CN102112861B - 流变仪控制系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括改进的控制逻辑的旋转流变仪。所述逻辑可提供连续采样的力控制逻辑、顺应性控制逻辑、自适应控制逻辑、抗饱和逻辑和/或惯性校正逻辑。

Description

流变仪控制系统
相关申请的互相参引
本申请要求于2008年8月1日提交的第61/137,670号美国临时申请的权益，该临时申请以引用的方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及流变仪以及用于控制流变仪的方法。
背景技术
流变仪被用于研究材料的流动和变形。旋转流变仪(rotaryrheometers)通常能在固定的底板(base plate)和旋转的上板(upperplate)之间夹持样品。在一种类型的测量中，底部和旋转的上部之间的间距保持恒定，而在另一类型的测量中，样品上的法向力保持恒定。
通常通过简单的开关调制方法(on-off modulation approach)来实现法向力控制。围绕期望的法向力环(normal force loop)设置了上通带和下通带(upper and lower pass bands)。设置简单的步长和更新率并且该系统移动并测量，直到该力处于通带中。然后断开控制，直到看到该力移出通带。
发明内容
在一个总的方面，本发明以一种用于测量样品的性质的流变仪为特征，所述流变仪包括：移动部分(mobile part)，具有用于接触所述样品的接触面；以及，固定部分(fixed part)，具有用于接触所述样品的接触面。所述流变仪还包括：竖直致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的竖直运动；以及，旋转致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的旋转运动。连续采样的力控制器(continuously sampled force controller)用以(operative to)，通过使用被提供至所述竖直致动器的连续控制信号，来控制由所述移动部分和所述固定部分施加在所述样品上的力。
在另一总的方面，本发明以一种用于测量样品的性质的流变仪为特征，所述流变仪包括：移动部分，具有用于接触所述样品的接触面；以及，固定部分，具有用于接触所述样品的接触面。所述流变仪还包括：竖直致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的竖直运动；以及，旋转致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的旋转运动。竖直控制器用以控制所述竖直致动器，并且所述竖直控制器包括顺应性(compliance)控制逻辑，该顺应性控制逻辑用以校正所述流变仪中的顺应性误差。在一些优选的实施方案中，所述竖直控制器可以用以校正应变仪中的顺应性误差。
在另一总的方面，本发明以一种用于测量样品的性质的流变仪为特征，所述流变仪包括：移动部分，具有用于接触所述样品的接触面；以及，固定部分，具有用于接触所述样品的接触面。所述流变仪还包括：竖直致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的竖直运动；以及，旋转致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的旋转运动。竖直控制器用以控制所述竖直致动器，并且所述竖直控制器包括自适应(adaptive)控制逻辑，该自适应控制逻辑用以使它的控制适应于所述样品的至少一个性质的变化。在一些优选的实施方案中，所述控制器可以用以基于所述样品的模量来使它的控制适应。
在另一总的方面，本发明以一种用于测量样品的性质的流变仪为特征，所述流变仪包括：移动部分，具有用于接触所述样品的接触面；以及，固定部分，具有用于接触所述样品的接触面。所述流变仪还包括：竖直致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的竖直运动；以及，旋转致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的旋转运动。竖直控制器用以控制所述竖直致动器，并且所述竖直控制器包括可编程的(programmable)抗饱和(anti-windup)逻辑，该抗饱和逻辑用以，基于可定制的(customizable)位置-速度分布图(profile)，来限制所述移动部分和所述固定部分之间的最大相对速度。
在一些优选的实施方案中，所述抗饱和逻辑可以用以生成线性分布图。所述抗饱和逻辑可以用以生成指数分布图。所述抗饱和逻辑可以用以将子分布图(sub-profiles)组合为较大的分布图。
