CN105298991B - 工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台及其实验方法，所述实验平台包括移动式支架、油箱、驱动液压回路、往复式加载回路、旋转加载系统以及实验平台测控系统；测控系统内有多种工程机械模型，通过实际工况模拟，将其作业过程中的载荷谱通过工控机转化为电信号输出给往复式加载回路内的电磁比例溢流阀或旋转加载系统内的磁粉制动器，实现对驱动液压回路内液压缸或液压马达力及力矩加载。结合系统运行状态对驱动系统的永磁同步电机进行转速闭环控制，实现对系统内压力、流量的调节。本发明实现了实验室环境下结合工程实际的实验平台开发，具有工程实际意义，且操作便捷，具有二次开发能力。

Description

工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台及其实验方法

技术领域

本发明涉及工程机械控制领域，尤其涉及一种工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台及其实验方法。

背景技术

现代工程机械是机电液一体化的综合体、自动化信息的集成体。工程机械的工作机构速度较慢，但输出力或力矩较大，空载运行时速度较高，且在工作过程中需要频繁的变速换向，因此国、内外95％以上的工程机械均采用液压传动，以便于大扭矩、大惯量载荷需求及自动控制。工程机械作业环境复杂多变，其对象和载荷变化剧烈，在其作业过程中，一方面随着设备自动化、信息化程度的不断提高，工程机械运行过程中信息的传递更加复杂，另一方面，面对越来越复杂的作业环境及工况，设备如何能够可靠、高效的运行，是目前亟待解决的技术难题。在工程机械作业过程中，其作业性能不仅受到系统本身性能的影响，同时作业环境及作业过程中的极端工况对作业性能的影响同样不可忽视。

现代工程机械设备大型化、作业工况复杂及大功率负载等特性愈加突出，而液压传动系统作为主要能量传递单元以满足设备对工况的运行。其中变转速控制技术的提出显著提高了液压系统整体运行效率，但存在控制精度低、响应速度慢、起停冲击明显等负面效果，这些负面效果都与载荷变化有所联系。工程机械载荷，如扭矩、弯矩、力及加速度不是确定的和有规律的，即在载荷发生的结果不是唯一的，而多种可能发生的结果是一个随机过程，此前，载荷谱模拟实验中往往是通过概率统计的方法分析随机载荷并在实验室环境下进行加载实验，其需要采集大量实验数据且数据处理方法较为复杂，而得到的结果与实际情况有一定偏差，因此，在研究工程机械变转速控制中，脱离实际工况将无法全面、系统的解决问题。

通过检索，发现与液压系统加载及控制方法的专利申请如下：

1)中国专利(专利申请号：CN 201410073704.1)，提出一种液压缸实验台负载模拟装置及其控制方法，仅针对液压缸性能测试。

2)中国专利(专利申请号：CN201410430823.8)，提出一种液压试验台系统，结合油温对液压缸进行测试，并没有涉及工况载荷模拟。

3)中国专利(专利申请号：CN201110042582.6)，提出可控载荷谱液压加载方法及其加载装置，并没有涉及旋转加载系统。

4)中国专利(专利申请号：CN201010176051.1)，提出一种模拟工况的液压缸试验装置及实验方法，仅针对液压缸性能测试，且没有涉及控制技术。

5)中国专利(专利申请号：CN201010109165.2)，提出一种动态冲击加载试验台及其试验系统，仅针对冲击过程。

综上所述，从已查到的国内专利申请文献来看，还没有涉及针对工程机械作业过程进行虚拟加载来研究工程机械变转速控制技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台及其实验方法，以满足学校研究人员和工程技术人员对工程机械变转速控制技术研究的需要。本发明结合虚拟仿真技术，将工程机械基本运行规律和作业载荷谱模拟成电液控制输出信号，并加载于实际液压系统，利用信号采集及处理技术获取系统运行状态信息，实时对电机进行控制，以此达到变转速跟踪控制的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，包括油箱、驱动液压回路、往复式加载回路、旋转加载系统及实验平台测控系统；其中：

驱动液压回路包括永磁同步电机、第一吸油过滤器、第一截止阀、第一齿轮泵、第一单向阀、第一三位四通电磁换向阀、第二三位四通电磁换向阀、液压马达和驱动液压缸；第一吸油过滤器的一端连接油箱，另一端通过第一截止阀连接第一齿轮泵的入口，第一齿轮泵的出口通过第一单向阀连接第一三位四通电磁换向阀的P口；永磁同步电机的输出端连接第一齿轮泵；第一三位四通电磁换向阀的A口和B口分别连接液压马达的两个油口；第一三位四通电磁换向阀的T口和P口连接第二三位四通电磁换向阀的T口和P口；第二三位四通电磁换向阀的A口和B口分别连接驱动液压缸的有杆腔和无杆腔；第二三位四通电磁换向阀的T口、第一三位四通电磁换向阀的T口通过冷却器连接油箱；

