CN110779801A - 一种土工真三轴试验机控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种土工真三轴试验机控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真三轴试验机控制系统，用于对真三轴试验进行岩土测试过程的一体化控制。本发明的另一目的是提供上述系统的控制方法。一种真三轴试验机控制系统，包括PC机、采集驱动模块和真三轴数据采集模块；PC机用于设置试验参数，并将试验参数发送至采集驱动模块，并将采集驱动模块反馈的实验结果进行保存；真三轴数据采集模块用于采集试验数据，包括真三轴伺服设备和数据采集传感器，数据采集传感器用于采集所需的真三轴伺服设备数据。采集驱动模块用于将试验参数传输至真三轴伺服设备数据，控制其工作，进行数据采集，同时也对数据采集传感器采集到的数据信号进行处理，并传输到PC机。

Description

一种土工真三轴试验机控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于岩土工程测试技术领域，涉及一种真三轴试验机控制系统，本发明还涉及上述系统的控制方法。
背景技术
岩土工程测试设备主要包括测试土的物理性质指标和力学性能指标的土工试验设备以及测试岩石的力学性质指标的岩石试验设备。除现场原位试验和原型监测外，室内岩土测试设备承担着多数对土和岩石的力学性质进行检测的任务。早期，由于室内岩土试验设备科技含量较高，而我国岩土测试技术相对落后，故通常采用进口的岩土测试设备以及配套的控制系统和试验软件等。随着岩土工程理论及方法的日益完善和自动化控制科学的飞速发展，我国对岩土测试设备的自主研发给予了大力的科研经费支持，目前自动化控制技术与岩土工程测试设备的结合，已经在部分功能单一，结构简单的岩土测试设备上实现自动化控制。例如固结试验，实现多台固结仪同时工作，实现上位机自动采集沉降数据并进行处理；动三轴实验，试验加载频率高，单纯依靠人工读数根本无法实现，现配合各类技术成熟的传感器与上位机自动数据采集系统已经完全实现自动化控制。因此，通过针对功能单一，结构简单的岩土测试设备对各种岩土体的物理，力学性质测试进行自动化控制已基本实现，然而，对于功能多样，结构复杂，且能够模拟多种应力路径的岩土测试设备实现高质量、高精度的自动化一体控制仍需继续努力。
中国专利(CN203164740U)公开了一种可编程控制系统，包括计算机、与计算机通讯连接的控制模块、提供电力来源的电源模块和与所述控制模块电连接的检测模块和可编程模块。所述检测模块包括温控电路和红外信号输入电路。所述控制模块包括控制芯片、控制信号输出电路和输入接口电路；所述控制信号输出电路和输入接口电路分别与所述控制芯片电连接。上述技术方案中的可编程控制系统所达到的功能无法解决现有岩土测试设备，特别是真三轴试验机中应力加载和应变控制中存在的问题。
中国专利(CN101169356A)公开了一种三向独立加载压力室结构的真三轴仪，其中主机部分的轴向压力腔通过液压导管与轴向的压力源压力缸连接，在试样底座的四边侧压力腔都放置有一个液压囊，每个液压囊通过侧压进口导管与侧向的压力源压力缸连接；液压载荷控制部分和测信号采集及控制部分由控制装置统一控制。上述技术方案仅涉及量测信号采集输入及A/D转换器与计算机端的输出，未提及具体控制系统及控制方法。
中国专利(CN105628508A)公开了一种土工真三轴试验高精度应变测量系统及其量测方法，包括大量程激光位移传感器、小量程激光位移传感器、测控计算机、伺服电机、伺服驱动器和滚珠丝杠螺母副系统，采用可以自动调节位置的小量程激光位移传感器与固定位置的大量程激光位移传感器相配合向试验系统提供试样应变测量结果，以伺服电机——滚珠丝杠螺母副系统对小量程激光位移传感器进行位置调节，以小量程激光位移传感器的输出信号作为伺服驱动系统拖动小量程传感器进行位置调节的反馈信号。上述技术方案仅涉及对试验系统中的应变测量精度的改善，而未提及真三轴试验过程中三向主应力互不干扰加载系统和三向主应变、试样体变、孔隙气压力及孔隙水压力等的独立控制和采集、量测等。
发明内容
本发明的目的是提供一种真三轴试验机控制系统，用于对真三轴试验进行岩土测试过程的一体化控制。
本发明的另一目的是提供上述系统的控制方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种真三轴试验机控制系统，包括PC机、采集驱动模块和真三轴数据采集模块；
