一种同时域多频段液压试验系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种同时域多频段液压试验系统及其控制方法，在现有液压试验系统的基础上，将原来的数据处理系统改为高频数据处理系统，同时增加一套动态测量系统，运用同时域多频段液压试验系统的控制方法，提高应力——应变曲线试验和全曲线试验的整体水平。根据液压试验要求加载载荷速度、实际测得液压系统加荷速度v及加速度a和新增的最大加速度a

说明书

技术领域

本发明涉及机电控制领域中的一种液压试验系统，特别是一种同时域多频段液压试验系统及其控制方法。 

背景技术

一个现有完整的液压试验系统按方框原理图划分，是由数据处理系统、控制系统、执行系统、负载和测量系统5个部分组成。输入指令信号为试验方案转换成液压试验系统可识别的计算机程序语言，用于指令液压试验系统的动作；数据处理系统对输入指令信号、测量系统数据进行处理，将指令控制系统的动作；控制系统在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向；执行系统将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动；负载是指液压试验系统的响应，通常是指试验对象对输入指令信号的响应；测量系统是测量出液压试验系统的响应并可充当反馈。液压系统的最低频率f_min即控制频率，一般是由控制系统的电液伺服阀频率特性所决定，而液压系统中的检测频率、数据运算处理频率可以高于系统控制频率f_min。液压试验系统主要包含液压系统和试验对象两部分。在该试验系统用于的土木工程领域，用混凝土、高强混凝土、超高强混凝土做压缩、拉伸试验时，一般都会得到应力——应变曲线；而利用岩石、高强混凝土、超高强混凝土做应力——应变全过程曲线(以下简称“全曲线”)试验时，一般都期许得到全曲线。应力——应变曲线、全曲线是研究材料力学特性的最基本特征曲线之一，甚至运用能量守恒定律解析应力——应变曲线、全曲线与液压试验系统的相互关系。应力——应变曲线试验和全曲线试验一般都是在液压试验系统中独立完成，由于混凝土尤其是高强混凝土、超高强混凝土在压缩、拉伸试验中存在脆性破坏，而液压试验系统内测量系统的测量频率没有足够高(以下简称为静态测量系统)，不足以描述应力——应变曲线和全曲线特性的全貌。也有在现有的液压试验系统之外增加一套动态应力应变测量系统(以下简称为动态测量系统)单独采集数据，事后经数据处理再得到应力——应变曲线或全曲线；由于动态测量系统与液压试验系统是两个相互独立的系统，动态测量系统在试验中无法作为反馈参与控制，事后的数据处理也无法保证有足够的准确度。 

一个完整的液压试验系统按其组成结构划分，是由动力系统、数据处理系统、控制系统、执行系统、辅助系统和液压油6个部分组成。动力系统将原动机的机械能转换成液体的压力能；数据处理系统对输入指令信号、测量系统数据进行处理，将指令控制系统的动作；控制 系统在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向；执行系统将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动；辅助系统则主要指液压系统中的油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头等；液压油是液压系统中传递能量的工作介质。液压系统的最低频率f_min即控制频率，一般是由控制系统的电液伺服阀频率特性所决定，而液压系统中的检测频率、数据运算处理频率可以高于系统控制频率f_min。控制系统中的阀门按开度是否连续可分为只有两点(全开、全关)状态和有连续开度两类，其阀门开度的大小描述有相对值和绝对值两种方式，如全关状态的阀门开度用相对值、绝对值描述均为0，全开状态的阀门开度用相对值描述为100％、用绝对值描述为1或100或为大于100的其它正整数。 

液压系统在突然启动、停机、变速或换向时，阀口突然关闭或动作突然停止，由于流动液体和运动部件惯性的作用，使系统内瞬时形成很高的峰值压力，这种现象就称之为液压冲击。发生液压冲击时系统内局部压力变化的峰值可达正常工作压力的几倍，不仅极易引起系统震动，而且有可能使密封破损、管道爆裂、焊缝开裂，造成系统漏油，还可能使压力计、流量计失灵，压力继电器和顺序阀误发信号，调压阀、流量阀损坏等，甚至有可能使混凝土试样(构件)的荷载直接达到极限荷载而致使试样(构件)报废。液压冲击既影响液压系统自身的可靠性，又可能致使混凝土试样(构件)开裂、报废，还可能对人员、环境造成二次伤害。 

