CN103775437B - 液压缸试验台负载模拟装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压缸试验台负载模拟装置及其控制方法。该装置包括试验台架、控制系统、加载液压缸和被试液压缸，其中控制系统包括工控机、PLC、位置系统控制模块和加载系统控制模块。工控机给PLC发送位移信号驱动被试液压缸运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面发送至工控机；工控机将位移信号转换为拟合力信号，并发送给加载系统控制模块，以驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；同时拉压力传感器检测拉压力信号，并将其与拟合力信号进行比较后反馈至加载系统控制模块，形成力负反馈控制。本发明实现了液压缸试验台负载模拟装置的高度自动化，且精度高、实用性强。

Description

液压缸试验台负载模拟装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压缸性能测试领域，特别是一种液压缸试验台负载模拟装置及其控制方法。

背景技术

现有的液压缸试验台，都处于出厂试验阶段，而且精度不高、自动化程度不高、智能化程度低，尤其是还没有真正意义的高精度试验台。目前的液压缸试验台主要是通过手动操作的方法测试，试验标准低、试验方法没有一致性，测试数据不真实，效率低，达不到提高产品质量的要求，限制了液压缸性能的提高。

中国专利“液压缸试验台”(申请号：201220592421.4，申请日：2012-11-12)公开了一种通过电磁溢流阀和远程调压阀的压力调整，以及换向阀的方向控制的液压缸试验台装置，该装置能够实现对液压缸进行出厂试验，结构简单且试验方便，但该控制方法还局限于手动控制方面，试验过程中需要大量的人力劳动，并且在数据检测及显示方面存在精度低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、测试精度高的液压缸试验台负载模拟装置及其控制方法，使得液压缸的测试流程实现较高程度的自动化，以减少人工劳动且提高液压缸的性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种液压缸试验台负载模拟装置，包括试验台架、控制系统、加载液压缸和被试液压缸：

所述试验台架包括底座、加载液压缸安装支架、被试液压缸安装支架、导向轴、拉压力传感器安装装置和位移传感器安装装置，所述加载液压缸安装支架和被试液压缸安装支架相向固定安装于底座的两端，加载液压缸安装支架的四角分别通过导向轴与被试液压缸安装支架的对应角相连，每根导向轴的一端与加载液压缸安装支架相连，另一端与被试液压缸安装支架相连，导向轴对对顶加载起导向作用；所述加载液压缸固定于加载液压缸安装支架中间，被试液压缸固定于被试液压缸安装支架中间，拉压力传感器安装装置一端与加载液压缸固定相接、另一端与被试液压缸固定相接；位移传感器安装装置设在导向轴上与被试液压缸对应的位置，且位移传感器安装装置能够沿着导向轴轴向滑动；

所述控制系统包括工控机、PLC、位置系统控制模块和加载系统控制模块，其中工控机通过PLC分别接入位置系统控制模块和加载系统控制模块，位置系统控制模块通过电液比例阀与被试液压缸相接，加载系统控制模块通过电液伺服阀与加载液压缸相接，位移传感器固定安装于位移传感器安装装置，拉压力传感器固定安装于拉压力传感器安装装置，位移传感器、拉压力传感器均通过数据采集卡与工控机相连；

首先工控机给PLC发送一个初始位移信号，驱动被试液压缸按该位移信号运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面将位移信号反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面通过数据采集卡将位移信号发送至工控机；工控机将接收到的位移信号转换为拟合力信号，并将该拟合力信号经过PLC发送给加载系统控制模块，加载系统控制模块驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；对顶加载过程中拉压力传感器检测拉压力信号，并将该拉压力信号与拟合力信号进行比较并将所得比较信号反馈至加载系统控制模块，从而继续控制加载液压缸，形成力负反馈控制。

一种液压缸试验台负载模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，将加载液压缸固定于加载液压缸安装支架中间，被试液压缸固定于被试液压缸安装支架中间，加载液压缸和被试液压缸通过拉压力传感器安装装置相接，位移传感器安装装置设在导向轴上与被试液压缸对应的位置；

步骤2，工控机给PLC发送一个初始位移信号，驱动被试液压缸按该位移信号运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面将位移信号反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面通过数据采集卡将位移信号发送至工控机；

步骤3，工控机将接收到的位移信号转换为拟合力信号，并将该拟合力信号经过PLC发送给加载系统控制模块，加载系统控制模块驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；