旋转加载系统包括磁粉制动器和惯量装置；液压马达的输出端连接惯量装置，惯量装置和磁粉制动器连接；

往复式加载回路包括第二吸油过滤器、第二截止阀、第二齿轮泵、变频异步电机、第二单向阀、第三三位四通电磁比例换向阀、背压加载阀组和第二加载液压缸；第二吸油过滤器一端连接油箱，另一端通过第二截止阀连接第二齿轮泵的入口，第二齿轮泵的出口通过第二单向阀连接第三三位四通电磁比例换向阀的P口；第三三位四通电磁比例换向阀的T口和P口通过背压加载阀组连接加载液压缸的有杆腔和无杆腔；加载液压缸的活塞杆通过质量块连接驱动液压缸的活塞杆；变频异步电机的输出端连接齿轮泵；

所述移动式支架包括平板移动小车、油箱支架、动力源支架；油箱支架和动力源支架与平板移动小车下底板通过螺栓连接，平板移动小车下底板表面和动力源支架上表面放置滑道机构；油箱与油箱支架通过螺栓进行连接；滑道机构由倒T型滑道、滑道内置滑块以及滑板组成，滑块上有内螺纹孔，通过螺栓固定滑板；永磁同步电机的支架、第一齿轮泵、变频异步电机的支架、第二齿轮泵的支架、驱动液压缸的支架、加载液压缸的支架、旋转加载系统置、液压马达的支架、惯量装置的支架安装在滑道机构上。

进一步的，移动式支架包括平板移动小车、油箱支架、动力源支架。支架与小车下底板通过螺栓连接，下底板表面放置滑道机构，便于驱动液压缸、加载液压缸以及旋转负载系统的快速装卸。油箱与油箱支架通过螺栓进行连接。动力源支架上表面放置滑道机构，便于对永磁同步电机、齿轮泵、变频异步电机、齿轮泵、转速传感器进行快速装卸。

进一步的，油箱包括油温传感器、油液加热器、液位计。油箱上盖板表面放置滑道装置，便于对阀块的快速装卸及二次开发。

所述蓄能器回路包括蓄能器和电磁球阀；电磁球阀的A口连接蓄能器，P口连接驱动液压回路或往复式加载回路；B口连接T口，T口连接油箱。

实验平台测控系统用于控制驱动液压回路、旋转加载系统、往复式加载回路工作。

进一步的，永磁同步电机通过电机伺服控制器连接实验平台测控系统；永磁同步电机的电压、电流通过电机伺服控制器进行直接测取并传输给实验平台测控系统；

液压马达通过惯量装置连接磁粉制动器；转速转矩传感器安装在液压马达与惯量装置之间，用于测量液压马达输出转速及力矩；转速转矩传感器连接实验平台测控系统；

变频异步电机通过变频器连接实验平台测控系统；

进一步的，第一单向阀与第一三位四通电磁换向阀之间的管路上设有第一流量表；第一齿轮泵的输出端还连接有第一压力变送器和第一电磁比例溢流阀，第一齿轮泵与第一电磁比例溢流阀之间设有第一指针式压力表；

第二单向阀的输出端连接有第二压力变送器和第二电磁比例溢流阀；背压加载阀组连接有第三压力变送器。所述第一、第二、第三压力变送器连接测控系统。

第二加载液压缸的活塞杆与质量块之间设有拉压传感器；所述拉压传感器连接实验平台测控系统。

进一步的，所述质量块包括第一质量块与第二质量块；驱动液压缸的活塞杆通过螺纹与第一质量块相连，拉压传感器在驱动液压缸侧与第二质量块相连，第一质量块与第二质量块通过螺栓与螺母相连接，螺栓无螺纹处套入弹簧，弹簧自由长度等于螺栓无螺纹处长度。

针对旋转加载系统，实验平台测控系统中工控机通过模拟工程机械作业过程，将作业过程中的压力模拟信号输出给控制板卡，控制板卡将信号输入给磁粉制动器，改变负载转矩；通过测取液压马达的实时转速转矩信号，由采集板卡输入工控机内模糊PID控制器，将输出目标转速信号送给电机伺服控制器，以此改变永磁同步电机转速，形成转速、转矩闭环控制。

针对往复式加载系统，实验平台测控系统中工控机通过模拟工程机械作业过程，将作业过程中的压力模拟信号输出给控制板卡，控制板卡将信号输入给背压加载模块，对加载液压缸背压进行加载，实现驱动液压缸与驱动液压缸互顶加载；测取加载液压缸输出端实时拉力信号，并通过采集板卡输入工控机内模糊PID控制器，将输出目标转速信号送给电机伺服控制器，以此改变永磁同步电机转速，形成压力—转速闭环控制；将第二质量块的位移信号转化为速度信号，送入伺服放大器，改变第三三位四通电磁比例换向阀开口大小，控制进入加载液压缸油液速度，防止冲击。

进一步的，旋转加载系统和往复式加载回路可通过第一、第二三位四通电磁换向阀实现联动或独立动作。

进一步的，加载方式均为实际力与力矩加载，往复式加载回路通过对背压加载阀组中电磁比例溢流阀开启压力的改变，实现对加载液压缸有杆腔或无杆腔背压的改变，达到对负载力的改变。旋转加载系统通过对磁粉制动器电压信号的调定，实现对磁粉制动器摩擦力矩的改变。

