(fù)載等的物理大小獲得的檢測值(觀察變量)反饋到從諸如波形發(fā)生器31輸出的目標(biāo)值r上。然后，其偏差e被引入PID調(diào)節(jié)器33，以進(jìn)行比例-積分-微分操作，由此獲得用于改變伺服閥的閥門開度的控制變量u，從而控制用于加載機構(gòu)的液壓致動器35的驅(qū)動。應(yīng)指出的是w表示擾動，具體地說，在液壓中的變化、液壓致動器密封部分的磨損等可以被構(gòu)想為擾動。
控制系統(tǒng)以圖4的方塊圖更詳細(xì)地示出。
在圖4中，附圖標(biāo)記1標(biāo)識比例元件；KP為比例增益；TI為積分時間；l/s為積分環(huán)節(jié)；TD為微分時間；D(s)為微分環(huán)節(jié)；而P(s)為控制系統(tǒng)地傳輸特性。
順便地說，對于采用上述PID控制地傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置，存在地問題在于難于優(yōu)化目標(biāo)值響應(yīng)和擾動響應(yīng)二者。
即，如圖5A所示，如果進(jìn)行調(diào)節(jié)而使得對于目標(biāo)值的響應(yīng)被優(yōu)化，那么如圖6B所示，對于擾動的響應(yīng)變得很大。另一方面，如圖5B所示，如果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)而使得對于擾動的響應(yīng)變小，那么如圖6A所示，對于目標(biāo)值的響應(yīng)變得不尋常地大。
另外，在采用PID控制的上述傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置中，積分環(huán)節(jié)l/s被包括在作為受控系統(tǒng)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的傳輸特性P(s)中，并且積分環(huán)節(jié)l/s也包括在調(diào)節(jié)單元中。因此，項l/s2包括在輸入和輸出的傳遞函數(shù)中。由此，存在的問題在于控制變得不穩(wěn)定，并且在極端情況下，存在發(fā)生振蕩的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述狀況而作出，其目的是提供一種液壓伺服型材料試驗裝置，該裝置能夠優(yōu)化目標(biāo)值響應(yīng)和擾動響應(yīng)二者，并且能夠使控制穩(wěn)定。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種液壓伺服型材料試驗裝置，其具有用于控制向材料施加負(fù)載的液壓操縱型加載機構(gòu)的反饋環(huán)，該裝置包括反饋環(huán)內(nèi)的調(diào)節(jié)單元，調(diào)節(jié)單元具有用于相對目標(biāo)值實現(xiàn)比例運算和微分運算的第一部分和用于相對檢測值實現(xiàn)比例運算和微分運算的第二部分。
在液壓伺服型材料試驗裝置中，優(yōu)選地是用于第一和第二部分的比例運算和微分運算的參數(shù)獨立設(shè)定。
此外，優(yōu)選地是，該參數(shù)是施加到第一部分上的加權(quán)，和施加到第二部分上的加權(quán)。
在本發(fā)明中，反饋環(huán)中調(diào)節(jié)單元的第一和第二部分都實現(xiàn)比例運算和微分運算的事實意味著比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)在調(diào)節(jié)單元的第一和第二部分中都起作用。于是，作為積分環(huán)節(jié)，本發(fā)明包括以下兩種結(jié)構(gòu)，即，其中調(diào)節(jié)單元中不存在積分環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和其中即使存在積分環(huán)節(jié)，積分時間被設(shè)定得長到他們基本不起作用的程度。
在本發(fā)明中，反饋環(huán)中的調(diào)節(jié)單元實現(xiàn)比例運算和微分運算，而不實現(xiàn)積分運算。即，通過基本上采用PD控制，項l/s2從系統(tǒng)的輸入和輸出傳遞函數(shù)中去除。同時，調(diào)節(jié)單元由相對于目標(biāo)值起作用的第一部分和相對于檢測值起作用的第二部分組成。通過獨立設(shè)定用于第一和第二部分的比例運算和微分運算的參數(shù)，尤其是，通過將加權(quán)獨立地施加給第一和第二部分，可以實現(xiàn)目標(biāo)值響應(yīng)和擾動響應(yīng)二者地最佳調(diào)節(jié)。
