周翔 馬占東 國(guó)凱 劉曉菲 馬寶慶

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)人工操作模式下復(fù)合材料高溫力學(xué)性能測(cè)試效率低、檢測(cè)質(zhì)量差、溫控精度低的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了面向復(fù)合材料壓縮測(cè)試的自動(dòng)送樣-測(cè)試-取樣多模塊測(cè)試系統(tǒng)，研究了封閉條件下環(huán)境箱溫度場(chǎng)建模與補(bǔ)償技術(shù)，建立了溫度補(bǔ)償模型，并設(shè)計(jì)高精度溫度控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精準(zhǔn)補(bǔ)償與控制；開(kāi)展自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模研究，完成動(dòng)力學(xué)參數(shù)在線辨識(shí)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)自適應(yīng)控制器，最后進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度控制，跟蹤精度和定位精度均滿足自動(dòng)化測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；高溫環(huán)境；力學(xué)性能；自動(dòng)控制

Research on Key Technologies and System Design of

Automatic Testing of High Temperature Mechanical

Properties of Composite Materials

ZHOU Xiang¹，MA Zhandong¹，GUO Kai²，LIU Xiaofei¹，MA Baoqing¹

（1.AVIC Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite， Aviation Key Lab

of Science and Technology on High Performance Electromagnetic Windows， Jinan 250023；

2.Department of Mechanical Engineering， Shandong University， Jinan 250061）

ABSTRACT Aiming at the problems of low efficiency， poor detection quality and low temperature control accuracy of high temperature mechanical properties testing of composite materials under the traditional manual operation mode. In this paper， an automatic send-test-sample multi-module test system for composite materials compression testing was designed. The modeling and compensation technology of ambient box temperature field under closed conditions was studied. And a temperature compensation model was established， also a high-precision temperature controller was designed to achieve accurate compensation and control of temperature. The kinematics and dynamic modeling research of the automatic test system was carried out， the online identification of dynamic parameters was completed， and the adaptive controller of the automatic test system was designed on this basis， and finally the control experiment was carried out. The results showed that the neural network adaptive controller could achieve high-precision control of the system， and the tracking accuracy and positioning accuracy met the requirements of automated testing.

KEYWORDS composite materials， high temperature environment， mechanical properties， automatic control

通訊作者：周翔，工程碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料測(cè)試技術(shù)。E-mail： zhouxiang217@163.com

1 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，先進(jìn)復(fù)合材料質(zhì)量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的多少，在某種程度上已經(jīng)成為評(píng)價(jià)該飛機(jī)技術(shù)先進(jìn)程度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)^［1-2］。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，以軍用武器裝備為代表的高技術(shù)產(chǎn)品的需求量日益提高，軍用武器裝備產(chǎn)品所使用材料性能測(cè)試需求日益增大，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)、測(cè)試手段已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化裝備的支持保障測(cè)試效率的要求，自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備及系統(tǒng)正逐步成為大批量測(cè)試可靠運(yùn)行的必要保證。近年來(lái)，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)在設(shè)備故障診斷、精密機(jī)械加工、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，特別是以軍事領(lǐng)域強(qiáng)有力的需求為牽引，自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備發(fā)展十分迅速，已經(jīng)成為國(guó)防建設(shè)和生產(chǎn)生活中不可或缺的重要組成部分。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)復(fù)合材料的高溫拉伸^［3-6］、剪切^［7-9］、彎曲^［10-14］性能進(jìn)行了大量研究，取得了一系列優(yōu)異成果，然而相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多采用人工操作，自動(dòng)化程度低，檢測(cè)穩(wěn)定性難以保證。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）封閉條件下環(huán)境箱溫度場(chǎng)復(fù)雜多變，溫度控制具有延遲性，控制精度低；（2）現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)檢測(cè)過(guò)程人員參與量大，人為操作誤差大；（3）現(xiàn)有高溫材料力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備發(fā)展緩慢，智能化程度低，缺少自動(dòng)化檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。由于以上問(wèn)題的綜合影響，在目前的人工操作模式下，復(fù)合材料高溫力學(xué)性能檢測(cè)在送樣、加熱、檢測(cè)等環(huán)節(jié)嚴(yán)重影響著檢測(cè)精度及質(zhì)量，降低了檢測(cè)效率。此外，高溫環(huán)境箱需要絕熱環(huán)境，頻繁的開(kāi)關(guān)環(huán)境箱門放置復(fù)合材料試樣不僅會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)效率低下，而且會(huì)造成能源浪費(fèi)。