工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台的实验方法，包括以下步骤：

1)将第二三位四通电磁换向阀置于中位，关闭驱动液压缸油路，打开第一截止阀，分别按下永磁同步电机、转速转矩传感器、磁粉制动器启动按钮，使其通电；

2)在工控机中输入永磁同步电机初始转速，电机启动，旋转第一三位四通电磁换向阀旋钮，选择液压马达旋转方向，使液压马达开始旋转；

3)在工控机中运行加载模块，选择旋转式工程机械，运行仿真程序，对实际工况进行模拟，将工程机械模型所输出压力进行采集，并将压力信号转化为电信号，并通过控制板卡将电信号输入给磁粉制动器，使磁粉制动器根据输入电压改变其摩擦转矩，实现对液压马达的加载；

4)在进行加载的同时，通过转速转矩传感器将液压马达实时转速、转矩信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的转速、转矩信号输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机目标转速，并通过电机伺服控制器进行输出，使永磁同步电机转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统。

工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台的实验方法，包括以下步骤：

1)将第一三位四通电磁换向阀置于中位，关闭液压马达油路，打开第一截止阀，分别按下永磁同步电机、变频异步电机、变频器启动按钮，使其通电；

2)选择驱动液压缸与加载液压缸拉、压实验，以此确定三位四通电磁比例换向阀开口方向，即通油油路；在工控机中输入永磁同步电机初始转速，电机启动；

3)在工控机中运行加载模块，选择往复式工程机械，运行仿真程序，对实际工况进行模拟，将工程机械模型所输出压力进行采集，并将压力信号转化为电信号，并通过控制板卡将电信号输入给背压加载装置中的电液比例溢流阀，使其相应的加载方向产生背压；于此同时，启动变频异步电机及变频器，并旋转第二三位四通电磁换向阀旋钮，选择与加载方向相应的工作位置；使系统达到加载的目的；

4)在进行加载的同时，通过拉压传感器将驱动液压缸实时力信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的力信号输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机目标转速，并通过电机伺服控制器进行输出，使永磁同步电机转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统；

在进行加载的同时，通过拉线式位移传感器将驱动液压缸实时位移信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的位移信号转化为速度信号，输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机目标转速，并通过电机伺服控制器进行输出，使永磁同步电机转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统；

在进行加载的同时，通过拉线式位移传感器将驱动液压缸实时位移信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的位移信号转化为速度信号，输入伺服放大器，使第三三位四通电磁比例换向阀的开口随液压缸速度进行变化，使加载液压缸输入油液保持平稳；

在加载的过程中，除通过三位四通电磁比例换向阀调节进入加载油缸油液流量外，通过变频异步电机及变频器根据拉线式位移传感器或拉压传感器所反馈的实时负载信号，对变频器的工作频率进行改变，从而达到对加载油缸输入流量的控制。

本发明与现有技术相比，其具有以下有益效果：(1)通过实时载荷模拟，在研究液压系统性能的基础上，主要可针对变转速液压控制技术进行研究；同时，通过油温控制装置、弹性机构以及惯量装置改变整体系统刚度，使研究结论更能贴近实际应用。(2)通过加载液压缸防冲击控制设计，在加载过程中能够保证液压缸平稳运行。(3)倒“T”型滑道装置的设计，便于元件的快速拆装，及实验平台的二次开发。

附图说明

图1是本发明工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台原理图。

图2是本发明加载原理图。

图3是本发明加载液压缸防冲击控制原理图。

图4是本发明驱动液压缸弹性机构结构图。

图5是本发明滑道装置结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台原理为：实验平台加载装置分为，旋转加载系统和往复加载回路，通过测控平台内置的加载模块，可对实际旋转式工程机械结构及往复式工程机械结构进行模拟，将其作业过程中的载荷谱通过控制板卡分别输入磁粉制动器或背压加载装置，以此分别对真实系统进行加载。在此基础上，通过对负载转速、转矩、速度及力的信号采集，通过模糊PID控制器及电机伺服控制器根据负载的变化对永磁同步电机的转速进行控制，为研究变转速液压控制技术提供研究平台。

在此需要说明，加载模块中的工程机械模型可根据需要自主添加；模糊PID控制器也可根据需求更换其他算法控制器。

请参阅图1所示，本发明一种工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，包括移动式支架、油箱、驱动液压回路、往复式加载回路、旋转加载系统、蓄能器回路、蓄能器支架以及实验平台测控系统。

