旋转流变仪是用于测量聚合物流变特性的重要仪器,通过向样品施加剪切应变(或应力)测量材料的应力(或应变)响应计算得到样品的流变特性参数。流变测试包括稳态、动态和瞬态测试模式,相较于稳态和瞬态模式,动态测试模式可以表征最丰富的材料信息,但实现这一模式的测控难度也最大,一是要实现振荡频率和振幅变化范围广的正弦振荡剪切作用,二是要从复杂的响应信号中准确提取转角与转矩信号的振幅和相位差等信息。本文以实现旋转流变仪的高精度动态流变测试为目的,设计旋转流变仪硬件平台并开发相关的控制与测量技术,重点研究流变仪在动态测量模式下电机的控制及转角、转矩信号的测量分析技术。本课题对丰富旋转流变仪相关设计理论,提高仪器测控水平、推进具有自主知识产权的旋转流变仪商业化具有重要意义。本文从旋转流变仪基本测量原理出发,分析流变仪设计需求,对间隙调节模块、内筒测量模块和外筒运动模块等关键机械结构进行设计,对测控系统的控制器、电机、圆光栅编码器和转矩传感器等关键元器件进行选型,搭建用于流变测试研究的硬件平台。为了实现流变仪外筒精确的正弦振荡运动,对电机、涡轮蜗杆减速机及外筒构成的运动系统进行了建模和分析。针对减速机存在的配合间隙问题,建立了含间隙环节的位置闭环控制系统模型,通过Simulink运动控制仿真,研究了PID参数和间隙环节对于控制系统实现不同频率、不同幅值的正弦转角曲线跟踪性能的影响。仿真结果表明,积分环节在低频率或小幅值的正弦曲线跟踪时会引起系统自振荡,适当加入微分环节或适当增大比例系数有利于削弱自振荡。针对上述问题,设计了基于输入正弦信号频率、幅值参数的模糊PID控制,仿真结果表明,模糊PID比常规PID更能有效发挥积分和微分环节的作用,并能有效削弱低频、小幅值正弦运动时的振荡现象,满足不同频率、幅值的动态运动控制需求。为了实现对转角与转矩振荡曲线的幅值和相位差的精确测量,对转角和转矩测量信号的数据处理方法进行了研究,重点研究信号的干扰消除或平抑方法。通过对正弦信号加入白噪声、频率误差、高次谐波等干扰进行数值仿真,分析采用离散傅里叶频谱分析法(DFT)、数字函数相关法和非线性最小二乘拟合法(NLS)在计算幅值和相位差时的误差。仿真结果表明,NLS法和DFT法的白噪声抑制能力均较强,DFT法和相关法受频率误差干扰较大,NLS法和相关法受谐波干扰较大。针对上述问题,结合DFT和NLS进行分析,可以获取更精确的幅值和相位差,具备较好的综合抗干扰能力。在突破上述核心技术的基础上,依据流变测试流程与需求,设计PC端上位机程序及NI Compact RIO控制器端下位机程序,上位机负责界面交互、外部通讯和数据处理等任务,下位机负责PID控制运算、数据中转和I/O模块操作等任务,两者协作实现旋转流变仪动态流变测试。最后,通过实验评估了旋转流变仪样机的动态测试性能。采用常规PID与模糊PID控制算法进行不同频率、振幅的正弦曲线跟踪,实验结果表明,所设计的模糊PID控制有利于削弱低频、小振幅正弦跟踪时的自振荡现象,并能较好发挥积分和微分作用,适用于不同频率、幅值的动态测试控制需求,达到了动态测试中频率、振幅的设计目标。使用PDMS溶液进行应变扫描动态测试,实验结果表明,旋转流变仪样机与商用流变仪的测量结果趋势相近,在应变较小时转矩信噪比较低而导致结果产生一定偏差且误差棒较宽,在应变较大时测量结果随信噪比提高而有所改善。