1  引言

    一些关键的结构件在使用前必须进行强度和刚度或者疲劳程度的测试。静力试验和疲劳试验是常用的两种测试方法。静力试验是研究结构断裂和破坏的重要手段，它用于确定结构在一定载荷作用下的应力分布、承载能力和稳定性，从而合理评价结构的完整性和耐用性；而疲劳试验是使载荷值在一定范围内反复变化，用于确定材料在一定时间内的破坏程度，从而评估材料的使用寿命。上述实验由协调加载系统来完成。

    所谓协调加载，是指在同一时刻，各载荷按其所设定最大载荷的等百分比同步加载。协调加载系统具有以下特点：

    (1)  时变性  加载过程中液压系统参数和机械结构参数随时间变化；
    (2)  耦合性  加载过程中各载荷之间是耦合的；
    (3)  不确定性  作为加载对象的机械结构，其材料、形状和尺寸都是不确定的。

    多通道协调加载控制系统又称伺服控制系统，能对试件进行多个通道协调施力，不仅对系统的过程加以实时控制，而且能获得很好地控制结果。

传统的协调加载系统不能解决结构件测试中的以下问题：

    (1)  对结构件进行多点协调加载的静力试验中，加载达一定值，某一加载点可能首先发生局部破坏，此时，控制系统应当对结构件自动地进行保护，以免结构件由于载荷失衡或在无承载能力的情况下继续承受对其施加的载荷而导致结构件全局的破坏。

    (2)  对结构件进行多点协调加载的疲劳试验中，若控制系统的工作站发生故障，此时，控制系统应切换工作站，以免结构件发生局部破坏或者疲劳试验失败。

    针对传统协调加载系统的以上问题，设计了全数字多通道协调加载系统，在通信、同步协调控制方法以及信号处理技术方面进行了改进。

2  全数字多通道协调加载系统的结构

本系统结构如图1所示。

    全数字多通道协调加载控制系统采用3级分布式控制结构，分别是管理级（PC机）、协调修正级（PC-104模块）和实时控制级（通道机及伺服控制器等模块）。

    管理级（PC机）完成系统及试验的定义、管理、监控和试验数据的处理等工作，提供易操作的人机界面，不参与实时控制。

    协调修正级采用PC-104模块，软件写在固态盘中，用来协调指令与反馈的同步。

    实时控制级是采用DSP与CPLD（Complex Programable Logic Device，可编程逻辑器件）技术，基于VME（Virtual Mobile Engine，虚拟存储环境）总线新一代全数字伺服控制器，该控制器包括了电液伺服控制系统的全部功能，主要由反馈调节器模块、伺服控制器模块及阀驱动模块等组成。

3  几项改进措施

3.1  同步协调控制方法

    对一般结构件进行协调加载，采用常规的PID经典控制理论即能满足要求。但有些复杂的工程，仅采用常规控制法还是远远不够的，需要实时地采集回实际加载波形的幅值、相位和频率，分析处理并使协调控制级做出相应补偿。因此，为了使系统的总体功能及精度得到进一步提高，本系统增加了如下的补偿方法。

    动静踏步修正法用来修正静力试验。静踏步修正法是指加载命令在加至终值处时，停止加载，即静踏步等待。如果在规定的最大等待时间内所有通道反馈值与命令的误差进入设定的误差带，则继续下一终值点的加载。反之，如果在规定的最大等待时间内有通道反馈值与命令值的误差不能进入设定的误差限，则视为超差。动踏步修正法是指在设定频率下从某一终值向另一终值加载的过程中检测命令与反馈的误差。在误差超过给定误差带时，通过不断降低加载的频率，最终使反馈与命令的误差达到给定要求的过程。

    幅值修正法和相位修正法是在周期性重复加载过程中使用的辅助控制方法。通过检测反馈幅值与给定命令的误差以及各通道反馈间的相位与命令相位的误差，对加载命令的幅值和相位进行修正，从而改变反馈值，最终使反馈幅值、相位与给定加载幅值、相位的误差在给定的误差限内。

    在协调修正级，本系统采用了用于嵌入式控制系统中PC-104模块。该模块与PC全兼容，集成度高，体积小，功耗低，工作温度范围宽，组态灵活、方便。

3.2  采用以太网实现通讯、由VME总线与控制级交互工作

    传统的协调加载控制系统工作站与子站间的通信通过PC机的并行口来完成，协调级以板卡的形式插入PC机的扩展插槽中。对工作件实施静力或疲劳试验时，若某工作站发生故障，控制级失去指令控制而继续加载，试件很有可能会被破坏，或停止加载而导致疲劳试验失败。

    本系统管理级与协调修正级通过以太网实现通讯的功能，再经由VME总线与控制级交互工作。通过自己定义的通信协议有效地对试件进行操作，试验定义、进入试验、谱段加载、试验卸载、退出，有条不紊，并且多个工作站之间可以利用TCP/IP协议实现切换，更稳定的实施控制。

3.3  数字信号处理技术

    实时控制级由通道机和伺服控制器组成。通道机用于产生直流、正弦波、三角波、方波和梯形波，并可按一定斜率均匀加载和卸载；伺服控制器为闭环控制系统的主要部分，PID参数的调节及输出控制由一个单独的处理器完成。数字闭环运算的速度直接影响了控制精度。单片机的性能好，价格低，所以以往的伺服控制器均采用单片机。但随着通道的增加，单片机的速度劣势显现出来，现在采用专用的数字处理器（TMS320-31）来完成，控制周期由原来的3ms提高到25us，实时性得到很大的提高。

3.4  改进后的伺服控制系统性能指标

    •  伺服更新时间25us；
    •  可任选反馈一至反馈四，四种控制方式可动态切换；
    •  系统开环、闭环切换功能；
    •  数字伺服阀平衡设置，精度1/65 535；
    •  伺服阀颤振幅值数字修改，精度1/100；
    •  控制系统静态精度0.02%（典型状态）；
    •  控制系统动态精度0.05%（典型状态）；
    •  软件复位接口。

4  结语

    与目前国内该类系统相比，本系统具有鲜明的特点：集成了多种试验和多种控制方法，做到控制与用户操作的分离，从而根本上保证了系统的可靠性；采用PC104和DSP技术，精度明显提高且便于用户升级。