步骤4，对顶加载过程中拉压力传感器检测拉压力信号，并将该拉压力信号与拟合力信号进行比较并将所得比较信号反馈至加载系统控制模块，从而继续控制加载液压缸，形成力负反馈控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)传感器安装架可在导向轴上滑动，来改变测试量程，适应不同型号液压缸的测量；拉压力传感器与位移传感器安装装置的配合设计，可通过检测拉压力传感器安装装置位移，得到液压缸位移信号，简单易行；(2)采用工控机与PLC联合控制与监测，对加载系统进行控制的同时，可监测系统的运行状态，在上位机上实时显示测试数据，并可实现故障报警，避免人为参与的误差，提高检测精度；(3)利用模糊逻辑与神经网络的有机结合寻找一个最佳的P、I、D非线性组合控制规律，以实现对未知对象进行在线控制，并具备适应控制环境变化的能力和自学习能力，在很大程度上消除多余力与干扰。

附图说明

图1是本发明液压缸试验台负载模拟装置的总体结构图。

图2是本发明液压缸试验台负载模拟装置中试验台架的主视图。

图3是本发明液压缸试验台负载模拟装置的加载原理图。

图4是本发明中液压缸试验台多余力补偿与消除控制方法原理图。

图5是本发明中液压缸试验台拉压力传感器安装装置的结构图。

图6是本发明中液压缸试验台位移传感器安装装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的液压缸试验台负载模拟装置原理为：在液压缸试验台上，加载液压缸对被试液压缸对顶加载，模糊神经网络PID控制器用来消除被动加载产生的多余力；工控机与PLC联合监控，可以满足不同液压缸量程的需求，独特的拉压力传感器安装装置与位移传感器安装装置的设计，满足本试验台拉压力与位移数据的精确检测。本发明液压缸试验台电液伺服控制系统采用基于神经网络的模糊PID控制方案，一方面利用模糊逻辑的“概念”抽象能力和非线性处理能力，另一方面利用神经网络的自学习能力和任意函数的逼近能力，通过两者的有机结合寻找一个最佳的P、I、D非线性组合控制规律，以实现对未知对象进行在线控制，并具备适应控制环境变化的能力和自学习能力。

结合图1，本发明液压缸试验台负载模拟装置，包括试验台架、控制系统、加载液压缸和被试液压缸：

结合图2，所述试验台架包括底座、加载液压缸安装支架、被试液压缸安装支架、导向轴、拉压力传感器安装装置和位移传感器安装装置，所述加载液压缸安装支架和被试液压缸安装支架相向固定安装于底座的两端，加载液压缸安装支架的四角分别通过导向轴与被试液压缸安装支架的对应角相连，每根导向轴的一端与加载液压缸安装支架相连，另一端与被试液压缸安装支架相连，导向轴对对顶加载起导向作用；所述加载液压缸固定于加载液压缸安装支架中间，被试液压缸固定于被试液压缸安装支架中间，拉压力传感器安装装置一端与加载液压缸固定相接、另一端与被试液压缸固定相接；位移传感器安装装置设在导向轴上与被试液压缸对应的位置，且位移传感器安装装置能够沿着导向轴轴向滑动；

所述试验台架中各导向轴的一端穿过加载液压缸安装支架，另一端穿过被试液压缸安装支架，并且两端均通过导向轴套固定；所述试验台架中被试液压缸安装支架所在一侧的底座上设有向加载液压缸安装支架方向延伸的T型槽，被试液压缸安装支架能够在T型槽中滑动，根据被试液压缸的量程调节被试液压缸安装支架的固定位置；

所述控制系统包括工控机、PLC、位置系统控制模块和加载系统控制模块，其中工控机通过PLC分别接入位置系统控制模块和加载系统控制模块，位置系统控制模块通过电液比例阀与被试液压缸相接，加载系统控制模块通过电液伺服阀与加载液压缸相接，位移传感器固定安装于位移传感器安装装置，拉压力传感器固定安装于拉压力传感器安装装置，位移传感器、拉压力传感器均通过数据采集卡与工控机相连；

上述液压缸试验台负载模拟装置的控制流程为：首先工控机给PLC发送一个初始位移信号，驱动被试液压缸按该位移信号运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面将位移信号反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面通过数据采集卡将位移信号发送至工控机；安装有LabVIEW的工控机将接收到的位移信号转换为拟合力信号，并将该拟合力信号经过PLC发送给加载系统控制模块，加载系统控制模块驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；对顶加载过程中拉压力传感器检测拉压力信号，并将该拉压力信号与拟合力信号进行比较并将所得比较信号反馈至加载系统控制模块，从而继续控制加载液压缸，形成力负反馈控制。

