下置式自平衡岩石压力机及液压加载控制系统的研究

摘要

近年来，由于我国工程建设的快速发展，遇到的工程地质条件越来越复杂，隧道向大断面方向发展，矿井巷道向千米以上深部发展，一些地质性灾害发生的事件日益增加。地下深处的各种岩石所处的环境是复杂的多场耦合的，在温度、压力、磁场、气液等多种因素影响作用下，研究人员把视野转移到了对岩石力学性能的领域。岩石压力机是研究岩石力学性质的重要工具，只有通过更为真实地模拟地下环境的状态，才能更清晰地了解岩石在地下的微观运移规律。 岩石压力机主要的部分有压力室部分和下加载油缸的加载系统部分。压力室部分可以模拟岩石在地下的真实环境;加载系统可以检测岩石受到什么样的力、发生的位移和形变等，其性能直接决定着试验系统的整体工作性能。 本课题以常规三轴岩石力学压力机为基础，主要完成了以下工作: 1)设计了新型的压力室系统，并且对压力室所用材料进行了选择。新型的下置式自平衡压力室保证了轴向加载与围压加载的分离，使两者互不影响，并且减小了压力室的变形，增加了压力室的刚度，对压力室内部的主要零件进行了力学仿真强度分析; 2)设计了新型岩石变形测量装置，解决了各部件因为变形、端部效应等原因引起的误差，完成了下置式自平衡岩石压力机的整机设计; 3)介绍了液压加载系统的工作原理，由于加载伺服缸为非对称缸，所以我们利用非对称缸的原理对轴向加载系统进行了数学建模，并对系统的收敛性和稳定性做出了分析; 4)选用了迭代学习控制方法有效的解决了液压伺服系统的非线性、建模困难、强交叉耦合、参数不确定性和高精度同步跟踪等问题，使系统能保持良好的稳定性和鲁棒性; 5)采用AMEsim软件与Simulink软件进行联合仿真，仿真结果表明应用了迭代学习控制方法设计的控制器系统的控制精度达到要求。对于液压伺服加载系统的加载波形试验，它都能很好地达到同步跟踪误差的要求。通过对比分析样机的试验结果，验证了联合仿真得出的结论。 该论文的一些研究对三轴岩石压力机的改进提供参考，也为迭代学习控制形式在压力机中的应用具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题选题的背景和意义

1．2压力机国内外的研究现状

1．2．1国外的研究现状

1．2．2国内的研究现状

1．3课题的主要研究内容

第二章下置式自平衡压力室以及整机结构的方案设计

2．1下置式自平衡压力室的方案设计

2．1．1传统压力室的不足

2．1．2传统压力室改造成下置式自平衡压力室方案

2．1．3压力室材料的选择

2．2下置式压力室内试件变形测量装置的设计

2．2．1试件变形测量方法的选择

2．2．2试件变形测量装置设计

2．3下置式自平衡压力机的整机结构

2．4关键部件的ANSYS仿真分析

2．5本章小结

第三章下置式自平衡岩石压力机液压加载系统的建模

3．1加载系统的工作原理

3．2轴向加载的数学模型

3．2．1非对称缸伺服阀口流量方程

3．2．2非对称缸流量连续性方程

3．2．3非对称缸力平衡方程

3．3液压轴向位置控制加载各环节数学模型

3．4液压轴向力控制加载各环节数学模型

3．5液压系统数学模型参数的确定

3．6液压系统的稳定性分析

3．7本章小结

第四章下置式自平衡岩石压力机迭代学习控制算法

4．1迭代学习控制综述

4．1迭代学习控制原理

4．1．1迭代学习控制的数学描述

4．1．1开、闭环迭代学习控制结构

4．2迭代学习控制学习律的介绍和收敛性的证明

4．2．1迭代学习控制学习律的介绍

4．2．2迭代学习控制收敛性的证明

4．3本章小结

第五章下置式自平衡岩石压力机液压加载系统联合仿真研究

5．1联合仿真的综述

5．1．1 AMESim软件简述

5．1．2 AMESim软件的优点

5．1．3 Simulink软件的优点

5．1．4联合仿真的原理和特点

5．1．5联合仿真平台的设置

5．2 AMESim／Simulink联合仿真的实现

5．2．1联合仿真的实现过程

5．2．2 Simulink中仿真模型的建立

5．2．3 AMEsim中仿真模型的建立

5．3 AMESim／Simulink联合仿真的仿真结果分析

5．3．1位置控制系统联合仿真分析

5．3．2力控制系统联合仿真分析

5．4样机实验结果分析

5．5本章小结

第六章总结和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