即，在液壓伺服型材料試驗裝置中，由于l/s包括在作為受控系統(tǒng)的液壓操縱的加載機構(gòu)的傳輸特性中，如果使得微分環(huán)節(jié)l/s在調(diào)節(jié)單元中起作用，那么項l/s2將包含在輸入和輸出的傳遞函數(shù)中。然而，在本發(fā)明中，由于使得積分環(huán)節(jié)在調(diào)節(jié)單元中不起作用，因此項l/s2不包含在輸入和輸出的傳遞函數(shù)中，由此有可能消除控制不穩(wěn)定性的因素。
另外，相對于目標(biāo)值起作用的第一部分和相對于檢測值起作用的第二部分獨立的設(shè)置在調(diào)節(jié)單元中，并且任意參數(shù)，尤其是加權(quán)，相應(yīng)的施加到這些部分上。對于第一部分的加權(quán)越小，越可以抑制輸出中的突然變化，即使在目標(biāo)值的輸入中發(fā)生突然變化的情況下，由此有可能抑制超調(diào)的發(fā)生。盡管如此，輸出的升高變得較慢；另一方面，如果同樣地施加到第一和第二部分上的比例增益形成為較大，那么反饋被增強，并且擾動被更加強有力的控制。然而，如果比例增益形成為過分大，那么系統(tǒng)變得振蕩，并且變得不穩(wěn)定。為此原因，通過事先進(jìn)行仿真，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)施加到調(diào)節(jié)單元兩個部分中的相對于目標(biāo)值起作用的第一部分上的加權(quán)和比例增益的值，并且確定用于控制擾動的值，并將其設(shè)定為輸出中不發(fā)生突然變化并且系統(tǒng)不會變得振蕩地狀態(tài)。由此有可能實現(xiàn)能夠強有力控制擾動的控制系統(tǒng)，并且在該系統(tǒng)中，不會發(fā)生輸出突然變化。于是，有可能獲得如下的控制系統(tǒng)，即，該控制系統(tǒng)能夠同時獲得諸如圖5A所示的目標(biāo)值響應(yīng)和諸如圖6B所示的擾動響應(yīng)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的示意圖；圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的方塊圖；圖3是說明傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方塊圖；圖4是說明圖3所示的控制系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的方塊圖；圖5A是說明采用PID控制的傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置中在目標(biāo)值響應(yīng)優(yōu)化后調(diào)節(jié)時的目標(biāo)值響應(yīng)的曲線；圖5B是說明采用PID控制的傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置中在擾動響應(yīng)優(yōu)化后調(diào)節(jié)時的擾動響應(yīng)的曲線；圖6A是類似的曲線，說明了采用PID控制的傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置中在擾動響應(yīng)優(yōu)化后調(diào)節(jié)時的目標(biāo)值響應(yīng)；
圖6B是類似的曲線，說明采用PID控制的傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置中在擾動響應(yīng)優(yōu)化后調(diào)節(jié)時的擾動響應(yīng)；具體實施方式
現(xiàn)在，參照附圖，給出對本發(fā)明實施例的描述。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的示意圖，而圖2是說明其控制系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的方塊圖。
測試裝置主體1具有如下的結(jié)構(gòu)，其中，兩個立柱12a和12b設(shè)置在平臺11上，而橫向支架13的兩端由立柱12a和12b支撐。
