详细介绍一下多功能材料力学试验机的控制模式原理

多功能材料力学试验机 三大闭环控制模式详细原理

电子式万能试验机（UTM）的核心就是闭环伺服控制。 闭环逻辑通用框架：

设定目标值 → 采集实际反馈信号 → 比较偏差 → PID 调节器输出调节量 → 驱动伺服电机 → 执行机构动作 → 再次采集反馈 区别只在于：用哪一路信号做反馈，分为：位移控制、力控制、应变控制。 重要前提：三种模式独立闭环；机型支持试验过程无扰切换，普通机型只能试验前选定模式。

一、位移控制（横梁位移闭环，常用）

反馈源

光电编码器（安装在伺服电机尾部或丝杠端），采集横梁的实际移动位移作为反馈信号。

控制原理

在软件设定横梁恒定移动速度，单位 mm/min；

编码器实时读取横梁当前位置，计算实时位移、实时速度；

控制器将【设定速度】和【实际速度】做差值（偏差 e）；

PID 运算，输出电压指令调节伺服电机转速，保持横梁匀速移动；

横梁运动带动夹具、试样加载；力值是被动结果，随试样刚度变化自动变化。

特点

优点：

控制稳定，不容易失稳，绝大多数常规试验默认模式；

拉伸、三点弯曲、剥离、撕裂、环压测试普遍使用；

硬件简单，对传感器、引伸计要求低。

 缺点：

试样屈服之后，材料变软，载荷会自动降低，无法维持恒定加载速率；

横梁位移包含：丝杠弹性变形、机架变形、夹具变形，不等于试样真实变形。

典型应用场景

塑料拉伸、薄膜剥离、纸板环压、橡胶拉伸、弯曲强度测试。

二、力控制（载荷闭环，恒力 / 恒力速率加载）

反馈源

应变式力传感器输出的实时载荷 F作为闭环反馈信号。

控制原理

设定目标：恒定加载速率 (N/s) 或者 恒定保载力 (N)；

力传感器实时采集当前载荷；

控制器对比【目标力】和【实际力】，计算偏差；

PID 调节电机：实际力偏小 → 驱动横梁继续进给；实际力偏大 → 横梁减速 / 回退；

系统自动调节横梁位置，让载荷按照设定规律变化，位移是被动输出。

细分两类工况

恒力速率加载（力斜坡）：力匀速上升，比如 20N/s 加载，多用于抗压试验。

恒力保载（蠕变试验）：达到设定力后，控制器持续微调横梁，维持载荷不变；试样会随时间缓慢拉长（蠕变），横梁会持续缓慢跟进。

特点

优点：

可以严格控制加载力的速率，做保载、蠕变、应力松弛； 风险（重点）： 试样一旦断裂，载荷瞬间跌落，力闭环容易失控。 控制器必须配备断裂保护逻辑：检测到载荷快速下降，立刻停机、横梁锁止。 如果保护逻辑差，试样断裂后横梁会高速冲顶，撞坏传感器。

典型应用

泡沫压缩保载、材料蠕变试验、应力松弛、恒载承压测试。

三、应变控制（试样应变闭环，高精度科研 / 仲裁模式）

反馈源

引伸计（接触式 / 视频引伸计）直接采集试样标距段的真实变形，计算应变 ε 作为闭环反馈。

应变 ε = ΔL / L₀，L₀是原始标距，ΔL 是标距段变形。

控制原理

设定应变速率（1/s）；

引伸计实时采集试样标距变形，计算当前真实应变；

控制器对比【目标应变】和【实际应变】得到偏差；

PID 调节伺服电机，调整横梁移动速度，让试样本身的变形速率保持恒定。

横梁位移不再是控制目标，只是跟随试样变形被动移动。

特点

优点：

直接控制材料本身变形速度，不受机架、夹具弹性变形干扰；

金属测屈服强度 Rp0.2、弹性模量，仲裁试验；

试样进入屈服阶段，材料发生塑性流动，应变持续增长，系统会自动降低载荷增长速率，不会出现载荷失控。

缺点：

对引伸计安装、对中要求高；装夹偏心会直接带来应变误差；

引伸计有量程上限，试样变形超过引伸计量程，必须提前切换到位移控制；

成本更高，多用于实验室精密检测。