本文綜合了目前復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試裝置的研發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究狀況，針對(duì)高溫環(huán)境下材料力學(xué)性能自動(dòng)化測(cè)試需求，研制了自動(dòng)化測(cè)試裝置；研究了封閉條件下高溫環(huán)境溫度場(chǎng)建模及補(bǔ)償技術(shù)，針對(duì)溫度控制具有滯后性、溫度分布不均勻等特性，深入研究了封閉環(huán)境下傳熱機(jī)理、溫度調(diào)節(jié)與補(bǔ)償技術(shù)，提高溫度場(chǎng)均勻性，提高加熱效率，縮短加熱時(shí)間；針對(duì)目前自動(dòng)送樣測(cè)試系統(tǒng)存在智能化程度低、控制精度低、對(duì)不同規(guī)格待測(cè)材料適應(yīng)性差等問(wèn)題，研究了具有強(qiáng)適應(yīng)性、高穩(wěn)定性的新型控制方法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，完成未知?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)在線辨識(shí)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)自適應(yīng)控制器，并進(jìn)行了控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能。

2 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

復(fù)合材料高溫力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置主要由高溫環(huán)境箱、上壓頭和下壓頭三個(gè)部分組成，復(fù)合材料試樣放于下壓頭上進(jìn)行高溫壓縮力學(xué)性能測(cè)試，通過(guò)下壓可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的壓縮、彎曲、層間剪切等測(cè)試項(xiàng)目。設(shè)計(jì)的主要思路是先分析復(fù)合材料壓縮測(cè)試的大致過(guò)程，再擬定出自動(dòng)送料-測(cè)試-取樣的實(shí)現(xiàn)方式。測(cè)試系統(tǒng)主要由工作臺(tái)、伺服電機(jī)、減速器、齒輪組、導(dǎo)軌氣缸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，系統(tǒng)具有2個(gè)自由度，具體包括工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成試樣的旋轉(zhuǎn)送料，以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的上下浮動(dòng)，對(duì)應(yīng)完成工作臺(tái)的升降移動(dòng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。伺服電機(jī)12由電機(jī)支架13固定在底部橫梁8上，經(jīng)直角減速器11和齒輪組10減速后，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸3和工作臺(tái)1旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料試樣旋轉(zhuǎn)送料。氣缸7由螺栓固定在底部橫梁8上，通過(guò)推出和回縮實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)1在高溫環(huán)境箱9內(nèi)部的升降移動(dòng)。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)均選用耐高溫陶瓷軸承，使用溫度范圍寬，彈性模量高，不易因受力而導(dǎo)致變形，并可降低轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦，延長(zhǎng)裝置整體使用壽命。

2.2 自動(dòng)化測(cè)試工作流程

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作流程為：（1）當(dāng)復(fù)合材料試樣壓縮實(shí)驗(yàn)完成后，由導(dǎo)軌氣缸7推動(dòng)轉(zhuǎn)軸3和工作臺(tái)1向上移動(dòng)，使工作臺(tái)1脫離下壓頭。（2）伺服電機(jī)12經(jīng)過(guò)直角減速器11和齒輪組10減速后，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3和工作臺(tái)1旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料試樣換料。（3）由導(dǎo)軌氣缸7推動(dòng)轉(zhuǎn)軸3和工作臺(tái)1向下移動(dòng)，使工作臺(tái)1緊貼下壓頭，進(jìn)行新的復(fù)合材料試樣的壓縮。（4）重復(fù)以上步驟，直至工作臺(tái)上本批次6個(gè)試樣全部完成測(cè)試。系統(tǒng)詳細(xì)工作流程圖如圖2所示。