现有液压试验系统的局限是： 

1.由于现有的液压试验系统内测量系统的测量频率没有足够高，单独使用现有的液压试验系统完成应力——应变曲线试验和全曲线试验时，不足以描述应力——应变曲线和全曲线特性的全貌。在现有的液压试验系统之外增加一套动态测量系统单独采集数据，也由于动态测量系统与液压试验系统是两个相互独立的系统，动态测量系统在试验中无法作为反馈参与控制，事后的进行数据处理也无法保证有足够的准确度。 

2.现行的液压冲击防治大多是针对液压系统的动力系统、控制系统、执行系统、辅助系统和液压油进行物理改进，控制方法的改进仍存在不足，液压冲击的弊端未能根除。 

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种同时域多频段液压试验系统的综合控制方法，在现有液压试验系统的基础上，将原来的数据处理系统改为高频数据处理系统，同时增加一套动态测量系统，运用同时域多频段液压试验系统的控制方法，提高应力——应变曲线试验和全曲线试验的整体水平。根据液压试验要求加载载荷(以下简称为加荷)速度、实际测得液压系统加荷速度v及加速度a和新增的最大加速度a_max进行控制，其最大加速 度a_max可采用分段递增方式加荷，即可预防液压冲击力的发生；既提高液压系统自身的可靠性，又能防止混凝土试样(构件)由此产生的开裂、报废，还能避免对人员、环境造成二次伤害，从而提高整个系统的可靠性、效率。并可以利用高频数据处理系统对静态测量系统的数据进行高速运算处理，提高了整个系统对负载反馈的响应速度，进一步提高预防液压冲击力的效果。 

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种同时域多频段液压系统，包括高频数据处理系统、控制系统、执行系统、负载、静态测量系统，以及动态测量系统；所述静态测量系统和动态测量系统对负载的运行状况进实时监测；所述高频数据处理系统将输入指令信号、动态测量系统数据、静态测量系统数据处理后，自动生成、显示、存储为同时域多频段液压试验数据，部分输入信号由高频数据处理系统转换成控制系统的输入信号，并交由执行系统运行；所述动态测量系统及前置数据处理系统的频率响应和测量的准确度应满足试验要求和液压试验系统的要求。 

一种使用到上述液压系统进行液压试验的控制方法，包括如下步骤： 

(1)根据液压系统的控制频率f_min和试验要求加荷速度v_y及液压试验系统的工作性能，设定液压系统初始加荷时间系数k，计算出液压系统初始加荷时间t_c，；其中，k为大于等于2的正整数； 

(2)根据步骤(1)所述试验要求加荷速度v_y、液压系统初始加荷时间t_c，计算出初始加荷的最大加速度a_max；其中，所述液压试验要求加荷速度v_y、最大加速度a_max，液压系统在液压试验加荷过程中同时满足实际加荷速度v等于试验要求加荷速度v_y、实际加荷的加速度a小于等于最大加速度a_max； 

(3)对液压系统在初始加荷阶段的最大加速度a_max采用分段递增方式加荷，所述分段数i是为2或3的正整数；控制各阶段的实际加荷速度v_i等于该阶段的要求加荷速度v_yi、实际加荷加速度a_i小于等于该阶段的最大加速度a_maxi。 

进一步的，所述高频数据处理系统依照液压系统进行液压试验的控制方法对其输入信号进行高速运算处理，可进一步消除液压冲击力。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在现有液压试验系统的基础上，将原来的数据处理系统改为高频数据处理系统，同时增加一套动态测量系统，运用同时域多频段液压试验系统的控制方法，提高应力——应变曲线试验和全曲线试验的整体水平。根据液压试验要求加荷速度v、实际测得液压系统加荷速度v_y及加速度a和新增的最大加速度a_max进行控制，且最大加速度a_max可采用分段递增的方式加荷，即可预防液压冲击力的发生；并可以利用高频数据处理系统对静态测量系统的数据进行高速运算处理，提高了整个系统对负载反馈的响应速度， 进一步提高预防液压冲击力的效果。 

附图说明

图1为现有液压试验系统方框原理图； 

图2为本发明一种同时域多频段液压试验系统方框原理图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步描述。 

