雙軸四通道試驗系統(如圖 1 所示)既可實現多軸同步加載,又可進行單軸獨立加載,廣泛應用于力學性能測試、工程材料性能測試、構件形變分析等領域。目前,該系統結構主要有伺服電機和液壓作動器兩種驅動方式。伺服電機控制精度高.適合于小載荷、低頻響試驗;液壓作動器雖然控制精度低于伺服電機.但載荷大,頻響高。如果采用靜壓作動器.4 個通道均可滿足 100Hz 以上的試驗需求。

當系統采用伺服電機時,由于伺服電機驅動器自帶內閉環,因此應用經典 PID 控制方式便可以達到較好的控制效果。當系統采用液壓作動器時,由于液壓系統的非線性,僅使用傳統 PID 控制方式很難達到預期的控制效果。本文采用增加微分負反饋及前饋方式,可以有效增加系統阻尼,減小超調量,同時因為采用前饋補償.提高了系統的跟蹤性能。系統控制原理如圖 5 所示，上位機軟件也相應地增加了前饋及負反饋參數變量。

圖 5 系統控制原理圖

原位控制也可稱為定心控制,分為靜態與動態兩種控制方式。靜態方式控制相對簡單,對于精度要求不是特別高的情況,通過傳統 PID 控制或者上位機軟件進行相位補償就可以達到試驗需求。但動態控制過程中,由于頻響較高，導致控制精度下降,所以必須在下位機系統中進行實時計算。本文采用增加 4 個小量程、高精度位移傳感器測量試驗過程中的變形，因此整個系統需要兩套閉環控制算法,也就是 X軸和Y軸方向的兩套中心點偏差自身形成閉環控制,最終每個通道的被控對象收到的命令就是標準 PID 輸出與中心點偏差 PID 輸出,原位控制原理如圖 6 所示。

圖 6 原位控制原理圖

試驗中若要保持試樣中心點不變,首先要測量中心點的位置。判斷中心點位置有兩種方式:一是通過主位移傳感器,二是每個作動器都配置一個小量程、高精度位移傳感器.因為主位移傳感器量程大,在變形較小的試驗中無法滿足測量精度的要求，所以在雙軸四通道試驗系統的設計中采用第二種方案。雙軸四通道試驗系統具有 4 個服控制通道.4個通道可分為X軸和Y軸兩個方向,每個軸有對稱的兩個通道。試驗過程中.在調節中心點時,要分別確保每個軸的中點不變。