PC机用于设置试验参数，并将试验参数发送至采集驱动模块，并将采集驱动模块反馈的实验结果进行保存；
真三轴数据采集模块用于采集试验数据，包括真三轴伺服设备和数据采集传感器，数据采集传感器用于采集所需的真三轴伺服设备数据。
采集驱动模块用于将试验参数传输至真三轴伺服设备数据，控制其工作，进行数据采集，同时也对数据采集传感器采集到的数据信号进行处理，并传输到PC机。
本发明第一技术方案的特点还在于，
采集驱动模块包括依次连接的单片机、多路A/D转换电路、模拟信号放大滤波电路，单片机还分别与真三轴伺服设备的驱动装置和PC机连接，多路A/D转换电路与数据采集传感器连接。
真三轴伺服设备包括真三轴伺服电机a、电机b、电机c，以及通过电机驱动工作的相应的液压缸a、液压缸b、液压缸c。
数据采集传感器包括分别与液压缸a、液压缸b、液压缸c连接的荷载传感器a、液压传感器b、液压传感器c。
数据采集传感器还包括用于检测试样各方向位移的位移传感器和底座的孔隙水压力的压力传感器。
单片机与单片机通过USB接口电路连接，USB接口电路的USB转串口芯片型号为FT232BL。
单片机的型号为MC9S12DG128MPVE。
多路A/D转换电路通过AD7327BRUZ构成。
模拟信号放大滤波电路依次通过AD620AR放大器、TL072CD放大器放大信号。
本发明所采用的第二技术方案是，所采用控制系统结构为：包括PC机、采集驱动模块和真三轴数据采集模块；
PC机用于设置试验参数，并将试验参数发送至采集驱动模块，并将采集驱动模块反馈的实验结果进行保存；
真三轴数据采集模块用于采集试验数据，包括真三轴伺服设备和数据采集传感器，数据采集传感器用于采集所需的真三轴伺服设备数据；
真三轴伺服设备包括真三轴伺服电机a、电机b、电机c，以及通过电机驱动工作的相应的液压缸a、液压缸b、液压缸c；
采集驱动模块用于将试验参数传输至真三轴伺服设备数据，控制其工作，进行数据采集，同时也对数据采集传感器采集到的数据信号进行处理，并传输到PC机；
采集驱动模块包括依次连接的单片机、多路A/D转换电路、模拟信号放大滤波电路，单片机还分别与真三轴伺服设备的驱动装置和PC机连接，多路A/D转换电路与数据采集传感器连接；
数据采集传感器包括分别与液压缸a、液压缸b、液压缸c连接的荷载传感器a、液压传感器b、液压传感器c；
数据采集传感器还包括用于检测试样各方向位移的位移传感器和底座的孔隙水压力的压力传感器；
控制方法如下：
试验开始时，在PC机上设定试验参数，并将参数传输至单片机，单片机根据参数传输信号至电机驱动装置，进而控制相应的真三轴电机进行调整；各真三轴电机带动各自相应液压缸运动；同时实时压力传感器及各路位移传感器、荷载传感器a、液压传感器b、液压传感器c采集测量值信号，经模拟信号放大滤波电路放大、多路A/D转换电路转换后传输至单片机，并在PC机中存储，待达到相应试验设定参数后，单片机控制各真三轴电机停止运行，结束试验。
本发明的有益效果是，本发明一种真三轴试验机控制系统，能够很好地实现不同土性的多种状态、应力/应变控制方式、多种应力路径等独立且协调控制加载；实现三向主应力、三向主应变、孔隙水、气压力以及试样体变等自动控制、自动采集和自动量测功能；控制系统稳定可靠，实时响应性良好，适应性强，试验结果对比性强。
附图说明
图1是本发明的控制系统原理图；
图2是本发明采集驱动系统电路图；
图3是本发明实施的单片机流程图；
图4是基于本发明的固结试验流程图；
图5是基于本发明的静力剪切试验流程图。
图中，1.模拟信号放大滤波电路，2.多路A/D转换电路，3.单片机，4.USB接口电路，5.电机驱动电路，6.PC机，7.电机驱动器a，8.电机驱动器b，9.电机驱动器c，10.电机a，11.电机b，12.电机c，13.液压缸a，14.液压缸b，15.液压缸c，16.荷载传感器a，17.液压传感器b，18.液压传感器c，19.位移传感器，20.压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种真三轴试验机控制系统，由集散式全数字多通道闭环微机控制系统、系统硬件组成两部分内容。其中集散式全数字多通道闭环微机控制系统由处于上位的PC机软件、采集驱动模块及电源等部分组成；系统硬件组成包括处于上位的PC机、荷载传感器、压力传感器、液压传感器、位移传感器、电机驱动器、步进电机、液压缸及电源等。
