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万能材料试验机加热保温装置的研制

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Development of Heat Preservation for Universal Material Testing MachineLIU Xianghuan,ZHANG Yinghong,JIANG Zhansi,ZHAI Longjia,QIN Disheng(School of Electromechanical Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)Abstract:Universal material testing machine cant be used to make materials mechanical properties test under different tempera-ture.To solve the problem,a temperature control and heat preservation device was designed.The fuzzy-PID control was adapted to re-alize the temperature control by PLC.It is a practical plan and reaches the temperature control quality。

Keywords:Heat preservation device;Fuzzy-PID control;PLC随着各行业的发展,对高性能复合材料的需求不断加大,以高性能环氧树脂为基体的复合材料越来越受到人们的关注。由于碳纤维环氧树脂复合材料具有高强度、耐高温、较高的韧性、可加工性、耐损伤性以及较低的日常维护费等优点,在家用电器、汽车工业、航空航天、国防等领域得到了广泛应用。对复合材料的纵横向有效弹性模量和破坏强度进行测定的试验较多,但是环氧树脂复合材料越来越多地应用于激光防御、高温保护等具有热源的环境中,而且它又由多种组分构成,当组分间热膨胀系数差异较大时,即使温度变化较小,也会在基体中产生很大的微观热应力,所以有必要对复合材料在高温下的力学性能进行测试与理论分析 。同样,研究聚丙交酯 -乙交酯(PLGA)纤维成型压力与温度对材料的力学性能的影响 ,铝合金和碳纤维/环氧树脂复合材料在低温、室温及中温下的力学性能 等都需要-个具有加热保温功能的实验装置来保证实验的进行,然而目前国内几乎没有应用于该类实验的加热保温装置,很多关于温度对材料性能影响的研究基本只能进行理论分析和仿真实验,缺少必要的加热保温装置而无法进行实际的实验验证。因此作者针对这-现状,设计了-个能够应用于万能材料试验机上的加热保温装置,并对其温度控制方法进行了研究。

1 保温装置结构设计万能材料试验机加热保温装置如图1所示,主要由垫块、隔热层、发热圈、温度传感器、通风口及壳体几部分组成。

图 1 保温装置结构图收稿 日期 :2012-06-07基金项目:广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题 (桂科能 10-046-07005);桂林电子科技大学大学生创新性实验项目 (ZCC0131)作者简介:刘祥焕 (1988-),男,本科,专业方向为机电工程专业。E-mail:liuxianghuanglin###163.corn。通信作者:张应红,E-mail:4103494###qq.tom。

第 14期 刘祥焕 等:万能材料试验机加热保温装置的研制 ·19·垫块的作用是支撑保温腔及模具/夹具,为了避免垫块与万能材料试验机底座之间进行大量的热交换,因此在垫块与机座之间放置-个隔热垫。同时,为了避免垫块与保温腔外壳进行热传递,使得保温腔外壳过热而烫伤人及损失热量,在垫块与保温腔之间遗置-个隔热垫。陶瓷发热圈采用陶瓷条穿丝方式,陶瓷条是高频陶瓷,具有传热快、发热均匀、坚硬不易碎、高温不变形不易老化等特点,功率比普通的要高0.5~1.5倍。发热体为圆丝挠成弹簧状穿人陶瓷条圈成,外罩采用不锈钢,中间采用高温隔热保温棉 (硅酸铝纤维板)防止温度外泄。温度传感器采用K型热电偶,为了给控制系统提供精确的参考温度,在保温腔底部和上部及夹具表面各布置-个温度传感器。

陶瓷发热圈将电能转化为热能,以辐射与对流的传热方式加热模具/夹具及被测试样,通成以用以下模型进行定性描述 :警 ) (1)式中: 为时间系数;为保温装置的温升,即保温腔内温度与室温温差 ;t为加热时间;K为放大系数 ;为控制电压;r 为纯滞后时间。