驱动液压回路包括电机伺服控制器1-1、永磁同步电机1-2、吸油过滤器1-3、截止阀1-4、齿轮泵1-5、单向阀1-8、指针式压力表1-7、压力变送器1-10、电磁比例溢流阀1-6、流量表1-9、三位四通电磁换向阀1-11，1-13、液压马达1-12、驱动液压缸1-14、流量表1-15、冷却器1-16。永磁同步电机1-2的电压、电流通过电机伺服控制器1-1连接测控平台，进行直接测取。永磁同步电机1-2及齿轮泵1-5的转速通过安装在刚性联轴器的垂直方向的脉冲转速传感器测量。吸油过滤器1-3的一端连接油箱，另一端通过截止阀1-4连接齿轮泵1-5的入口，齿轮泵1-5的出口通过单向阀1-8连接三位四通电磁换向阀1-11的P口；单向阀1-8与三位四通电磁换向阀1-11之间的管路上设有流量表1-9；永磁同步电机1-2的输出端连接齿轮泵1-5，用于驱动齿轮泵1-5运转。齿轮泵1-5的输出端还连接有压力变送器1-10和电磁比例溢流阀1-6连接，齿轮泵1-5与电磁比例溢流阀1-6之间设有指针式压力表1-7。三位四通电磁换向阀1-11的A口和B口分别连接液压马达1-12的两个油口；三位四通电磁换向阀1-11的T口和P口连接三位四通电磁换向阀1-13的T口和P口；三位四通电磁换向阀1-13的A口和B口分别连接驱动液压缸1-14的低压腔和高压腔。三位四通电磁换向阀1-13的T口、三位四通电磁换向阀1-11的T口通过流量表1-15和冷却器1-16连接油箱。

旋转加载系统包括转速转矩传感器2-1、惯量装置2-2、磁粉制动器2-3。转速转矩传感器2-1安装在液压马达1-12与惯量装置2-2之间，用于测量液压马达1-12输出转速及力矩。液压马达1-12通过惯量装置2-2连接磁粉制动器2-3。

往复式加载回路包括吸油过滤器3-3、截止阀3-4、齿轮泵3-5、变频异步电机3-2、变频器3-1、单向阀3-7、压力变送器3-9、流量表3-8、电磁比例溢流阀3-6、三位四通电磁比例换向阀3-10、背压加载阀组3-11、加载液压缸3-13、拉线式位移传感器3-14、拉压传感器3-15。变频异步电机3-2的电压、电流通过电压、电流传感器进行测量。变频异步电机3-2及齿轮泵3-5的转速通过安装在刚性联轴器的垂直方向的脉冲转速传感器测量。加载液压缸3-13载荷力通过拉压传感器进行测量，位移通过固定在加载液压缸3-13上的拉线式位移传感器进行测量。吸油过滤器3-3一端连接油箱，另一端通过截止阀3-4连接齿轮泵3-5的入口，齿轮泵3-5的出口通过单向阀3-7连接三位四通电磁比例换向阀3-10的P口；三位四通电磁比例换向阀3-10的T口和P口通过背压加载阀组3-11连接加载液压缸3-13的低压腔和高压腔。加载液压缸3-13的活塞杆通过第一质量块连接驱动液压缸1-14的活塞杆。单向阀3-7与三位四通电磁比例换向阀3-10之间的管路上设有流量表3-8；变频异步电机3-2的输出端连接齿轮泵3-5，用于驱动齿轮泵3-5运转。单向阀3-7的输出端连接有压力变送器3-9和电磁比例溢流阀3-6。背压加载阀组3-11连接有压力变送器3-12。

移动式支架包括平板移动小车、油箱支架、动力源支架。油箱支架和动力源支架与平板移动小车下底板通过螺栓连接，平板移动小车下底板表面放置滑道机构，便于驱动液压缸1-14、加载液压缸3-13以及旋转负载系统的快速装卸。油箱与油箱支架通过螺栓进行连接。动力源支架上表面放置滑道机构，便于对永磁同步电机1-2、齿轮泵1-5、变频异步电机3-2、齿轮泵3-5、转速传感器进行快速装卸。

油箱包括油温传感器、油液加热器1-17、液位计。油箱上盖板表面放置滑道装置，便于对阀块的快速装卸及二次开发。

蓄能器回路包括蓄能器4-1、电磁球阀4-2。蓄能器回路可根据需要接入驱动液压回路或往复式加载回路。电磁球阀4-2的A口连接蓄能器4-1，P口连接驱动液压回路的齿轮泵1-5的输出端或往复式加载回路的单向阀3-4的输出端，B口连接T口，T口连接油箱。

实验平台测控系统包括工控机、采集板卡、控制板卡、电机伺服控制器、变频器和伺服放大板。

旋转加载系统和往复式加载回路通过三位四通电磁换向阀1-11，1-13实现联动或独立动作。

结合图3，加载方式均为实际力与力矩加载，往复式加载回路通过对背压加载阀组3-11中电磁比例溢流阀开启压力的改变，实现对加载液压缸3-13有杆腔或无杆腔背压的改变，达到对负载力的改变。旋转加载系统通过对磁粉制动器2-3电压信号的调定，实现对磁粉制动器2-3摩擦力矩的改变。