上壓頭直徑為80mm，環(huán)境箱寬度為400mm，為充分保證工作臺(tái)的活動(dòng)空間，工作臺(tái)與環(huán)境箱內(nèi)壁間隙設(shè)置為10mm，圓形工作臺(tái)直徑取380mm，厚度取為8mm。環(huán)境箱及工作臺(tái)的具體尺寸布置如圖3所示。

工作臺(tái)設(shè)計(jì)6個(gè)工位，沿工作臺(tái)周向間隔60°均勻分布，如圖4所示，試樣設(shè)有定位槽，定位槽分布圓直徑為300mm，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料試樣的定位。

3 封閉條件高溫環(huán)境溫度場(chǎng)建模及補(bǔ)償

3.1 環(huán)境箱溫度場(chǎng)介紹

高溫力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)為封閉環(huán)境，高溫環(huán)境下的溫度控制精度對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試有著重要的影響，直接決定測(cè)試精度及測(cè)試效率。溫度控制具有滯后性、溫度分布不均勻等特性，通過(guò)研究封閉環(huán)境下傳熱機(jī)理、溫度調(diào)節(jié)與補(bǔ)償技術(shù)，提高溫度場(chǎng)均勻性，提高加熱效率，縮短加熱時(shí)間。環(huán)境箱的溫度場(chǎng)建模及補(bǔ)償技術(shù)，主要由以下三部分構(gòu)成：

（1）分析環(huán)境箱結(jié)構(gòu)，建立環(huán)境箱的三維物理模型和適用于有限元分析的二維傳熱簡(jiǎn)化模型，完成傳熱模型的離散化和網(wǎng)格劃分，通過(guò)有限元分析環(huán)境箱溫度變化。

（2）構(gòu)建封閉環(huán)境中的瞬態(tài)傳熱微分方程，設(shè)置與環(huán)境箱實(shí)際熱傳導(dǎo)相符的邊界條件，采用Matlab-PDE工具箱通過(guò)有限元法求解微分方程，獲得環(huán)境箱中溫度場(chǎng)的溫度梯度及熱流矢量，揭示時(shí)變狀態(tài)下環(huán)境箱中溫升特性。

（3）根據(jù)環(huán)境箱的溫升模型設(shè)計(jì)高精度溫度控制器，引入Smith補(bǔ)償控制方法以加快系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)補(bǔ)償速度，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在環(huán)境箱中溫度的精準(zhǔn)補(bǔ)償及控制。

3.2 環(huán)境箱模型構(gòu)建

環(huán)境箱通常由加熱模塊、保溫模塊、循環(huán)模塊和溫度監(jiān)測(cè)模塊組成。目前使用的環(huán)境箱中，加熱模塊為5KW電阻絲陣列，位于箱體后方；保溫模塊由不銹鋼箱體外壁及保溫材料構(gòu)成，具有良好的保溫性能；循環(huán)模塊為箱體后方電阻絲上方的循環(huán)風(fēng)扇，它引起空氣的強(qiáng)制對(duì)流；此環(huán)境箱中還有用于試樣測(cè)試的金屬工作臺(tái)，其金屬結(jié)構(gòu)與外界連通，發(fā)生自然散熱；溫度監(jiān)測(cè)模塊布置于工作臺(tái)中，其盡可能貼近被測(cè)試樣的安裝位置，可一定程度上提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