在实际的热传递过程中,由于被加热材料的导热率、装入量以及加热温度等不同因素直接影响着 、、 r等参数的变化,因此保温装置本身具有很大的不确定性,当试样放人炉内进行加热时,即与周围介进行导热、对流及辐射热交换,从而获得热量。试样表面获得热量后,随即以导热的方式向心部传递。因此在加热试样时,其内部温度分布随时间而不断变化,其导热过程属于不稳定导热,试样表面和心部的温度变化状况决定于工件表面与周围介质的换热和工件内部的导热过程。因此要使试样心部和表面温度-致,必须要有足够的保温时间,并且在加热及保温期间表面周围介质温度必须保持恒定。

2 加热保温装置控制方案设计由于加热及保温控制是个复杂的过程,具有大惯性、纯滞后、非线性、多时间尺度、信息复杂等特点,难以得到精确的数学模型。目前常用的温度控制方法是采用PID控制器和模糊控制器。PID控制器具有实现简单、稳定性好、可靠性高等特点,普通 PID控制器常用于-些线性定常系统的控制,但对于非线性、时变和信息复杂系统难以取得预期的效果。模糊控制器对复杂系统和模型不精确的系统能够进行简单而有效的控制,但简单模糊控制器不具有积分环节,很难完全消除稳态误差 ,而且在变量分级不足的情况下常常会在平衡点附近出现振荡现象 。对于加热保温装置这样-个具有较大滞后性、非线性的时变系统,要想从根本上解决动态品质和稳定精度的矛盾,单纯采用PID控制或模糊控制都不会取得较好的控制效果。作者采用将这两种方法结合的模糊 PID控制器,该控制器既有模糊控制灵活而适应性强的优点,又有PID控制精度高的特点。

2.1 模糊 PID控制器模糊控制系统的核心是模糊控制器,在模糊控制系统中,设计和调整模糊控制器至关重要 ,模糊PID控制器结构如图2所示。采用模糊 PID自整定控制器的目的是使控制器能够根据实际情况调整比例系数K。、积分系数 和微分系数Kd,以满足不同e和ec对控制参数的不同要求,而使被控对象具有良好的动、静态特性。为了简化运算和满足实时性要求,系统的基本控制仍为PID控制,而 PID调节参数由模糊自整定控制器根据偏差e和偏差变化率 ec进行自动调整。r(t)为 目标值,C(t)为反馈值,偏差 er(t)-c(t),ec为温度的变化率。e和 ec-方面送入PID调节器进行 PID运算,另-方面送入模糊推理,由模糊推理算法对 PID控制参数进行实时调整,其中AKp、AKi、AK 为 PID参数的调整系数,Kpb、Ki 、为基本的PID参数。

H 对象图2 模糊 PID控制器结构图2.2 模糊规则模糊控制器设计的关键是针对控制对象寻找合适的模糊控制规则,模糊PID控制器就是要找出在不同时刻PID 3个参数与e和ec的关系,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不同e和ec对控制参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态及静态特性。PID参数的整定必须考虑到不同时刻3个参数的作用及相互之间的关系,被控过程对 Kn,K和 的自整定要求为。 :当e较大,为了加快系统的响应速度,并避免因开始时误差e的瞬间变大,可能引起微分过饱和而使控制作用超出许可范围,应认大的 和较小的△ ,同时为了防止积分饱和,避免系统响应出现较大的超调,此时应去掉积分作用,取 △K0。

· 20· 机床与液压 第 41卷当e和ec为中等大小时,为使系统响应的超调减少, 、 和 都不能取大值, 值应取小-些,K。 和 的值大小要适中,以保证系统的响应速度。

当e较小时,为使系统具有良好的稳态性能,应增加 。和 值,同时为避免系统在设定值附近出现振荡,并考虑系统的抗干扰性能,应适当地选取值。选取原则是:当ec较小时, 值可取大-些,通常取为中等大小;当ec较大时, 值应取小-些。

偏差变化量ec的物理意义是表明温度偏差的变化率,ec值越大,K。的取值越小,K取值越大。AK。、AKi、AK 3个参数整定的模糊控制表可

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