结合图3，所述位置系统控制模块包括模糊PID控制器、第一D/A转换器、比例放大器、电液比例阀、位移传感器和第一A/D转换器，其中PLC与模糊PID控制器、第一D/A转换器、比例放大器、电液比例阀顺次相接，电液比例阀与被试液压缸相连，位移传感器一方面通过第一A/D转换器接入模糊PID控制器、另一方面依次经过第三A/D转换器、数据采集卡接入工控机；PLC将给定位移信号传送给模糊PID控制器，模糊PID控制器通过第一D/A转换器后将位移信号传送给比例放大器，比例放大器将放大后的信号送给电液比例阀并控制被试液压缸运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号并通过第一A/D转换器后传送给模糊PID控制器，形成位移负反馈闭环控制。所述加载系统控制模块包括模糊神经网络PID控制器、第二D/A转换器、伺服放大器、电液伺服阀、拉压力传感器和第二A/D转换器，其中PLC与模糊神经网络PID控制器、第二D/A转换器、伺服放大器、电液伺服阀顺次相接，电液伺服阀与加载液压缸相连，拉压力传感器一方面通过第二A/D转换器接入模糊神经网络PID控制器、另一方面依次经过第三A/D转换器、数据采集卡接入工控机；PLC将经过工控机处理后的拟合力信号传送给模糊神经网络PID控制器，模糊神经网络PID控制器通过第二D/A转换器后将拟合力信号传送给伺服放大器，伺服放大器将放大后的信号送给电液伺服阀并控制加载液压缸运行，拉压力传感器检测对顶加载的力信号并通过第二A/D转换器后传送给模糊神经网络PID控制器，形成力负反馈闭环控制。

结合图3～4，本发明液压缸试验台负载模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，将加载液压缸固定于加载液压缸安装支架中间，被试液压缸固定于被试液压缸安装支架中间，加载液压缸和被试液压缸通过拉压力传感器安装装置相接，位移传感器安装装置设在导向轴上与被试液压缸对应的位置；

步骤2，工控机给PLC发送一个初始位移信号，驱动被试液压缸按该位移信号运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面将位移信号反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面通过数据采集卡将位移信号发送至工控机；

步骤3，工控机将接收到的位移信号转换为拟合力信号，并将该拟合力信号经过PLC发送给加载系统控制模块，加载系统控制模块驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；

步骤4，对顶加载过程中拉压力传感器检测拉压力信号，并将该拉压力信号与拟合力信号进行比较并将所得比较信号反馈至加载系统控制模块，从而继续控制加载液压缸，形成力负反馈控制。

结合图5，所述拉压力传感器安装装置包括加载液压缸连接件和被试液压缸连接件，其中拉压力传感器通过螺钉固定在被试液压缸连接件上，加载液压缸连接件上设有一根带有螺纹的螺纹杆，所述螺纹杆与拉压力传感器的螺纹孔匹配连接；拉压力传感器安装装置四角各设一个孔套，各导向轴穿过对应位置的孔套从而将拉压力传感器安装装置固定；加载液压缸加载运行时，拉压力传感器安装装置配合导向轴对加载过程起到导向作用。

结合图6，所述位移传感器安装装置包括位移传感器安装架，位移传感器安装在位移传感器安装架中间方形孔内并通过螺栓固定，位移传感器安装架通过孔套套连在垂直方向的两根导向轴上，位移传感器发射激光照射在拉压力传感器安装装置与被试液压缸之间的连接件上并检测其位移信号，即检测被试液压缸活塞杆的位移信号，并可左右移动位移传感器安装架，实现不同量程被试液压缸的位移检测。

综上所述，本发明独特的拉压力传感器安装装置与位移传感器安装装置的设计，满足本试验台拉压力与位移数据的精确检测；所设计的模糊神经网络PID控制器，可以消除被动加载中90％的多余力，降低外界干扰的影响，自适应能力强。

Claims (8)

1.一种液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，包括试验台架、控制系统、加载液压缸和被试液压缸：

所述试验台架包括底座、加载液压缸安装支架、被试液压缸安装支架、导向轴、拉压力传感器安装装置和位移传感器安装装置，所述加载液压缸安装支架和被试液压缸安装支架相向固定安装于底座的两端，加载液压缸安装支架的四角分别通过导向轴与被试液压缸安装支架的对应角相连，每根导向轴的一端与加载液压缸安装支架相连，另一端与被试液压缸安装支架相连，导向轴对对顶加载起导向作用；所述加载液压缸固定于加载液压缸安装支架中间，被试液压缸固定于被试液压缸安装支架中间，拉压力传感器安装装置一端与加载液压缸固定相接、另一端与被试液压缸固定相接；位移传感器安装装置设在导向轴上与被试液压缸对应的位置，且位移传感器安装装置能够沿着导向轴轴向滑动；

所述控制系统包括工控机、PLC、位置系统控制模块和加载系统控制模块，其中工控机通过PLC分别接入位置系统控制模块和加载系统控制模块，位置系统控制模块通过电液比例阀与被试液压缸相接，加载系统控制模块通过电液伺服阀与加载液压缸相接，位移传感器固定安装于位移传感器安装装置，拉压力传感器固定安装于拉压力传感器安装装置，位移传感器、拉压力传感器均通过数据采集卡与工控机相连；