如图1所示，采集驱动模块由MC9S12DG128MPVE单片机构成的最小系统3及相关外围功能电路设计实现。所述相关外围功能电路具体涉及模拟信号放大滤波电路1、多路A/D转换电路2、USB接口电路4、电机驱动电路5。压力传感器19、位移传感器20、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18输出的模拟信号通过AD620AR、TL072CD构成的放大滤波电路1进行放大滤波，再通过AD7327BRUZ构成的多路A/D转换电路2进行A/D采集；USB接口电路4由USB转串口芯片FT232BL设计实现，实现与PC机6通信；电机驱动电路5直接由单片机I/O缓冲驱动实现。采集驱动模块主要实现对系统硬件包含的压力传感器19、位移传感器20、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18输入的模拟量的信号采集，按电机a10、电机b11、电机c12动作要求提供电机驱动信号。同时通过USB接口4实现与PC机6的实时通讯。采集驱动模块实现5ms频次的驱动及采集周期。
PC机软件在Microsoft Visual Basic 6.0中文版集成环境开发，由参数设置、手动控制、试验设置三部分组成。所述参数设置主要实现位移传感器19、压力传感器20、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18、以及安装在液压缸b14、液压缸c 15和试样三个方向的位移传感器19以及底座的孔隙水压力传感器20等校正功能，可矫正系数k及零位偏移量b值。用户进入“参数设置”界面，可具体通过修改k和b值使校正值与外部输入的标准输入量一致，即完成校准。点“保存设置”，将校正后的k、b值、试样高度、试样截面面积、存入“parameter.txt”中，应用于对整个采集数据的校正计算。所述手动控制主要实现荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18以及位移传感器19的实际值，便于对试验初始参数进行设置。用户进入“手动控制”界面，“设定值”数据输入框输入预想达到测量参数目标值，“调整周期”数据输入框输入电机a10、电机b11、电机c12动单步调整周期，数值越小，电机a10、电机b11、电机c12调整速度越快，点击“开始调整”按钮，软件按设计的“设定值”和“调整周期”发送调整指令至采集驱动模块，当达到“设定值”后，自动结束电机a10、电机b11、电机c12调整；如串口接收到采集数据，软件主程序实时对“参数测量”区域的测量值进行更新。所述试验设置主要实现试验类型及控制方式自主选择。用户进入“参数设置”界面，可具体根据试验需求选择固结试验或静力剪切试验，进而进入对应菜单选择等b试验或等b等p试验，及应力控制或应变控制等。如串口接收到采集数据，软件主程序实时对“参数测量”区域的测量值进行更新。
系统硬件包含的电机驱动器a7、电机驱动器b8、电机驱动器c 9受上位PC机6软件对采集驱动模块MC9S12DG128MPVE单片机构成的最小系统3发送控制指令，再通过电机驱动电路5控制，发出指令控制电机a10、电机b11、电机c12动作，进而调整液压缸a13、液压缸b14、液压缸c 15内油压或水压发生变化，荷载传感器a16实时记录液压缸a13内油压值，液压传感器b17和液压传感器c18记录液压缸b14、液压缸c15内水压力值，以及安装在液压缸b14、液压缸c15和试样三个方向的位移传感器19以及底座的孔隙水压力传感器20模拟信号，通过上述采集驱动模块与PC机6交互。
PC机6为具有USB接口计算机即可满足要求；位移传感器19、压力传感器20、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18选用标准电量传感器，满足量程、精度、响应时间要求；电机a10、电机b11、电机c12选用DM368，满足对执行机构的力矩及速度要求；电机驱动器a7、电机驱动器b8、电机驱动器c 9选择与步进电机a10、电机b11、电机c12配套使用的DMDT506；电源提供系统所需的各种直流电源(AC220V、36V、24V、±12V、5V)。
