(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210522805.7 (22)申请日 2022.05.13 (71)申请人 湘潭大学 地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区西郊羊 牯塘湘潭大 学 (72)发明人 陈洋卓　徐玲林　冯蒙光　周娟　 王佶　 (74)专利代理 机构 湖南乔熹知识产权代理事务 所(普通合伙) 43262 专利代理师 周琼 (51)Int.Cl. G05B 11/42(2006.01) G01N 3/42(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种增量式串级PID闭环控制方法及硬度计 试验力精确控制方法 (57)摘要 一种增量式串级PID闭环控制方法， 外环是 压力环， 内环是压力变化率环， 根据公式Δuk＝ Aek‑Bek‑1+Cek‑2求得外环与内环间的控制增量Δ uk； 式中， A、 B、 C为系数， ek、 ek‑1、 ek‑2分别为恒定 采样周期T在第k、 k ‑1、 k‑2次的期望压力值和实 际压力值构成的控制偏差。 根据上述增量式串级 PID闭环控制方法的硬度计检测方法， 与现有的 硬度测量控制技术相比， 本发明能控制参数的变 化， 还能控制反馈物理量的变化率， 这样不仅可 以提高硬度测量的精度， 还能防止过冲损坏被测 工件， 同时可以减 小压痕回弹带来的测量 误差。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115016249 A 2022.09.06 CN 115016249 A 1.一种增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 外环是压力环， 内环是压力变化率 环， 根据公式(5)求得外环与内环间的控制增量Δuk： Δuk＝Aek‑Bek‑1+Cek‑2                                               (5) 式中， A、 B、 C为系数， ek、 ek‑1、 ek‑2分别为恒定采样周期T在第 k、 k‑1、 k‑2次的期望压力值 和实际压力值构成的控制偏差 。 2.根据权利要求1所述的增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 当外环力值分别 达到20％F、 90％F、 98％F、 F时， 增量式串级PID闭环控制系统分别进入串级加荷PID模式、 串 级缓冲PID模式、 串 级防过冲PID模式和串 级饱荷PID模式。 3.根据权利 要求2所述的增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 所述串级加荷PID 模式是外环获得当前加荷试验力， 内环通过压力变化率控制 器， 通过微分计算压力变换率 与电机速度方向的映射表对照， 从而控制电机转速， 压 头继续下压 。 4.根据权利要求3所述的增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 所述压力变化率 与电机速度方向的映射关系， 即从压力传感器读得一个压力值， 然后经过微分运算求得压 力变化率， 通过式(10)可以实现电机转速n与压力变化 率的转换： 式中， n为电机转速(r/mi n)； F为试验力大小(g)； K为单位 转换系数(r ·s/g·min)； 根据公式(1 1)求得电机 压头下压速度v(mm/s)： 式中， v为压 头下压速度， mm/s； S为丝杠的一个导 程， mm/r。 5.根据权利 要求2所述的增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 所述串级缓冲PID 模式通过压力变化率控制器， 获得压力变换率， 控制加力过程不能超过10 s且压头下降速度 应不大于 0.2mm/s。 6.根据权利要求2所述的增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 所述串级防过冲 PID模式根据公式(12)求得对应电机转速： 式中， Step为 步长， 用来限制控制量增 加的幅度， 使其保持在允许值。 7.根据权利 要求2所述的增量式串级PID闭环控制方法， 其特征在于， 所述串级饱荷PID 模式为维持待测工件表面压力在期望值F的时间大于10s。 8.一种硬度计试验力精确控制方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S1)系统启动， 给定期望试验力F， 电机驱动压 头向被测工件下压； 步骤S2)当压头接触到被测工件时， 开始增加试验力， 分别 进入串级加荷PID模式、 串级 缓冲PID模式、 串 级防过冲PID模式、 串 级饱荷PID模式； 步骤S3)当系统处于串级饱荷PID模式时， 保持期望试验力F一段 时间， 直到工件不再发权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115016249 A 2生塑性形变； 步骤S4)卸荷， 电机向上转动， 压 头复位到初始位置 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115016249 A 3