抽象并簡(jiǎn)化環(huán)境箱中發(fā)生熱量交換的主要結(jié)構(gòu)，建立如圖5所示的環(huán)境箱三維物理模型。工作臺(tái)、上下壓頭及送樣機(jī)構(gòu)僅保留支撐桿和圓柱形主體結(jié)構(gòu)，圓角、凸臺(tái)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)均被忽略。環(huán)境箱工作時(shí)，電阻絲升溫，作為系統(tǒng)熱源實(shí)現(xiàn)環(huán)境箱內(nèi)部的溫升，循環(huán)風(fēng)扇促進(jìn)箱體內(nèi)熱空氣的流動(dòng)，加速升溫過(guò)程并使溫度場(chǎng)中的溫度分布均勻，工作臺(tái)和保溫箱體持續(xù)向外散失熱量。

為降低計(jì)算難度，提高仿真效率，將環(huán)境箱的三維物理模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如圖6所示的二維傳熱模型，此二維模型以三維模型在x-z對(duì)稱面上的投影為基礎(chǔ)構(gòu)建，可準(zhǔn)確反映真實(shí)的溫度場(chǎng)和熱量交換情況。

使用Matlab-PDE工具箱對(duì)二維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型設(shè)置為三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為0.005m，形成二維網(wǎng)格如圖7所示，其中網(wǎng)格數(shù)為27968，節(jié)點(diǎn)數(shù)為56387。

至此完成環(huán)境箱模型的構(gòu)建，在此模型的基礎(chǔ)上通過(guò)有限元方法研究環(huán)境箱的溫度分布和溫升特性，并建立相應(yīng)的溫度控制及補(bǔ)償策略。

3.3 環(huán)境箱溫升特性研究

熱量的傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種基本形式。其中，熱傳導(dǎo)是物體各部分依靠分子、原子和自由電子的熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱量傳遞，遵循傅里葉導(dǎo)熱定律，如公式（1）所示。

式中，q^*為熱流密度，單位為W/m²；k為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K）；?T/?x、?T/?z分別為沿x、z方向的溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱流量始終指向溫度減小的方向。環(huán)境箱中熱傳導(dǎo)主要存在于電阻絲與附近空氣、高溫空氣與低溫空氣之間。

熱對(duì)流指固體表面與其周圍的流體之間，由于溫差存在而引起的熱量交換，對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，一般作為邊界條件施加。熱對(duì)流可用牛頓冷卻方程進(jìn)行描述，如公式（2）所示。

式中，h_f為對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W/（m²·K）；T_s為固體表面的溫度，單位為K；T_B為周圍流體的溫度，單位為K。環(huán)境箱中熱對(duì)流主要存在于空氣與工作臺(tái)、箱體外壁之間。

熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒崃拷粨Q過(guò)程，物體溫度越高，熱輻射越強(qiáng)。不同于需要傳熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，熱輻射的進(jìn)行無(wú)需任何介質(zhì)。通常使用斯蒂芬-玻爾茲曼方程計(jì)算熱輻射，如公式（3）所示。

式中，Q為熱流率，單位為KW/℃；ε為輻射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10^－8W/（m²·K⁴）；A為輻射體面積，單位為m²；F為形狀系數(shù)，T₁，T₂分別為輻射體和被輻射體的熱力學(xué)溫度，單位為K。環(huán)境箱中的熱輻射主要存在于箱體外壁與外部環(huán)境之間?；谌N基本傳熱形式，可構(gòu)建環(huán)境箱的溫度場(chǎng)函數(shù)如公式（4）所示。

式中，x、z分別為空間坐標(biāo)，t為時(shí)間坐標(biāo)。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律和能量守恒定律得到環(huán)境箱在空間x，z方向上的二維傳熱模型，如公式（5）所示。

式中，?為環(huán)境箱電阻絲的熱源強(qiáng)度，單位為W/m³；k_x，k_z分別為材料沿x，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，T₀為環(huán)境箱的初始溫度。