当旋转加载系统工作时，三位四通电磁换向阀1-13不得电，三位四通电磁换向阀1-11的电磁继电器1DT得电(P口连接A口，B口连接T口)，液压马达1-12正转，驱动系统液压油依次经过吸油过滤器1-3、截止阀1-4、齿轮泵1-5、单向阀1-8、流量表1-9、三位四通电磁换向阀1-11、液压马达1-12、流量表1-15、冷却器1-16回到油箱。当三位四通电磁换向阀1-11的电磁继电器2DT得电(P口连接B口，A口连接T口)，液压马达1-12反转，液压油流经油路一致。加载控制部分，在测控平台的工控机中运行旋转工程机械模型，模拟作业过程，通过工控机中预置LABVIEW软件将作业过程中的压力载荷谱转变为与磁粉制动器2-3工作电压相应的电压信号，并输出控制板卡，控制板卡将信号输入给磁粉制动器2-3，改变其摩擦转矩，对液压马达1-12进行加载；转速转矩传感器2-1测取液压马达1-12的实时转速转矩信号，通过采集板卡滤波后的送入工控机内模糊PID控制器，输出目标转速信号并送入电机伺服控制器1-1，以此改变永磁同步电机1-2转速，形成转速、转矩闭环控制。惯量装置2-2可根据需要通过联轴器加入转速转矩传感器2-1及磁粉制动器2-3之间，惯量装置2-2由3个惯量盘组成，可根据载荷需要自由组合。

当往复式加载回路工作时，三位四通电磁换向阀1-11不得电，三位四通电磁换向阀1-13的电磁继电器3DT得电(P口连接A口，B口连接T口)，驱动液压缸1-14无杆腔为高压腔，驱动系统液压油经过吸油过滤器1-3、截止阀1-4、齿轮泵1-5、单向阀1-8、流量表1-9、三位四通电磁换向阀1-13、驱动液压缸1-12、流量表1-15、冷却器1-16回到油箱，此时，往复加载回路中三位四通电磁比例换向阀3-10的电磁继电器5DT得电(P口连接A口，B口连接T口)，加载液压缸3-13有杆腔接入油路，往复加载回路液压油经过吸油过滤器3-5、截止阀3-4、齿轮泵3-5、单向阀3-7、流量表3-8、三位四通电磁比例换向阀3-10、加载液压缸3-13、背压加载装置3-12回到油箱，此时两液压缸对顶为压应力。

当往复式加载回路工作时，三位四通电磁换向阀1-11不得电，三位四通电磁换向阀1-13的电磁继电器4DT得电(P口连接B口，A口连接T口)，驱动液压缸1-14有杆腔为高压腔，驱动系统液压油经过吸油过滤器1-3、截止阀1-4、齿轮泵1-5、单向阀1-8、流量表1-9、三位四通电磁换向阀1-13、驱动液压缸1-12、流量表1-15、冷却器1-16回到油箱，此时，往复加载回路中三位四通电磁比例换向阀3-10的电磁继电器6DT得电(P口连接B口，A口连接T口)，加载液压缸3-13无杆腔接入油路，往复加载回路液压油经过吸油过滤器3-5、截止阀3-4、齿轮泵3-5、单向阀3-7、流量表3-8、三位四通电磁比例换向阀3-10、加载液压缸3-13、背压加载装置3-12回到油箱，此时两液压缸对顶为拉应力。

对往复式加载回路，在测控平台的工控机中运行往复式工程机械模型，模拟作业过程，通过工控机中预置LABVIEW软件将作业过程中的压力载荷谱转变为与背压加载装置3-11中的电比例溢流阀工作电压相应的电压信号，并输出给电比例溢流阀的电比例放大器，改变其开启压力，对加载液压缸3-13背压进行加载，实现驱动液压缸1-14与驱动液压缸互顶加载；拉线式位移传感器3-14测取实时位移信号，由采集板卡输入工控机内模糊PID控制器，输出目标转速信号并送入电机伺服控制器1-1，以此改变永磁同步电机1-2转速，形成转速、转矩闭环控制。以此改变永磁同步电机1-2转速，形成压力—转速闭环控制。此外，结合图3所示，将采拉线式位移传感器3-14集到的第二质量块1-19的位移信号通过控制模块转化为速度信号，送入伺服放大器，以此改变三位四通电液比例换向阀3-10开口大小，控制进入加载液压缸油液速度，防止冲击。结合图4所示，驱动液压缸1-14活塞杆通过螺纹与第一质量块1-18相连，拉压传感器3-15在驱动液压缸1-14侧与第二质量块1-19相连，第一质量块1-18与第二质量块1-19通过螺栓与螺母相连接，螺栓无螺纹处套入弹簧，弹簧自由长度等于螺栓无螺纹处长度。可根据载荷需要自由选择弹簧刚度，或者不加入弹簧。第一质量块1-18与第二质量块1-19位于螺栓的螺帽与螺母之间。

通过油箱内加热装置1-17及风冷冷却器实时控制系统温度，达到模拟实际作业环境的目的。

结合图5，滑道机构由倒“T”型滑道51，滑道内置滑块52以及滑板53组成，滑块上有内螺纹孔，通过螺栓固定滑板。永磁同步电机1-2支架、齿轮泵1-5支架均可直接固定在动力源支架上表面滑道机构内；变频异步电机3-2、齿轮泵3-5支架根据变频异步电机3-2安装尺寸设置滑道间距；液压阀阀块安装于滑板上，通过滑板与滑块固定；驱动液压缸1-14与加载液压缸3-13通过螺纹与滑块相连接，并固定在滑道上；旋转加载系统置于滑道上，且滑道宽度由磁粉制动器2-3确定，液压马达1-12安装在支架上，支架通过螺纹与滑块相连接，并固定在滑道上，惯量装置2-2支架通过螺纹与滑块相连接，并固定在滑道上，磁粉制动器2-3通过安装底脚直接与滑块相连，并固定与滑道上。