在另一总的方面，本发明以一种用于测量样品的性质的流变仪为特征，所述流变仪包括：移动部分，具有用于接触所述样品的接触面；以及，固定部分，具有用于接触所述样品的接触面。所述流变仪还包括：竖直致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的竖直运动；以及，旋转致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的旋转运动。竖直控制器用以控制所述竖直致动器，并且所述竖直控制器包括惯性补偿(inertial compensation)逻辑，该惯性补偿逻辑用以在所述移动部分的速度变化期间校正惯性效应的力值(force values)。
根据本发明的系统的优势可以在于，它们允许更精确的流变仪控制以及改进的流变仪测量。
附图说明
图1是示出了用于间距控制和法向力控制的旋转流变仪的配置的框图；
图2是图1的流变仪的控制系统的框图；
图3是图1-图2的具有顺应性和其他校正的流变仪的自适应法向力控制的框图；以及
图4是图1-图2的具有顺应性和其他校正的流变仪的间距控制的框图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的一种流变仪包括旋转致动器，所述旋转致动器被可操作地(operatively)连接至能移动的上部部分，例如上板。该上板和下板被一个用于测试样品的间距分隔开。竖直致动器被可操作地连接至该旋转致动器，且能随该上板一起升起或降低该旋转致动器，以控制该间距或者该间距中的样品上的力。
参考图2，该流变仪的竖直致动器被竖直控制器控制。该控制器优选地是采样数据数字控制器(sampled-data digital controller)，不过也可以使用各种其他类型的公知的控制器，例如模拟控制器或者模糊逻辑控制器。
该竖直控制器接收目标间距信号，该目标间距信号可以由用户指定。它还接收来自安装在该竖直致动器和/或该上部上的应变仪(strain gauge)的信号。基于这些信号，该控制器生成竖直致动器驱动信号。该竖直控制器还可以包括数据输出，该数据输出可以提供额外数据(例如中间状态数据)，用于显示或者进一步的计算。
该竖直控制器优选地对应变仪信号进行连续采样，从而允许它采用比例控制法(proportional control law)来实现特定的受控制的法向力。这与现有技术的开关控制方法(on-off control methods)相比取得了显著的改进。现有技术的流变仪的开关控制可造成两种影响。首先，所测量的力通常是锯齿效果的且不太恒定。突然的移动可对正在运行的旋转试验造成不利影响，使其常常会在测量中的敏感点期间断开。第二个问题是，除非这两个板十分靠近，否则用户可能必须使用传统的间距控制来手动移近上部系统，然后等待法向力控制去“发现”样品，这个等待的时间相当不确定。如果样品具有有限的寿命，或者如果样品的性质在几秒钟内可发生显著的改变，则这会尤其是个问题。对于短测试(short tests)——其中快速接近样品是能否做出合理测量的关键——例如发泡来说，这也会是个问题。
该竖直控制器在实施其控制法(methodology)时可以接收样品状态信息、抗饱和分布图、顺应性参数信息和/或惯性参数信息。这些中的每一个都允许该竖直控制器改进其控制法。
样品状态信息可被用于自适应地控制该流变仪。基于比例-积分-微分(PID)环，法向力(NF)需求(demand)和测得的力被馈入自适应型控制器。对法向力的控制使得样品中可以不存在移动着的几何结构，所以该力可以随着碰撞(with impact)快速变化。这可以通过使用受控制的间距算法并且检测该力的阶跃变化然后控制该力来确定，但是这可能会产生如下问题：当该控制环的预充量(pre-charging)与对该力的反作用之和增大时，没有为碰撞留出合理的时间，使其不那么有用。
一个较好的方法是使控制器一直运行，并且使控制器适应有效的样品状态的改变。这更平滑和连续，并且还意味着控制器也将适应样品性质的变化。但是这带来的一个问题是，加载过程期间的输出需求速度可能会以不受控制的方式增长。这需要由实际的工作条件来限制。对此的解决方案是，将最大速度馈入控制器以限制积分器，这个过程称作抗饱和。
该流变仪可以提供可编程的饱和分布图。随着板向下行进，这可以将最大速度变化限制在预定范围内。示出的分布图可以包括线性分布图和指数分布图。该系统还可以在总体分布图的开始和结束处组合这些分布图。因此，当该几何结构(geometry)接近样品时，用户可以为最大速度指定一个线性分布图，然后指定一个指数分布图，反之亦然。也可以指定其他组合，例如线性/线性或指数/指数。
该系统的控制本质上来说是压缩应力或拉伸应力测试。因此控制参数是材料的模量(modulus)。材料的模量可以是从空气(在空载情况下，模量是零)到固体材料的任何模量，因此需要适应。对于高模量的材料，该仪器的顺应性可以起到作用。控制器必须适应该系统的顺应性，以确保受控制的间距或所报告的间距(在力控制的情况下)总是正确的。
如果该系统的顺应性可以显现为可重复的(repeatable)，则它可以作为控制法的一部分被校正。可以使用简单的增益和补偿(offset)校正，或者在适当时使用更高阶的校正，来校正系统顺应性。通常的系统顺应性是几十微米的数量级，因此除非间距显著小于1mm，测量中的误差都会小于1％。
顺应性校正还可以以迭代方法实施，但是可以开环地施加至所报告的间距，并且在间距控制模式下该环可以闭合以校正期望的间距。在法向力控制模式下该顺应性校正是开环的，因为受控制的参数是法向力而非间距。图3示出了自适应法向力控制方法的图，图4示出了间距控制的图。
