膜材是一种典型的非线性、各向异性特殊材料,在实际工程中基本处于双轴受力状态,与单轴受力有着明显的差异,设计时如果只参考单轴受力试验的结果,容易导致设计的不合理,产生安全隐患[1,2,3];因此,膜材双轴加载试验是膜材百富策略白菜网的基础,对膜材的发展具有一定的推进作用。膜材试验的加载方式,常用的有电机加载、气压加载和液压加载3种。液压加载特别是电液比例加载,由于其功率密度大、精度高、控制响应速度快等优点而得到广泛百富策略白菜网[4]。至于电液比例加载的控制方法,PID控制算法由于其稳定性及参数调节的方便性而备受青睐[5]。文献[6]成功将PID控制算法百富策略白菜网在无极绳绞车液压张紧系统中,实现绞车张紧力控制;文献[7]将数字PID控制器引入电液比例控制系统,实现对液压缸位置的精确控制;文献[8]详细分析了基于PID算法的比例阀控制系统,验证了PID算法在液压系统的可行性。该文献充分发挥PID控制器的优点,实现力或位置的闭环控制,但没有同时实现力及位置的闭环控制。本文针对膜材双轴加载实验中对加载精度和膜材中心保持不动的要求,设计了一种膜材双轴电液比例加载系统,并提出了基于力反馈和位置反馈的双PID控制策略,提高力及位置的控制精度,具有重要的工程百富策略白菜网价值和理论研究意义。

双轴加载试验中使用的膜材试件如图1所示[9,10]。在加载过程中应保持试件中心Q点不动,否则容易导致膜材受力方向改变等不可预期的结果,影响试验结果的科学性和准确性。

膜材双轴电液比例加载系统原理图如图2所示。该系统主要由油源1.1～1.2、油箱2.1～2.2、溢流阀3.1～3.2、蓄能器4.1～4.2、比例阀5.1～5.4、液压缸6.1～6.4、位移传感器7.1～7.4、拉压力传感器8.1～8.4及试件夹具9.1～9.4等组成。试件夹具固定在液压缸的伸出杆上,用于连接膜材试件10及液压执行器。比例阀是本液压系统的主要控制元件,两对液压缸分别在4个比例阀的调节下,在x轴和y轴方向上对膜材试件施加拉力。膜材的受力情况及形变大小分别由压力传感器及位移传感器测量,并用于闭环控制。根据膜材双轴实验要求,加载系统的力跟踪误差应小于±30N,试件中心偏移小于±1mm,即同轴的两液压缸的位移差小于±1mm。

双轴加载系统控制框图如图3所示。其中,虚线框内是两个双PID控制器,分别用于x轴和y轴的拉力及位置控制。每一个双PID控制器均包含一个基于力反馈的PID控制器和一个基于位置反馈的PID控制器。因此,双PID控制器的输入是力跟踪误差和同一轴上两个液压缸的位移差,输出是对应比例阀的控制信号。

AMESim软件由于其丰富的模型库,在元件级仿真特别是液压元件建模上具有明显的优势。Simulink作为MATLAB的重要组件,具有强大的数值处理能力。基于AMESim和Simulink的联合仿真充分发挥二者的优势,使仿真效果更加完善且符合实际,具有较强的借鉴意义[11,12,13]。

根据图2所示的液压原理图在AMESim中建立液压系统模型,并根据图3所示的控制框图在Simulink中搭建控制系统模型。液压系统模型如图4所示,虚线框内的部分为膜材模型。控制系统模型如图5所示。x、y轴分别由一套双PID控制器进行控制。仿真模型中使用的元件参数和控制参数与实际液压元件相同,如表1所示。根据膜材加载试验的需求[14],力加载谱有多种不同的变换,其变化基础是图6所示的曲线。其中,实线表示x轴的力参考曲线,虚线表示y轴的力参考曲线,最大拉力、最小拉力、曲线周期和周期个数可以根据需要进行修改。本文将其引入仿真模型及试验,作为参考力曲线。

采用表2的力参考曲线参数和表3的控制参数,并引入随机函数作为系统干扰信号,其仿真结果如图7所示。图7a是参考力曲线及对应的跟踪结果。可见x、y轴的力跟踪结果曲线与对应的力参考曲线基本重合,说明该系统能实现较高精度的跟踪;x、y轴的力跟踪误差如图7b所示,可见力跟踪误差小于±25N,且在一定程度上随参考力曲线最大值的减小而缩小;同轴两个液压缸的位移差如图7c所示,实线是x轴两个液压缸的位移差,虚线是y轴两个液压缸的位移差,可见液压缸的位移差小于±0.4 mm,其中的噪声主要是由于仿真模型中引入的随机函数导致的。仿真结果表明,该系统能满足膜材双轴试验的加载需求。

膜材双轴电液比例加载系统试验样机如图8所示。其中,图8a展示的是系统的主要机械结构,膜材试件通过夹具及延长杆直接与液压缸的伸出杆相连;图8b展示的是系统控制柜,包含工控机等电气单元。系统的控制程序是基于双PID控制策略,借助Visual Studio软件,采用C++语言编写的,其主界面如图9所示。主界面包含曲线显示区、参数设置区及操作按钮区三部分。该控制程序运行于工控机中,对系统进行实时监测及控制。

本试验样机及控制程序成功百富策略白菜网于多种膜材的性能试验。图10展示的是某种飞艇膜材的试验结果,其他膜材的试验结果与其类似。其参考力曲线的主要技术参数如表2所示,双PID控制器的控制参数如表3所示。图10a是力参考曲线及对应的跟踪结果。从结果上看,x、y轴的力跟踪结果曲线与对应的力参考曲线基本重合,与仿真结果相同,说明该系统能实现较高精度的跟踪。其跟踪误差如图10b所示。从结果上看,力跟踪误差小于±20N,且在一定程度上随参考力曲线最大值的减小而缩小,与仿真结果基本吻合。同轴两个液压缸的位移差如图10c所示,其误差范围为-0.4～0.3mm,满足膜材的性能试验需求。值得注意的是,本样机中使用的位移传感器为电阻式传感器,液压缸位移误差的噪声主要是由于该传感器的精度及其供电电源的波动导致的,若将其更换为光栅尺等较高精度传感器则控制精度可进一步提高。

本文设计了膜材双轴电液比例加载系统并提出了基于力反馈和位置反馈的双PID闭环控制策略;同时,利用AMESim和MATLAB/Simulink搭建了联合仿真模型,对加载系统及控制策略进行仿真分析,并在此基础上制作了试验样机,编写了控制程序,进行了现场试验。试验中,力跟踪误差小于±20N,试件中心偏移小于±0.4mm。仿真及试验结果证明,该加载系统能满足膜材双轴试验的加载需求。