如图2所示，一种同时域多频段液压试验系统，包括高频数据处理系统60、控制系统10、执行系统20、负载30、静态测量系统40以及动态测量系统50。所述动态测量系统及前置数据处理系统的频率响应和测量的准确度应满足试验要求和液压试验系统的要求。 

所述高频数据处理系统60将输入指令信号、动态测量系统数据、静态测量系统数据处理后，自动生成、显示、存储为同时域多频段液压试验数据。而由于静态测量系统较动态测量系统在低频范围具有更好的稳定性和较高的准确度，部分静态测量系统数据经高频数据处理系统60处理后转换成控制系统20的输入信号，并交由执行系统20去实施对试样的测试。 

实施例一： 

一种超前预防液压冲击力的控制方法的控制对象是荷载： 

一台500吨的电液伺服压力试验机，系统控制频率f_min为150Hz，试验要求加荷速度v_y为18.0kN/s,最大阀门开度为30000，试验机启动后油缸运行至试件距离试验机上压板2mm处暂停并将荷载清零。一般液压试验在开始试验时，都将首先执行自动转换程序——为保证油缸的缓慢加荷，计算机控制初始加荷的阀门开度为1000，当其荷载为1000N时，计算机控制系统将自动转换为实际加荷速度v等于试验要求加荷速度v_y，并同时满足实际加荷的加速度a小于等于最大加速度a_max，且设定油缸的初速度v₀＝0，液压系统初始加荷时间系数k为30000，液压系统最大加速度a_max采用3段式二三五开递增控制。 

根据以上所述液压试验的条件，因为控制频率周期T_min为： 

T_min＝1/f_min(s)     (1) 

液压系统初始加荷时间t_c： 

t_c＝k×T_min＝k×(1/f_min)＝k/f_min＝30000/150＝200(s)     (2) 

假定液压系统的匀速加速，设初始第1、2、3段的时间分别为t_c1、t_c2、t_c3，则： 

t_c1＝t_c×5/10＝200×5/10＝100(s)     (3) 

t_c2＝t_c×3/10＝200×3/10＝60(s)     (4) 

t_c3＝t_c×2/10＝200×2/10＝40(s)     (5) 

设初始第1、2、3段的末速度分别为v₁、v₂、v₃，且： 

v₃＝v_y＝18.0kN/s     (6) 

v₁＝2×v₃/10＝3.6(kN/s)     (7) 

v₂＝(2+3)×v₃/10＝9.0(kN/s)     (8) 

设初始第1、2、3段的最大加速度分别为a_max1、a_max2、a_max3，则有： 

v₁＝v₀+a_max1×t_c1     (9) 

v₂＝v₁+a_max2×t_c2     (10) 

v₃＝v₂+a_max3×t_c3     (11) 

将v₀＝0及上述1式代入7式，整理后有： 

$a_{\max 1}=\frac{v_1}{t_{c1}}=\frac{3.6}{100}=0.036(\mathrm{kN}/s^2)=36(N/s^2)---\left(12\right)$

同理： 

$a_{\max 2}=\frac{V_2-V_1}{t_{c2}}=\frac{9.0-3.6}{60}=0.09(\mathrm{kN}/s^2)=90(N/s^2)---\left(13\right)$

$a_{\max 3}=\frac{V_3-V_2}{t_{c3}}=\frac{18-9.0}{40}=0.225(\mathrm{kN}/s^2)=225(N/s^2)---\left(14\right)$

实施例二： 

一种超前预防液压冲击力的控制方法的控制对象是应变： 

一台30吨的电液伺服万能试验机，系统最低控制频率f_min为150Hz，拉伸试验要求加荷的应变速度为6με/s,最大阀门开度为40000，试验机启动后油缸运行至适当位置时暂停并加荷清零、应变量清零。一般液压试验在开始试验时，都将首先执行自动转换程序——为保证油缸的缓慢加荷，计算机控制初始加荷的阀门开度为1000，当其荷载为100N时，试验机系统将自动转换为实际加荷的应变速度v等于要求加荷的应变速度v_y,并同时满足实际加荷的加速度a小于等于最大加速度a_max，且设定油缸的初速度v₀＝0，液压系统初始加荷时间系数k为22500秒，液压系统最大加速度a_max采用2段式二八开递增控制。 

根据以上所述液压试验的条件，因为最低控制频率周期T_min为： 

T_min＝1/f_min(s)     (1) 