加載機構(gòu)14設(shè)置在平臺11上，在加載機構(gòu)中，由通過伺服閥2供給到其上的壓力油操縱的液壓缸用作致動器。下部夾爪15a配裝到這個加載機構(gòu)14上，同時上部夾爪15b通過測壓元件3配裝到上述橫向支架13上。測試片TP在其兩端被上部和下部夾爪15a和15b夾住的狀態(tài)下用于測試中。
即，對于兩端被上部和下部夾爪15a和15b夾住的測試片TP，負(fù)載通過加載機構(gòu)14的驅(qū)動而施加到其上，施加到測試片TP上的負(fù)載由測壓元件3檢測，并且加載機構(gòu)14的位移由位移計4檢測。
分別由測壓單元3和位移計4檢測的負(fù)載和位移的檢測信號連續(xù)由控制器5采集?？刂破?存儲來自測壓單元3和位移計4的輸出，作為測試數(shù)據(jù)。控制器5包括用于輸出目標(biāo)值r的波形發(fā)生器51和調(diào)節(jié)單元52，如圖2所示。代表選作控制變量z的物理量的檢測信號，如由測壓單元3檢測到的負(fù)載，被設(shè)定為檢測值(觀察變量)y，并且引入到調(diào)節(jié)單元52中，以便構(gòu)成反饋環(huán)。然后產(chǎn)生要輸入到控制系統(tǒng)53中的操縱變量u。
這個控制系統(tǒng)的特性在于調(diào)節(jié)單元52由相對于目標(biāo)值r起作用的第一調(diào)節(jié)部分52a和相對于檢測值y起作用的第二調(diào)節(jié)部分52b形成，并且任意的加權(quán)(1-α)可以施加到第一調(diào)節(jié)部分52a的比例環(huán)節(jié)上，同時任意加權(quán)(1-β)可以施加到該調(diào)節(jié)部分52a的微分環(huán)節(jié)上。這兩個調(diào)節(jié)部分52a和52b包括比例增益KP和微分時間TD，他們與傳統(tǒng)PD調(diào)節(jié)器中所包含的一樣。由于該結(jié)構(gòu)為上述四個參數(shù)可以任意設(shè)定和施加，因此，有可能獨立設(shè)定所有與相對目標(biāo)值r的比例運算和微分運算相關(guān)的量，以及相對檢測值y的比例運算和微分運算相關(guān)的量。于是，提供的操縱優(yōu)點在于有可能最佳地設(shè)定目標(biāo)值響應(yīng)和擾動響應(yīng)二者，如下面將描述的。
在上述實施例中，由于構(gòu)成調(diào)節(jié)單元52的第一和第二調(diào)節(jié)部分52a和52b不實現(xiàn)積分運算，在整個系統(tǒng)的輸入和輸出傳遞函數(shù)中包含的與積分環(huán)節(jié)相關(guān)的項僅僅是包含在作為受控系統(tǒng)的液壓操縱的加載機構(gòu)14積分環(huán)節(jié)的項的l/s。因此，在傳統(tǒng)液壓伺服型材料試驗裝置中包含的項l/s2不包含在本發(fā)明的液壓伺服型材料試驗裝置中。于是，有可能消除控制的不穩(wěn)定性。
另外，在上述實施例中，如果相對于目標(biāo)值r起作用的第一調(diào)節(jié)部分52a內(nèi)的參數(shù)α和β被形成為較大，即，如果相對于目標(biāo)值r的比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的加權(quán)形成為較小，在目標(biāo)值r突然變化時輸出y內(nèi)的突然變化變得較小，有可能抑制超調(diào)的發(fā)生，盡管上升變得較慢。另一方面，如果同等地施加到整個環(huán)節(jié)上的比例增益KP較大，有可能更強有力地控制擾動，但是，如果其形成得過大，該系統(tǒng)變得振蕩，并變得不穩(wěn)定。于是，通過事先進(jìn)行仿真，使得擾動控制變得更強有力得這種參數(shù)組合在上升的延遲較小并且不發(fā)生超調(diào)的范圍內(nèi)以及系統(tǒng)不會變得振蕩的范圍內(nèi)確定。調(diào)節(jié)單元52的設(shè)定通過利用這些參數(shù)來實現(xiàn)。于是，有可能獲得處于圖5A所示的最佳狀態(tài)的目標(biāo)值響應(yīng)。
此外，在目標(biāo)值響應(yīng)調(diào)節(jié)到諸如圖5A所示的最佳狀態(tài)的狀態(tài)下，有可能抑制擾動輸入w的影響。相對于擾動響應(yīng)，同樣有可能獲得處于如圖6B所示的最佳狀態(tài)的該擾動響應(yīng)。