工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台的实验方法，针对旋转加载系统，包括以下步骤：

1)、驱动系统总电源及旋转加载系统总电源开启，将三位四通电磁换向阀1-13置于中位，关闭驱动液压缸油路，打开截止阀1-4，分别按下永磁同步电机1-2、转速转矩传感器2-1、磁粉制动器2-3启动按钮，使其通电。

2)、在工控机中输入电磁比例溢流阀1-6开启压力，确保系统安全；输入永磁同步电机1-2初始转速，电机启动，旋转三位四通电磁换向阀1-11旋钮，选择马达1-12旋转方向，使马达1-12开始旋转。

3)、在工控机中运行加载模块，选择旋转式工程机械，运行仿真程序，对实际工况进行模拟，将工程机械模型所输出压力进行采集，并将压力信号转化为电信号，并通过控制板卡将电信号输入给磁粉制动器2-3，使磁粉制动器2-3根据输入电压改变其摩擦转矩，实现对液压马达1-12的加载。

4)、在进行加载的同时，通过转速转矩传感器将马达2-1实时转速、转矩信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的转速、转矩信号输入模糊PID控制器，PID控制器输出信号为永磁同步电机目标转速，并通过电机伺服控制器1-1进行输出，使永磁同步电机1-2转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统。

工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台的实验方法，针对往复式加载回路，包括以下步骤：

1)、驱动系统总电源及往复式加载回路总电源开启，将三位四通电磁换向阀1-11置于中位，关闭液压马达1-12油路，打开截止阀1-4，分别按下永磁同步电机1-2、变频异步电机3-2、变频器3-1启动按钮，使其通电。

2)、在工控机中输入电磁比例溢流阀3-6开启压力，确保系统安全；通过测控系统选择驱动液压缸1-14与加载液压缸3-13拉、压实验，以此确定三位四通电磁比例换向阀3-10开口方向，即通油油路。输入永磁同步电机1-2初始转速，电机启动。

3)、在工控机中运行加载模块，选择往复式工程机械，运行仿真程序，对实际工况进行模拟，将工程机械模型所输出压力进行采集，并将压力信号转化为电信号，并通过控制板卡将电信号输入给背压加载装置3-11中的电液比例溢流阀，使其相应的加载方向产生背压。于此同时，启动变频异步电机3-2及变频器，并旋转三位四通电磁换向阀1-13旋钮，选择与加载方向相应的工作位置。使系统达到加载的目的。

4)、在进行加载的同时，通过拉压传感器3-15将驱动液压缸1-14实时力信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的力信号输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机1-2目标转速，并通过电机伺服控制器1-1进行输出，使永磁同步电机1-2转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统。

在进行加载的同时，通过拉线式位移传感器3-14将驱动液压缸1-14实时位移信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的位移信号转化为速度信号，输入模糊PID控制器，PID控制器输出信号为永磁同步电机1-2目标转速，并通过电机伺服控制器1-1进行输出，使永磁同步电机1-2转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统。

在进行加载的同时，通过拉线式位移传感器3-14将驱动液压缸1-14实时位移信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的位移信号转化为速度信号，输入伺服放大器，使三位四通电磁比例换向阀3-10的开口随液压缸速度进行变化，使加载液压缸3-13输入油液保持平稳。

在加载的过程中，除通过三位四通电磁比例换向阀3-10调节进入加载油缸油液流量外，可通过变频异步电机3-2及变频器3-1根据拉线式位移传感器或拉压传感器所反馈的实时负载信号，利用控制模块对变频器3-1的工作频率进行改变，从而达到对加载油缸3-13输入流量的控制。

综上所述，本发明实验平台测控系统内有多种工程机械模型，通过实际工况模拟，将其作业过程中的载荷谱通过工控机转化为电信号输出给往复式加载回路内的电磁比例溢流阀或旋转加载系统内的磁粉制动器，实现对驱动液压回路内液压缸或液压马达力及力矩加载。本发明通过工程机械对实际工况的模拟，可对影响液压系统内部耦合及界面耦合综合考虑，并在研究液压系统性能的基础上，主要可针对变转速液压控制技术进行研究；所设计的油温控制装置、弹性机构以及惯量装置改变整体系统刚度，使研究结论更能贴近实际应用。所设计的加载液压缸防冲击控制设计，保障液压缸加载过程中的平稳运行。在结构安装上，倒“T”型滑道装置的设计，便于元件的快速拆装，及实验平台的二次开发。

Claims (9)

1.工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，包括油箱、驱动液压回路、往复式加载回路、旋转加载系统及实验平台测控系统；其中：

