[发明专利]调谐初始控制参数的材料测试仪的自适应控制

说明书

材料测试仪的调谐 

本发明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) 

●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′、′I′、′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 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数，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。这正是本发明所要求保护的，即只需要测量试样的刚度(stiffness)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。在美国专利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’smodulus)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。 

本发明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数。