液压系统初始加荷时间t_c： 

t_c＝k×T_min＝k×(1/f_min)＝k/f_min＝22500/150＝150(s)     (2) 

假定液压系统的匀速加速，设初始第1、2段的时间分别为t_c1、t_c2，则： 

t_c1＝t_c×8/10＝150×8/10＝120(s)     (3) 

t_c2＝t_c×2/10＝150×2/10＝30(s)     (4) 

设初始第1、2段的末速度分别为v₁、v₂，且： 

v₂＝v_y＝6με/s     (5) 

v₁＝v₂×2/10＝1.2(με/s)     (6) 

设初始第1、2段的最大加速度分别为a_max1、a_max2，则有： 

v₁＝v₀+a_max1×t_c1     (7) 

v₂＝v₁+a_max2×t_c2     (8) 

将v₀＝0及上述1式代入5式，整理后有： 

$a_{\max 1}=\frac{v_1}{t_{c1}}=\frac{1.2}{120}=0.01(\mathrm{\mu ϵ}/s^2)---\left(9\right)$

同理： 

$a_{\max 2}=\frac{V_2-V_1}{t_{c2}}=\frac{6-1.2}{30}=0.16(\mathrm{\mu ϵ}/s^2)---\left(10\right)$

实施例三： 

与实施例一相同：一台500吨的电液伺服压力试验机，系统控制频率f_min为150Hz，试验要求加荷速度v_y为18.0kN/s,最大阀门开度为30000，试验机启动后油缸运行至试件距离试验机上压板2mm处暂停并将荷载清零。一般液压试验在开始试验时，都将首先执行自动转换程序——为保证油缸的缓慢加荷，计算机控制初始加荷的阀门开度为1000，当其荷载为1000N时，计算机控制系统将自动转换为实际加荷速度v等于试验要求加荷速度v_y，并同时满足实际加荷的加速度a小于等于最大加速度a_max，且设定油缸的初速度v₀＝0，液压系统初始加荷时间系数k为30000，液压系统最大加速度a_max采用3段式二三五开递增控制。 

在现有液压试验系统的基础上，将现有的数据处理系统改为高频数据处理系统，同时增加一套动态测量系统。现有的数据处理系统的频率f₁＝600Hz,高频数据处理系统的频率f₂＝20kHz。由于静态测量系统较动态测量系统在低频范围具有更好的稳定性和较高的准确度，部分静态测量系统数据经高频数据处理系统处理后转换成执行系统的输入信号。 

设在初始第1段的某一时刻发出信号实际加速度a₁＝90(N/s²)，实际加荷速度为v₁₀＝3.0kN/s时： 

现有数据处理系统的频率周期T₁为： 

T₁＝1/f₁＝1/600(s)≈1.67(ms)     (1) 

高频数据处理系统的频率周期T₂为： 

T₂＝1/f₂＝1/20000(s)＝0.05(ms)＝50(μs)     (2) 

因此，高频数据处理系统比现有数据处理系统快： 

$\mathrm{VT}=T_1-T_2=\frac{1}{600}-\frac{1}{20000}=\frac{194}{120000}\left(s\right)\approx 1.62\left(\mathrm{ms}\right)---\left(3\right)$

由于高频数据处理系统与现有数据处理系统的频率不同,而致使电液伺服压力试验机加荷荷载的理论误差Δf有： 

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vf}=f_1-f_2=(v_{10}{*T}_1+\frac{1}{2}{a}_1*{T_1}^2)-(v_{10}*T_2+\frac{1}{2}{a}_1*{T_2}^2)\\ =(3000/600+\frac{1}{2}*90*{\left(\frac{1}{600}\right)}^2)-(3000/20000+\frac{1}{2}*90*{\left(\frac{1}{20000}\right)}^2)\approx 4.85\left(N\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

即高频数据处理系统比现有数据处理系统的加荷荷载误差小4.85N。因此，采用高频数据处理系统比现有数据处理系统的加荷荷载曲线要更加平滑。 

本发明所述一种同时域多频段液压试验系统的综合控制方法中，针对液压试验系统在突然变速或换向时瞬时形成的液压冲击力，其控制对象可以是载荷，也可以是应变、位移。 

综上所述的本发明具体实施例仅为本发明优选的实施方式，并非用于限定本发明保护范围的限制。因此，任何在本发明的技术特征之内所作的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。