间距分布图允许以更受控制的方式接近样品，并且还允许该系统保持在发动机的实际工作限度内。这样做的效果是：使该系统以受控制的速度接近样品，从而防止出现太多可能会影响未来样品性能的冲击力。目的可以是测量材料的压缩性能或拉伸性能，或者仅仅是在执行一些其他处理之前进行样品加载。
对于通常的处于压缩下的样品，该力随着间距的减小而指数地上升。在受控制的压缩应力测试中，通过控制法向力，样品面积增加，所以该应力对数地下降，造成该间距的变化率变慢。在真实的受控制的法向力实验中，这意味着，之前所描述的开关控制将不能很好地工作。通过使用自适应反馈控制，该间距随时间的变化率被连续地控制，给予了平滑稳定的法向力(在该系统的噪声下限(floor constraints)内)以及更平滑的随时间连续指数衰减的间距。
另一个实际的应用是在拉伸测试期间。在这种情况下，材料的拉伸模量在线性区域期间将是高的，于是可以显现出塑性破坏(plasticfailure)，给予了延展拉伸(ductile stretching)。为了恰当地模拟后一阶段，要求对该材料的变化着的效应进行快速控制。
当该系统加速时，法向力呈现出力误差(force error)，其与所加载的系统的质量成比例。空气轴承和转矩转子(torque rotor)以及该几何结构都是该系统的重量的一部分。当该系统加速时，在应变仪上测得了与负载质量和加速度成比例的力。这可以在小力时在该力控制系统中引起误差，因此将它从控制法中移除是有益的。该系统具有可以在控制算法中被模拟和校正的特征时间常数。
该顺应性校正作为对测得的间距的直接校正而被施加。可以对内部需求做出额外的校正，以校正间距误差。这被称为主动顺应性校正，并且被施加至竖直驱动致动器所需求的位置。该校正具有一个环时间常数，并且，如果该控制发生显著振荡，则将使用该控制算法中的滞后补偿器(lag compensator)来校正该时间常数。
在本实施方案中，该竖直控制系统通过用C++写成的且运行在流变仪机箱内的通用控制处理器上的专用软件来实施。还有可能创建一种至少部分地基于专门定制硬件(specialized custom hardware)的实施方案，或者一种从标准外部工作站运行竖直控制系统的实施方案。
本申请的教导与题为“RHEOMETER WITH MODULAR ENVIRONMENTALCONTROL SYSTEM”和“EXPERT-SYSTEM-BASED RHEOLOGY”的两个共有临时申请的主题结合起来是有用的，这两个临时申请是与本申请在同日提交的，并以引用的方式全部纳入本文中。
现在已经结合多个具体实施方案描述了本发明。然而，预计落入本发明范围内的多个修改现在对本领域普通技术人员来说应是明显的。因此，这意味着，本发明的范围将仅由所附随的权利要求的范围所限制。另外，权利要求的出现顺序不应被解释为限制了权利要求中的任何具体项的范围。

Claims (10)

1.一种用于测量样品的性质的流变仪，包括：
移动部分，具有用于接触所述样品的接触面；
固定部分，具有用于接触所述样品的接触面；
竖直致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的竖直运动；
旋转致动器，用于在所述移动部分和所述固定部分之间提供相对的旋转运动；以及
竖直控制器，用以通过使用作为竖直致动器驱动信号被提供至所述竖直致动器的连续控制信号来控制由所述移动部分和所述固定部分施加在所述样品上的法向力，
其中，所述竖直控制器被配置为在对所述样品的测试期间，基于指示了所述移动部分的接触面与所述固定部分的接触面之间的期望间距的目标间距信号以及连续采样的法向力信号，来生成所述竖直致动器驱动信号，其中所述竖直控制器被配置为使用所述法向力信号来对所述竖直致动器驱动信号施加校正，以校正所述流变仪的顺应性。
2.根据权利要求1所述的流变仪，其中所述竖直控制器是数字采样数据控制器。
3.根据权利要求1所述的流变仪，其中所述法向力信号是由所述竖直控制器从安装在所述竖直致动器和/或所述移动部分上的应变仪接收的。
4.根据权利要求1所述的流变仪，其中所述竖直控制器包括自适应控制逻辑，该自适应控制逻辑用以基于所述样品的模量来使它的控制适应。
5.根据权利要求1所述的流变仪，其中所述竖直控制器包括可编程的抗饱和逻辑，该抗饱和逻辑用以基于可定制的位置-速度分布图来限制所述移动部分和所述固定部分之间的最大相对速度。
6.根据权利要求5所述的流变仪，其中所述抗饱和逻辑用以生成线性位置-速度分布图。
7.根据权利要求5或6所述的流变仪，其中所述抗饱和逻辑用以生成指数位置-速度分布图。
8.根据权利要求5或6所述的流变仪，其中所述抗饱和逻辑用以将位置-速度子分布图组合为较大的位置-速度分布图。
9.根据权利要求7所述的流变仪，其中所述抗饱和逻辑用以将位置-速度子分布图组合为较大的位置-速度分布图。
10.根据权利要求1所述的流变仪，其中所述竖直控制器包括惯性补偿逻辑，该惯性补偿逻辑用以在所述移动部分的速度变化期间校正惯性效应的力值。
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