根據(jù)對(duì)環(huán)境箱結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)置環(huán)境箱溫度場(chǎng)仿真中各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的屬性及邊界條件如下：箱中空氣：密度1.293kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)0.0242W/（m·K）；工作臺(tái)及壓頭：密度7850kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)48.85W/（m·K）；電阻絲：設(shè)置溫升曲線為T=T_d·（e^-3s/5s+1）℃，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段后看作恒溫?zé)嵩?；循環(huán)風(fēng)扇：強(qiáng)制對(duì)流邊界條件，對(duì)流換熱系數(shù)為100W/（m²·K）；保溫箱體：熱輻射邊界條件，輻射率為0.1。

最后，在仿真中將外界環(huán)境溫度和環(huán)境箱各部分的初始溫度均設(shè)置為30℃，熱源溫度設(shè)置為200℃，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1s，仿真時(shí)長(zhǎng)500s。通過(guò)Matlab-PDE工具箱和傳熱模型網(wǎng)格完成環(huán)境箱求解升溫過(guò)程中各時(shí)刻溫度場(chǎng)分布情況，得到的環(huán)境箱溫升過(guò)程溫度場(chǎng)變化情況如圖8所示。

為便于查看工作臺(tái)附近的溫度變化情況，于工作臺(tái)附近布置測(cè)溫陣列，測(cè)溫點(diǎn)位布置為：工作臺(tái)底部4個(gè)測(cè)點(diǎn)（-0.06，0.2）、（0.06，0.2）、（-0.15，0.2）、（0.15，0.2），中心位置1個(gè)測(cè)點(diǎn)（0，0.3），上方4個(gè)測(cè)點(diǎn)（-0.06，0.3）、（0.06，0.3）、（-0.15，0.3）、（0.15，0.3），依次編號(hào)為測(cè)點(diǎn)1-9。計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)在環(huán)境箱溫升過(guò)程中的溫度變化曲線，如圖9所示。它體現(xiàn)了待測(cè)的復(fù)合材料周圍的溫度變化，是環(huán)境箱的重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由圖9可知，在溫升的仿真過(guò)程中，經(jīng)過(guò)約450s的加熱后環(huán)境箱溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由于工作臺(tái)與環(huán)境箱體外壁等處的熱量散失，工作臺(tái)附近溫度與熱源之間存在約20℃的穩(wěn)態(tài)誤差。以九個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的均值為基準(zhǔn)，使用Matlab系統(tǒng)辨識(shí)工具箱對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到包含延遲環(huán)節(jié)的環(huán)境箱溫升特性模型，如公式（6）所示。

溫升模型的響應(yīng)曲線與環(huán)境箱溫升仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖10所示，可見(jiàn)其較準(zhǔn)確地重現(xiàn)了環(huán)境箱的溫升過(guò)程，可反應(yīng)環(huán)境箱的溫升特性。

3.4 環(huán)境箱溫度控制及補(bǔ)償策略

通過(guò)對(duì)環(huán)境箱溫升過(guò)程中溫度場(chǎng)變化的仿真和工作臺(tái)附近溫度的監(jiān)測(cè)情況可知，若不進(jìn)行外部調(diào)控，則環(huán)境箱溫度調(diào)整需要較長(zhǎng)時(shí)間，調(diào)整完成后相對(duì)于熱源溫度也有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。因此，必須設(shè)計(jì)有效的控制器對(duì)環(huán)境箱溫度進(jìn)行控制和補(bǔ)償。

工業(yè)中最常使用的控制器為PID控制器，它具有良好的魯棒性，可對(duì)絕大多數(shù)系統(tǒng)做出有效的控制^［15］，因此首先為環(huán)境箱設(shè)計(jì)PID控制器，其閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖11所示。

依據(jù)環(huán)境箱溫升特性模型和實(shí)際控制效果整定PID控制器參數(shù)。設(shè)置環(huán)境箱中工作臺(tái)周圍的理想溫度為200℃，得到控制效果較好的一組參數(shù)為：K_p=2.2，K_i=0.1，K_d=2.8。PID控制器對(duì)于九個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度的控制結(jié)果和無(wú)控制器時(shí)環(huán)境箱內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的變化情況如圖12所示。

