CN106708115B - 一种精密智能反馈水压强控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种精密智能反馈水压强控制器，实现静态恒荷围压控制、动态自定义波形荷载且维持时间较长，测试过程中动态波形响应不失真。结构上采用电机轴、加载活塞杆、滚珠丝杠轴三线平行的布置形式，体积小安装方便；步进电机通过同步带与丝杠轴平行联接，有效降低由步进电机本身振动带来的波动；整个水压强控制器自带控制面板并独立封装可与三轴仪等土工仪器配套使用也可单独作为动力源使用，并且控制系统采用PID控制器，克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，或者是系统进入稳定状态后，消除还存在较大的稳态误差。

Description

一种精密智能反馈水压强控制器
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种精密智能反馈水压强控制器。
背景技术
三轴仪是土工试验领域最常见的一种土工实验设备，其组成可分成围压控制系统、轴向压力系统、测量系统，其中围压系统的水压强的产生就是由水压强控制器完成的。现存的水压强控制器或类似的水压强激励器，按功能分，有静态恒载类，能模拟土的一般工况实现常规的围压控制；有动态波形荷载类，能模拟波浪荷载、地震荷载实现随机波或自定义波形荷载控制；结构布置形式是在一条直线上。以上所列水压强控制器都能替换实验室内的室内压力源满足相应的实验要求，但在功能上不具有多样性，难以满足试验员的需求；结构布置形式单一且体积偏大，安装也不方便。另外，考虑到单就水压强控制器来说，要求其可以脱离三轴仪整机而单独可用于其他土工仪器，也可仅凭自身完成一般性土工试验，比如静水压力试验时提供所需水压等。
水压强控制器的自动反馈控制系统(以下简称控制系统)既要求达到稳定设定参数值，也要在误差范围内稳定调节，这一要求在振动荷载条件下要求更高。并且在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例P+微分D(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性；当控制系统进入稳定状态后，可能存在稳态误差，必须引入“积分项I”(PI)消除稳态误差。除了稳定要求，快速响应也是用户较关心的；控制系统的人机交互面板既要简洁操作方便，也要面板按键功能明确。因此基于以上现状，研究一种集成静荷载、动荷载、反馈平稳、快速响应、无稳态误差、独立使用众多优势于一体的精密水压强控制器具有很重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种精密智能反馈水压强控制器，整个水压强控制器自带控制面板并独立封装可与三轴仪等土工仪器配套使用也可单独作为动力源使用。
本发明的技术方案为：
一种精密智能反馈水压强控制器，包括同步带、小同步带轮1、大同步带轮2、左固定板3、内六角螺钉4、底座5、直线轴承6、限位滑块7、水缸加载杆8、限位开关9、水压传感器10、水缸11、右固定板12、导向光轴13、步进电机16、滚珠丝杠传动系和控制系统；所述滚珠丝杠传动系包括螺帽座14、螺帽15、螺帽导轨、滚珠丝杠17。所述的控制系统包括触屏式的控制面板和单片机，控制系统集成PID控制算法并载入单片机内，所述单片机通过数据线分别与步进电机和传感器相连，所述的控制面板封装在外壳上。
所述步进电机16固定在左固定板3上，步进电机16轴端通过销钉连接小同步带轮1，并通过同步带与滚珠丝杠17轴平行连接，有效降低由步进电机6本身振动带来的波动；所述小同步带轮1通过同步带与大同步带轮2连接；所述大同步带轮2固定在滚珠丝杠17的左端；所述滚珠丝杠17右端通过滚动轴承安装在右固定板12上；所述左固定板3、右固定板12通过内六角螺钉4固定在底座5上；所述导向光轴13有四根，通过螺纹连接并均匀分布在左固定板3与右固定板12之间，起支撑和导向作用。
所述滚珠丝杠17上有通过螺旋传动的螺帽15，所述螺帽15固定在螺帽座14上；所述螺帽座14与水缸加载杆8连接，其下端固定两个直线轴承6；所述直线轴承6与底端的两根导向光轴13滑动联结；所述限位滑块7固定在螺帽座14上；左固定板3和右固定板12上分别安装一个限位开关9，且限位开关9与限位滑块7在同一水平面上；所述水缸11固定在右固定板12外侧；所述水压传感器10固定在水缸11的右端，用于测量水缸内水压强。
本发明控制系统采用PID控制系统，既能克服调节误差的过程中可能会出现振荡甚至失稳，又能消除系统进入稳定状态后存在较大的稳态误差。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。
采用上述装置进行产生稳定波动小的压力方法，包括以下步骤：
第一步，确定载荷类型。若要进行静载恒荷试验，接下来调整“压力值”按键设定压力参数值；若要进行自定义波形荷载，则需要通过调整“波形类型”、“波形个数”、“幅值”、“频率”按键达到设定参数
第二步，设置显示细节。仪器启动后可以点击“显示”选项卡，设置压力显示细节。包括，是否滤波处理、波形显示、数值显示，峰值显示等。
2.1)选择数据过滤则在“滤波”选项中确定过滤的类型，并设置相应频率。
2.2)数据要波形显示时，需要确定是否显示数据波动的均值、方差等。
第三步，设定结束条件。试验结束后需要选择自动复位还是手动复位，默认自动复位，选则手动复位需要设定运转速度。
本发明的有益效果为：本发明能够实现静态恒荷围压控制、动态自定义波形荷载且维持时间较长，测试过程中动态波形响应不失真。控制系统采用PID控制器，克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，或者是系统进入稳定状态后，消除还存在较大的稳态误差；结构上采用电机轴、加载活塞杆、滚珠丝杠轴三线平行的布置形式，这样体积小安装方便；步进电机通过同步带与丝杠轴平行联接，有效的降低由步进电机本身振动带来的波动；整个水压强控制器自带控制面板并独立封装可与三轴仪等土工仪器配套使用也可单独作为动力源使用。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为功能执行流程图；
图3为PID控制系统框图；
图中：1小同步带轮；2大同步带轮；3左固定板；4内六角螺钉；5底座；6直线轴承；7限位滑块；8水缸加载杆；9限位开关；10水压传感器；11水缸；12右固定板；13导向光轴；14螺帽座；15螺帽；16步进电机；17滚珠丝杠。
具体实施方式
以下对本发明做进一步说明。
一种精密智能反馈水压强控制器，步进电机16固定在左固定板3上，步进电机16轴端通过销钉连接小同步带轮1，并通过同步带与滚珠丝杠17轴平行连接；小同步带轮1通过同步带与大同步带轮2连接；大同步带轮2固定在滚珠丝杠17的左端；滚珠丝杠17右端通过滚动轴承安装在右固定板12上；左固定板3、右固定板12通过内六角螺钉4固定在底座5上；四根导向光轴13通过螺纹连接并均匀分布在左固定板3与右固定板12之间。滚珠丝杠17上的螺帽15固定在螺帽座14；螺帽座14中心通过螺母与水缸加载杆8连接，其下端固定两个直线轴承6；直线轴承6与底端的两根导向光轴13滑动联结；限位滑块7固定在螺帽座14上；左固定板3和右固定板12上分别安装一个限位开关9，且限位开关9与限位滑块7在同一水平面上；水缸11固定在右固定板12外侧；水压传感器10固定在水缸11的右端，用于测量水缸内水压强。
具体过程为：通过驱动器细分后的步进角由步进电机16执行，经过同步带及小同步带轮1、大同步带轮2传递到滚珠丝杠17，即丝杠的旋转运动转换成螺帽15的直线运动。螺帽座14随螺帽15在导向光轴13上做往复直线运动，螺帽座14的直线运动就转换成水缸加载杆8的进出，进而实现水缸内活塞的进给。螺帽座14在往复移动过程中，通过限位滑块7和限位开关9的配合实现安全保护。水缸11内的水压强由水压传感器10实时监测水缸内的水压并反馈给控制系，进而调整步进电机的转动以达到设定压力值。本发明采用电机轴、加载活塞杆、滚珠丝杠轴三线平行的布置形式，这样的结构形式体积小便于安装，整体布局上较为合理。