驱动液压回路包括永磁同步电机(1-2)、第一吸油过滤器(1-3)、第一截止阀(1-4)、第一齿轮泵(1-5)、第一单向阀(1-8)、第一三位四通电磁换向阀(1-11)、第二三位四通电磁换向阀(1-13)、液压马达(1-12)和驱动液压缸(1-14)；第一吸油过滤器(1-3)的一端连接油箱，另一端通过第一截止阀(1-4)连接第一齿轮泵(1-5)的入口，第一齿轮泵(1-5)的出口通过第一单向阀(1-8)连接第一三位四通电磁换向阀(1-11)的P口；永磁同步电机(1-2)的输出端连接第一齿轮泵(1-5)；第一三位四通电磁换向阀(1-11)的A口和B口分别连接液压马达(1-12)的两个油口；第一三位四通电磁换向阀(1-11)的T口和P口连接第二三位四通电磁换向阀(1-13)的T口和P口；第二三位四通电磁换向阀(1-13)的A口和B口分别连接驱动液压缸(1-14)的有杆腔和无杆腔；

往复式加载回路包括第二吸油过滤器(3-3)、第二截止阀(3-4)、第二齿轮泵(3-5)、变频异步电机(3-2)、第二单向阀(3-7)、第三三位四通电磁比例换向阀(3-10)、背压加载阀组(3-11)和第二加载液压缸(3-13)；第二吸油过滤器(3-3)一端连接油箱，另一端通过第二截止阀(3-4)连接第二齿轮泵(3-5)的入口，第二齿轮泵(3-5)的出口通过第二单向阀(3-7)连接第三三位四通电磁比例换向阀(3-10)的P口；第三三位四通电磁比例换向阀(3-10)的T口和P口通过背压加载阀组(3-11)连接加载液压缸(3-13)的有杆腔和无杆腔；加载液压缸(3-13)的活塞杆通过质量块连接驱动液压缸(1-14)的活塞杆；变频异步电机(3-2)的输出端连接齿轮泵(3-5)；

第二三位四通电磁换向阀(1-13)的T口、第一三位四通电磁换向阀(1-11)的T口通过冷却器(1-16)连接油箱；

旋转加载系统包括磁粉制动器(2-3)；液压马达(1-12)的输出端连接磁粉制动器(2-3)；

实验平台测控系统用于控制驱动液压回路、往复式加载回路、旋转加载系统工作；

永磁同步电机(1-2)通过电机伺服控制器(1-1)连接实验平台测控系统；永磁同步电机(1-2)的电压、电流通过电机伺服控制器(1-1)进行直接测取并传输给实验平台测控系统；

液压马达(1-12)通过惯量装置(2-2)连接磁粉制动器(2-3)；转速转矩传感器(2-1)安装在液压马达(1-12)与惯量装置(2-2)之间，用于测量液压马达(1-12)输出转速及力矩；转速转矩传感器(2-1)连接实验平台测控系统；

变频异步电机(3-2)通过变频器(3-1)连接实验平台测控系统；

第二加载液压缸(3-13)的活塞杆与质量块之间设有拉压传感器(3-15)；所述拉压传感器(3-15)连接实验平台测控系统。

2.根据权利要求1所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，第一单向阀(1-8)与第一三位四通电磁换向阀(1-11)之间的管路上设有第一流量表(1-9)；第一齿轮泵(1-5)的输出端还连接有第一压力变送器(1-10)和第一电磁比例溢流阀(1-6)，第一齿轮泵(1-5)与第一电磁比例溢流阀(1-6)之间设有第一指针式压力表(1-7)；

第二单向阀(3-7)的输出端连接有第二压力变送器(3-9)和第二电磁比例溢流阀(3-6)；背压加载阀组(3-11)连接有第三压力变送器(3-12)。

3.根据权利要求1所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，还包括蓄能器回路；所述蓄能器回路包括蓄能器(4-1)和电磁球阀(4-2)；电磁球阀(4-2)的A口连接蓄能器(4-1)，P口连接驱动液压回路或往复式加载回路；B口连接T口，T口连接油箱。

4.根据权利要求1所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，还包括移动式支架，所述移动式支架包括平板移动小车、油箱支架、动力源支架；油箱支架和动力源支架与平板移动小车下底板通过螺栓连接，平板移动小车下底板表面和动力源支架上表面放置滑道机构；油箱与油箱支架通过螺栓进行连接；滑道机构由倒T型滑道(51)、滑道内置滑块(52)以及滑板(53)组成，滑块(52)上有内螺纹孔，通过螺栓固定滑板(53)；永磁同步电机(1-2)的支架、第一齿轮泵(1-5)、变频异步电机(3-2)的支架、第二齿轮泵(3-5)的支架、驱动液压缸(1-14)的支架、加载液压缸(3-13)的支架、旋转加载系统置、液压马达(1-12)的支架、惯量装置(2-2)的支架安装在滑道机构上。

5.根据权利要求1所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，所述质量块包括第一质量块(1-18)与第二质量块(1-19)；驱动液压缸(1-14)的活塞杆通过螺纹与第一质量块(1-18)相连，拉压传感器(3-15)在驱动液压缸(1-14)侧与第二质量块(1-19)相连，第一质量块(1-18)与第二质量块(1-19)通过螺栓与螺母相连接，螺栓无螺纹处套入弹簧(6)，弹簧(6)自由长度等于螺栓无螺纹处长度。