應(yīng)指出的是雖然圖2所示的方塊圖有一組代表各個部分功能的方塊表示，不用說，用于實現(xiàn)這些功能的電路結(jié)構(gòu)可以布置成設(shè)置對應(yīng)于相應(yīng)方塊的模擬電路，或者通過利用計算機設(shè)置執(zhí)行相應(yīng)方塊的功能的軟件。
另外，雖然在以上描述中圖2所示的方塊圖被表示為兩自由度控制系統(tǒng)的總的方程模型，這個方塊圖同樣可以由前饋模型、環(huán)路補償模型、反饋補償模型、目標(biāo)值過濾器模型、或環(huán)節(jié)分離模型來表示。不用說，其表示方法的不同于本發(fā)明的要點無關(guān)。本發(fā)明包括采用可應(yīng)用于液壓伺服型材料試驗裝置的兩自由度PD控制的所有模型。
此外，雖然在圖2所示的調(diào)節(jié)單元中，任意加權(quán)(1-α)和任意加權(quán)(1-β)施加到第一調(diào)節(jié)部分52a的比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)上，這些任意加權(quán)也可以施加到第二調(diào)節(jié)部分52b的比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)上。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，液壓伺服型材料試驗裝置的調(diào)節(jié)單元包括兩個部分，他們實現(xiàn)比例運算和微分運算，但不實現(xiàn)積分運算。這兩個部分分別相對于目標(biāo)值和檢測值單獨地實現(xiàn)作用。加權(quán)獨立地施加到這兩個部分上。因此，即使積分環(huán)節(jié)的項l/s包含在作為受控系統(tǒng)的液壓操縱型加載機構(gòu)本身的傳遞函數(shù)中，項l/s2也不會包含在輸入和輸出的傳遞函數(shù)中，這與傳統(tǒng)技術(shù)的情況不同，由此，有可能消除控制的不穩(wěn)定性。同時，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定加權(quán)，相對于目標(biāo)值輸入中的突然變化，有可能獲得上升較快但不會超調(diào)的輸出，同時相對于擾動的輸入，有可能提供控制能力優(yōu)良的控制。因此，有可能使目標(biāo)值響應(yīng)和擾動響應(yīng)二者最大化。
權(quán)利要求
1.一種液壓伺服型材料試驗裝置，具有用于控制向材料施加負(fù)載的液壓操縱型加載機構(gòu)的反饋環(huán)，該裝置包括在所述反饋環(huán)中的調(diào)節(jié)單元，該調(diào)節(jié)單元具有用于相對于目標(biāo)值實現(xiàn)比例運算和微分運算的第一部分和用于相對于檢測值實現(xiàn)比例運算和微分運算的第二部分。
2.如權(quán)利要求1所述的液壓伺服型材料試驗裝置，其特征在于，用于第一和第二部分比例運算和微分運算的參數(shù)獨立設(shè)定。
3.如權(quán)利要求2所述的液壓伺服型材料試驗裝置，其特征在于，所述參數(shù)是要施加到第一部分上的加權(quán)和要施加到第二部分上的加權(quán)。
4.如權(quán)利要求2所述的液壓伺服型材料試驗裝置，其特征在于，所述參數(shù)是第一和第二部分的用于比例運算的比例增益和用于微分運算的微分時間，和要施加到第一部分的微分運算上的加權(quán)及要施加到比例運算上的加權(quán)。
5.如權(quán)利要求1所述的液壓伺服型材料試驗裝置，其特征在于，第二部分的輸出引入第一部分的輸出中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于控制液壓操縱型加載機構(gòu)的反饋環(huán)的調(diào)節(jié)單元，其包括兩個部分，這兩個部分適于實現(xiàn)比例運算和微分運算。加權(quán)獨立地施加到這兩個部分上。由此，輸出y可以形成為以較快地響應(yīng)遵循目標(biāo)值r內(nèi)的突然變化，而不會發(fā)生超調(diào)，并且擾動輸入w的影響被減輕到最大程度。另外，由于不在調(diào)節(jié)部分內(nèi)實現(xiàn)積分運算，因此項1/s
文檔編號G01N3/36GK1410752SQ02144420
公開日2003年4月16日 申請日期2002年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者小嶺德晃, 荒木光彥, 田口秀文 申請人:株式會社島津制作所, 荒木光彥, 田口秀文