由圖12可知，PID控制器的引入明顯加快了環(huán)境箱內(nèi)的溫升過(guò)程，約390s時(shí)環(huán)境箱內(nèi)溫度即滿足要求，溫度控制的穩(wěn)態(tài)誤差基本完全消除。但是，由于環(huán)境箱溫升過(guò)程中系統(tǒng)存在滯后環(huán)節(jié)，PID控制器對(duì)調(diào)溫動(dòng)態(tài)過(guò)程的改善受到較大限制，溫度調(diào)節(jié)起始階段的延遲難以得到改善，并且引入PID控制器后工作臺(tái)附近的溫度出現(xiàn)了較明顯的震蕩。

為減弱滯后環(huán)節(jié)對(duì)于溫度控制的不利影響，以環(huán)境箱溫升模型為基礎(chǔ)，在PID控制器中引入Smith預(yù)估補(bǔ)償^［16］，得到的預(yù)估補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)如圖13所示。

保持PID控制器參數(shù)不變，使用Smith預(yù)估補(bǔ)償閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)再次對(duì)環(huán)境箱進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，此時(shí)三種控制方法的溫度變化情況如圖14所示。

可見(jiàn)，Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)囊胗行Ц纳屏谁h(huán)境箱的溫度控制效果，僅經(jīng)歷300s后環(huán)境箱內(nèi)的溫度即滿足要求，使響應(yīng)速度進(jìn)一步提升，系統(tǒng)穩(wěn)定后溫度均勻度控制在2℃以內(nèi)。同時(shí)，PID溫度控制中的波動(dòng)得到有效抑制，溫升過(guò)程更加平穩(wěn)。因此，采用如圖13所示的環(huán)境箱溫度控制策略可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在環(huán)境箱中溫度的精準(zhǔn)補(bǔ)償及控制。

4 自動(dòng)化測(cè)試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 自動(dòng)送樣測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模

自動(dòng)送樣系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖15所示，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、氣缸浮動(dòng)裝置和送/取樣轉(zhuǎn)盤。氣缸浮動(dòng)裝置通過(guò)電磁閥進(jìn)行控制，其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S向，利用上下機(jī)械限位限定氣缸極限位置，主要作用是減緩壓頭下壓對(duì)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力傳遞影響不大，在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中做忽略處理。驅(qū)動(dòng)裝置則用于將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩傳遞至送/取樣轉(zhuǎn)盤。自動(dòng)送樣系統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖16所示。

在圖16所示的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角與送/取樣轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系如公式（7）所示。

式中，q_D，q_M分別為送/取樣轉(zhuǎn)盤和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角，N₁為電機(jī)齒輪組的減速比。同時(shí)電機(jī)與轉(zhuǎn)盤的速度和加速度也符合此關(guān)系，如公式（8）和公式（9）所示。

式中，τ_M為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，M_M，M_D分別代表電機(jī)側(cè)、送/取樣轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。F_M，F(xiàn)_D分別代表電機(jī)側(cè)、送/取樣轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)軸摩擦，其大小與轉(zhuǎn)速相關(guān)，具有明顯的非線性。將公式（9）帶入，可化簡(jiǎn)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如公式（11）所示。

式中，M=M_M+M_D/N₁²為測(cè)試系統(tǒng)的集總質(zhì)量，F(xiàn)=F_M+F_D/N₁為測(cè)試系統(tǒng)的集總摩擦力。通過(guò)公式（11）所示的動(dòng)力學(xué)模型，在各參數(shù)已知的情況下即可精確獲得期望的轉(zhuǎn)盤加速度所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精確控制。