6.根据权利要求1所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，针对旋转加载系统，实验平台测控系统中工控机通过模拟工程机械作业过程，将作业过程中的压力模拟信号输出给控制板卡，控制板卡将信号输入给磁粉制动器(2-3)，改变负载转矩；通过测取液压马达(1-12)的实时转速转矩信号，由采集板卡输入工控机内模糊PID控制器，将输出目标转速信号送给电机伺服控制器(1-1)，以此改变永磁同步电机(1-2)转速，形成转速、转矩闭环控制。

7.根据权利要求1所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，其特征在于，针对往复式加载系统，实验平台测控系统中工控机通过模拟工程机械作业过程，将作业过程中的压力模拟信号输出给控制板卡，控制板卡将信号输入给背压加载模块(3-11)，对加载液压缸(3-13)背压进行加载，实现驱动液压缸(1-14)与驱动液压缸(3-13)互顶加载；测取加载液压缸(3-13)输出端实时拉力信号，并通过采集板卡输入工控机内模糊PID控制器，将输出目标转速信号送给电机伺服控制器(1-1)，以此改变永磁同步电机(1-2)转速，形成压力—转速闭环控制；将第二质量块(1-19)的位移信号转化为速度信号，送入伺服放大器，改变第三三位四通电磁比例换向阀(3-10)开口大小，控制进入加载液压缸油液速度，防止冲击。

8.工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台的实验方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，包括以下步骤：

1)将第二三位四通电磁换向阀(1-13)置于中位，关闭驱动液压缸油路，打开第一截止阀(1-4)，分别按下永磁同步电机(1-2)、转速转矩传感器(2-1)、磁粉制动器(2-3)启动按钮，使其通电；

2)在工控机中输入永磁同步电机(1-2)初始转速，电机启动，旋转第一三位四通电磁换向阀(1-11)旋钮，选择液压马达(1-12)旋转方向，使液压马达(1-12)开始旋转；

3)在工控机中运行加载模块，选择旋转式工程机械，运行仿真程序，对实际工况进行模拟，将工程机械模型所输出压力进行采集，并将压力信号转化为电信号，并通过控制板卡将电信号输入给磁粉制动器(2-3)，使磁粉制动器(2-3)根据输入电压改变其摩擦转矩，实现对液压马达(1-12)的加载；

4)在进行加载的同时，通过转速转矩传感器将液压马达(2-1)实时转速、转矩信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的转速、转矩信号输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机目标转速，并通过电机伺服控制器(1-1)进行输出，使永磁同步电机(1-2)转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统。

9.工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台的实验方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的工程机械作业工况虚拟加载与控制实验平台，包括以下步骤：

1)将第一三位四通电磁换向阀(1-11)置于中位，关闭液压马达(1-12)油路，打开第一截止阀(1-4)，分别按下永磁同步电机(1-2)、变频异步电机(3-2)、变频器(3-1)启动按钮，使其通电；

2)选择驱动液压缸(1-14)与加载液压缸(3-13)拉、压实验，以此确定三位四通电磁比例换向阀(3-10)开口方向，即通油油路；在工控机中输入永磁同步电机(1-2)初始转速，电机启动；

3)在工控机中运行加载模块，选择往复式工程机械，运行仿真程序，对实际工况进行模拟，将工程机械模型所输出压力进行采集，并将压力信号转化为电信号，并通过控制板卡将电信号输入给背压加载装置(3-11)中的电液比例溢流阀，使其相应的加载方向产生背压；于此同时，启动变频异步电机(3-2)及变频器，并旋转第二三位四通电磁换向阀(1-13)旋钮，选择与加载方向相应的工作位置；使系统达到加载的目的；

4)在进行加载的同时，通过拉压传感器(3-15)将驱动液压缸(1-14)实时力信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的力信号输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机(1-2)目标转速，并通过电机伺服控制器(1-1)进行输出，使永磁同步电机(1-2)转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统；

在进行加载的同时，通过拉线式位移传感器(3-14)将驱动液压缸(1-14)实时位移信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的位移信号转化为速度信号，输入模糊PID控制器，控制器输出信号为永磁同步电机(1-2)目标转速，并通过电机伺服控制器(1-1)进行输出，使永磁同步电机(1-2)转速跟随负载转矩进行实时变化，形成负载与动力源间的闭环控制系统；

在进行加载的同时，通过拉线式位移传感器(3-14)将驱动液压缸(1-14)实时位移信号输入给采集板卡，并在工控机上进行实时显示及处理，将所采集的位移信号转化为速度信号，输入伺服放大器，使第三三位四通电磁比例换向阀(3-10)的开口随液压缸速度进行变化，使加载液压缸(3-13)输入油液保持平稳；

在加载的过程中，除通过三位四通电磁比例换向阀(3-10)调节进入加载油缸油液流量外，通过变频异步电机(3-2)及变频器(3-1)根据拉线式位移传感器或拉压传感器所反馈的实时负载信号，对变频器(3-1)的工作频率进行改变，从而达到对加载油缸(3-13)输入流量的控制。