首先工控机给PLC发送一个初始位移信号，驱动被试液压缸按该位移信号运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面将位移信号反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面通过数据采集卡将位移信号发送至工控机；工控机将接收到的位移信号转换为拟合力信号，并将该拟合力信号经过PLC发送给加载系统控制模块，加载系统控制模块驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；对顶加载过程中拉压力传感器检测拉压力信号，并将该拉压力信号与拟合力信号进行比较并将所得比较信号反馈至加载系统控制模块，从而继续控制加载液压缸，形成力负反馈控制。

2.根据权利要求1所述的液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，所述试验台架中各导向轴的一端穿过加载液压缸安装支架，另一端穿过被试液压缸安装支架，并且两端均通过导向轴套固定。

3.根据权利要求1所述的液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，所述试验台架中被试液压缸安装支架所在一侧的底座上设有向加载液压缸安装支架方向延伸的T型槽，被试液压缸安装支架能够在T型槽中滑动，根据被试液压缸的量程调节被试液压缸安装支架的固定位置。

4.根据权利要求1所述的液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，所述拉压力传感器安装装置包括加载液压缸连接件和被试液压缸连接件，其中拉压力传感器通过螺钉固定在被试液压缸连接件上，加载液压缸连接件上设有一根带有螺纹的螺纹杆，所述螺纹杆与拉压力传感器的螺纹孔匹配连接；拉压力传感器安装装置四角各设一个第一孔套，各导向轴穿过对应位置的孔套从而将拉压力传感器安装装置固定；加载液压缸加载运行时，拉压力传感器安装装置配合导向轴对加载过程起到导向作用。

5.根据权利要求1所述的液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，所述位移传感器安装装置包括位移传感器安装架，位移传感器安装在位移传感器安装架中间方形孔内并通过螺栓固定，位移传感器安装架通过第二孔套套连在垂直方向的两根导向轴上，检测被试液压缸活塞杆的位移信号。

6.根据权利要求1所述的液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，所述位置系统控制模块包括模糊PID控制器、第一D/A转换器、比例放大器、电液比例阀、位移传感器和第一A/D转换器，其中PLC与模糊PID控制器、第一D/A转换器、比例放大器、电液比例阀顺次相接，电液比例阀与被试液压缸相连，位移传感器一方面通过第一A/D转换器接入模糊PID控制器、另一方面依次经过第三A/D转换器、数据采集卡接入工控机；PLC将给定位移信号传送给模糊PID控制器，模糊PID控制器通过第一D/A转换器后将位移信号传送给比例放大器，比例放大器将放大后的信号送给电液比例阀并控制被试液压缸运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号并通过第一A/D转换器后传送给模糊PID控制器，形成位移负反馈闭环控制。

7.根据权利要求1所述的液压缸试验台负载模拟装置，其特征在于，所述加载系统控制模块包括模糊神经网络PID控制器、第二D/A转换器、伺服放大器、电液伺服阀、拉压力传感器和第二A/D转换器，其中PLC与模糊神经网络PID控制器、第二D/A转换器、伺服放大器、电液伺服阀顺次相接，电液伺服阀与加载液压缸相连，拉压力传感器一方面通过第二A/D转换器接入模糊神经网络PID控制器、另一方面依次经过第三A/D转换器、数据采集卡接入工控机；PLC将经过工控机处理后的拟合力信号传送给模糊神经网络PID控制器，模糊神经网络PID控制器通过第二D/A转换器后将拟合力信号传送给伺服放大器，伺服放大器将放大后的信号送给电液伺服阀并控制加载液压缸运行，拉压力传感器检测对顶加载的力信号并通过第二A/D转换器后传送给模糊神经网络PID控制器，形成力负反馈闭环控制。

8.一种基于权利要求1所述液压缸试验台负载模拟装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将加载液压缸固定于加载液压缸安装支架中间，被试液压缸固定于被试液压缸安装支架中间，加载液压缸和被试液压缸通过拉压力传感器安装装置相接，位移传感器安装装置设在导向轴上与被试液压缸对应的位置；

步骤2，工控机给PLC发送一个初始位移信号，驱动被试液压缸按该位移信号运行，位移传感器检测被试液压缸的位移信号，一方面将位移信号反馈于位置系统控制模块以调节被试液压缸的位移，另一方面通过数据采集卡将位移信号发送至工控机；

步骤3，工控机将接收到的位移信号转换为拟合力信号，并将该拟合力信号经过PLC发送给加载系统控制模块，加载系统控制模块驱动加载液压缸对被试液压缸进行对顶加载；

步骤4，对顶加载过程中拉压力传感器检测拉压力信号，并将该拉压力信号与拟合力信号进行比较并将所得比较信号反馈至加载系统控制模块，从而继续控制加载液压缸，形成力负反馈控制。