4.2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)與自適應(yīng)控制

完成測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模后，只要獲得精確的動(dòng)力學(xué)參數(shù)即可精確控制送/取樣轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)軌跡。在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)盤負(fù)載的不確定性和轉(zhuǎn)軸摩擦力的高度非線性，難以預(yù)先獲取系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的真值。因此，使用具有非線性擬合能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制律以在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)控制精度的提升。

首先將辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)選擇為經(jīng)典的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它具有輸入、隱藏和輸出三層結(jié)構(gòu)和兩層網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，如圖17所示。在具有足夠多節(jié)點(diǎn)時(shí)，此網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的加權(quán)處理和隱藏層的非線性映射，以任意精度實(shí)現(xiàn)對(duì)任意光滑連續(xù)函數(shù)的逼近^［17］。

在此基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)的分塊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖18所示。它包含分別對(duì)位置的慣性力和摩擦力進(jìn)行辨識(shí)的兩個(gè)三層子網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)送/取樣轉(zhuǎn)盤的理想加速度及速度計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)力矩。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值將根據(jù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的偏差進(jìn)行調(diào)整，以保證網(wǎng)絡(luò)的精確性。力矩計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值更新的公式分別設(shè)計(jì)如公式（12）和公式（13）所示。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)未知?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)辨識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法，定義自適應(yīng)控制律如公式（14）所示。

為驗(yàn)證此控制方法的有效性，設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用經(jīng)典的PID控制方法作為對(duì)照，PID控制參數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制中的控制參數(shù)均經(jīng)過(guò)良好整定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。

從圖19中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際控制中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制方法對(duì)于理想軌跡的追蹤能力明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)的PID控制方法，經(jīng)歷了短暫的參數(shù)識(shí)別過(guò)程后就幾乎與理想軌跡完全重合，而采用傳統(tǒng)的PID控制所得的軌跡與理想軌跡則存在明顯的偏差和滯后。為了更清晰的對(duì)比兩種控制方法的性能差異，進(jìn)一步繪制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的跟蹤誤差，如圖20所示。

由圖20可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制在動(dòng)態(tài)性能上遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，對(duì)軌跡的跟蹤誤差取得了更好的抑制效果，相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制近5°的最大跟蹤誤差，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制中最大跟蹤誤差僅不足0.5°，跟蹤誤差的收斂性明顯好于PID控制。在定位精度上，傳統(tǒng)PID控制方法的定位誤差為1°左右，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制中最大定位誤差接近于零，定位精度更好，可以更好的滿足自動(dòng)化測(cè)試要求。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明了本設(shè)計(jì)采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法對(duì)提升復(fù)合材料自動(dòng)送樣測(cè)試系統(tǒng)定位精度和軌跡跟蹤精度的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）為改善目前人工操作模式下復(fù)合材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)效率低的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了面向復(fù)合材料壓縮測(cè)試的自動(dòng)送樣-測(cè)試-取樣多模塊測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的工作原理及工作流程。

（2）針對(duì)復(fù)合材料高溫力學(xué)性能測(cè)試中普遍存在的溫度場(chǎng)控制精度低、溫度滯后大的問(wèn)題，構(gòu)建了環(huán)境箱的三維物理模型和二維傳熱簡(jiǎn)化模型，通過(guò)有限元分析得到環(huán)境箱溫升特性模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高精度溫度控制器，并引入Smith補(bǔ)償控制方法以加快系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)補(bǔ)償速度，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料在環(huán)境箱中溫度的精準(zhǔn)補(bǔ)償及控制。

（3）為提高自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的控制精度和可靠性，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，完成未知?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)在線辨識(shí)，設(shè)計(jì)了具有強(qiáng)適應(yīng)性、高穩(wěn)定性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器，并開(kāi)展自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器的跟蹤精度和定位精度更高，跟蹤誤差和定位誤差均接近于零，可以更好的滿足高溫自動(dòng)化測(cè)試要求。

（4）本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料高溫自動(dòng)化力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試效率高，溫度控制精度及定位精度得到極大的提高，可助力復(fù)合材料高溫力學(xué)性能自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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