电子材料试验机闭环控制系统研究

摘要

针对高分子材料应力加载范围小、对象复杂的特点，本课题搭建了一套小型的电子材料试验机，包括机械结构的设计、控制系统的组建、测量方案的实施以及上位机软件的编程，主要从位移控制、速度控制和材料应力控制三个方面来控制试验机进行加载。其中，本文着重对试验机系统应力加载控制进行了重点研究，最终应用模糊自整定PID控制算法，并利用仿真与实验研究，与常规PID控制和积分分离PID控制方法进行对比分析。
　　 首先，研究和探讨了电子材料试验机系统的基本工作原理和控制系统的组成，并通过对比多种可行的方案，提出了本文中试验机机械结构和控制系统的设计方案。
　　 然后，根据提出的试验机系统的控制方案，在深入分析步进电机和驱动器工作原理的基础上，确定了试验机中力、变形和位移的测量方案，并给出了系统各个组成部分的近似数学模型。
　　 之后，着重针对试验机中应力加载控制环节，提出了二维模糊自整定PID控制策略，并对模糊自整定PID控制器进行了具体的设计分析。
　　 最后，利用MATLAB/Simulink仿真软件，对试验机系统应力加载控制进行了仿真模型的搭建，并利用实验和仿真对比了不同控制算法下的动态响应性能，最后得出文中采用的模糊自整定PID控制器满足一定的优越性和稳定性要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的科学意义和研究背景

1．2 试验机发展历程、研究现状和发展趋势

1．2．1 试验机发展历程

1．2．2 国内外研究现状

1．2．3 试验机发展趋势

1．3 控制算法发展对试验机的影响

1．3．1 控制算法的发展

1．3．2 PID控制器的应用

1．3．3 模糊控制器的应用

1．3．4 控制算法对试验机研究的重要影响

1．4 课题的主要工作

1．4．1 课题目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 论文结构

2 试验机工作原理和结构方案设计研究

2．1 系统主要技术指标和性能

2．2 机械结构设计方案对比

2．3 控制系统方案设计

2．4 系统工作原理

2．5 系统组成单元具体方案设计

2．6 系统单元部件选型计算

2．6．1 主要机械单元选型计算

2．6．2 电机与驱动部分选型计算

2．7 本章小结

3 系统组成单元基本原理与模型分析

3．1 步进电机特性分析

3．1．1 步进电机特点与分类

3．1．2 混合式步进电机基本结构

3．1．3 三相混合式步进电机工作原理

3．1．4 步进电动机主要参数

3．2 步进电机传统驱动方式

3．2．1 单电压驱动

3．2．2 高低压驱动

3．2．3 斩波恒流驱动

3．2．4 调频调压驱动

3．3 细分驱动技术

3．4 测量装置分析

3．4．1 压力测量

3．4．2 变形测量

3．4．3 位移测量

3．5 系统数学模型

3．5．1 电机及驱动器模块

3．5．2 机械传动模块

3．5．3 负载模型

3．6 本章小结

4 系统控制策略和软件实现

4．1 PID控制器简述

4．1．1 位置式PID控制算法

4．1．2 增量式PID控制算法

4．2 模糊控制器简述

4．2．1 模糊控制的基本原理

4．2．2 模糊控制器设计

4．3 试验机主要控制方式

4．3．1 位移控制

4．3．2 速度控制

4．3．3 材料应力加载控制

4．4 其他关键功能的实现

4．4．1 数值滤波

4．4．2 数据保存

4．4．3 曲线显示

4．4．4 模糊规则表录入

4．4．5 软件界面

4．5 本章小结

5 系统仿真与实验分析

5．1 系统预试验

5．2 系统仿真模型搭建

5．3 仿真结果分析

5．4 实验研究与结果分析

5．4．1 应力阶跃响应

5．4．2 阶梯阶跃式应力响应

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录