Claims (1)

1.一种精密智能反馈水压强控制器，其特征在于，所述的精密智能反馈水压强控制器包括同步带、小同步带轮(1)、大同步带轮(2)、左固定板(3)、内六角螺钉(4)、底座(5)、直线轴承(6)、限位滑块(7)、水缸加载杆(8)、限位开关(9)、水压传感器(10)、水缸(11)、右固定板(12)、导向光轴(13)、步进电机(16)、滚珠丝杠传动系和控制系统；所述滚珠丝杠传动系包括螺帽座(14)、螺帽(15)、螺帽导轨、滚珠丝杠(17)；所述的控制系统包括触屏式的控制面板和单片机，控制系统集成PID控制算法并载入单片机内，所述单片机分别与步进电机和传感器相连，所述的控制面板封装在外壳上；
所述步进电机(16)固定在左固定板(3)上，步进电机(16)轴端与小同步带轮(1)连接，并通过同步带与滚珠丝杠(17)轴平行连接，能够有效降低由步进电机(16)本身振动带来的波动；所述小同步带轮(1)通过同步带与大同步带轮(2)连接；所述大同步带轮(2)固定在滚珠丝杠(17)的左端；所述滚珠丝杠(17)右端通过滚动轴承安装在右固定板(12)上；所述左固定板(3)、右固定板(12)通过内六角螺钉(4)固定在底座(5)上；所述导向光轴(13)分布在左固定板(3)与右固定板(12)之间，起支撑和导向作用，所述的导向光轴(13)有四根，通过螺纹连接并均匀分布在左固定板(3)与右固定板(12)之间；
所述滚珠丝杠(17)上安装螺帽(15)，螺帽(15)固定在螺帽座(14)上，所述的螺帽(15)能够通过螺旋传动；所述螺帽座(14)与水缸加载杆(8)连接，螺帽座(14)下部对称固定两个直线轴承(6)；所述直线轴承(6)与底端的两根导向光轴(13)滑动联结；所述限位滑块(7)固定在螺帽座(14)上；左固定板(3)和右固定板(12)上分别安装一个限位开关(9)，且限位开关(9)与限位滑块(7)在同一水平面上；所述水缸(11)一端固定在右固定板(12)背对左固定板(3)的一侧；水缸(11)的另一端固定水压传感器(10)，水压传感器用于测量水缸内水压强。
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