图2为本发明采集驱动系统电路图。压力传感器20供电通过LM1117-ADJ对电源进行三端线性稳压，提供精准的供电电源。压力传感器19输出的微弱毫伏信号首先通过电容、磁珠构成的π型滤波器进行滤波，再送入AD620AR进行差分放大。AD620AR是一款低成本、高精度仪表放大器,具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0.6μV/℃)特性，它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，图2增益设置为50倍。AD620AR放大输出再通过TL072CD运放进行再次放大，放大倍数可通过负反馈电位器VR1进行调节，同时通过VR2可对输出零位进行调节，最后通过TL072CD构成的跟随电机驱动电路5将放大后的信号送入多路A/D转换电路2。
位移传感器19输出的电压信号直接通过TL072CD传输到多路A/D转换电路2。
采集放大后的模拟量，通过多路A/D转换电路2进行数模转换，多路A/D转换电路2采用AD7327BRUZ设计，AD7327BRUZ具有500kSPS、8通道、软件可选的真双极性输入、13位A/D转换器。AD7327BRUZ与MC9S12DG128MPVE单片机通过串行外设接口SPI接口连接。
电机驱动链路5通过电机驱动模块DMDT506直接驱动，电机驱动器a7、电机驱动器b8、电机驱动器c 9和电机a10、电机b11、电机c 12采用三线制连接方法。单片机IO与电机驱动模块直接连接。
图3为本发明实施的单片机流程图。MC9S12DG128MPVE单片机3软件，在CodeWarrior IDE集成环境使用c语言开发，主要实现两项功能：其一，压力传感器20及各路位移传感器19、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18模拟信号实时采集(5ms采集周期)，并通过USB接口实时上报；其二，按PC机6下发的电机驱动指令要求，对电机a10、电机b11、电机c12提供所需的方向、步进脉冲等信号。
图4为基于本发明的固结试验流程图。具体步骤如下：
1、固结试验开始时，在PC机6上设定固结参数，并将参数传输至单片机3，单片机3根据参数经电机驱动电路5，分别传输至电机驱动器，进而控制相应的步进电机进行调整；步进电机带动各自相应液压缸运动；同时实时采集压力传感器19及各路位移传感器20、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18测量值信号，经模拟信号放大滤波电路1放大、多路A/D转换电路转换后传输至单片机3，并在PC机6中存储，采取1s时间采集数据取平均并暂存；
2、将按参数设置的固结时间设定值进行倒计时并显示；
3、判断固结时间是否到达设定值；若是，执行步骤64，否则转向步骤1；
4、发送电机停止指令；
5、内存数据存入Excel文件中；
6、退出。
图5为基于本发明的静力剪切试验流程图，包括以下步骤：
1、静力剪切试验开始时，在PC机6上设定试验参数，并将参数传输至单片机3，单片机3根据参数经电机驱动电路5，分别传输至电机驱动器，进而控制相应的步进电机进行调整；步进电机带动各自相应液压缸运动；同时实时采集压力传感器19及各路位移传感器20、荷载传感器a16、液压传感器b17、液压传感器c18测量值信号，经模拟信号放大滤波电路1放大、多路A/D转换电路转换后传输至单片机3，并在PC机6中存储，采取1s时间采集数据取平均并暂存；
2、实时窗口显示试验进行时间39；
3、实时更新图形窗口显示试验三个方向应力-变形曲线40；
4、根据试验参数设定条件，判断应变量或轴向应力值是否到达设定值；若是，执行步骤5，否则转向步骤1；或直接结束试验；
5、发送电机停止指令；
6、内存数据存入Excel文件中；
7、退出。
本发明采用独立完成多参量控制、多数据采集等任务，实现了伺服控制系统中各通路“并行”工作，使所执行任务分散完成后再集中加工、多机并行、协调处理，故障率低，可靠性高，同时确保协调加载系统的实时响应性能良好，适应性强，试验结果对比性强。

Claims (10)

1.一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，包括PC机、采集驱动模块和真三轴数据采集模块；
所述PC机用于设置试验参数，并将试验参数发送至采集驱动模块，并将采集驱动模块反馈的实验结果进行保存；
真三轴数据采集模块用于采集试验数据，包括真三轴伺服设备和数据采集传感器，数据采集传感器用于采集所需的真三轴伺服设备数据。
采集驱动模块用于将试验参数传输至真三轴伺服设备数据，控制其工作，进行数据采集，同时也对数据采集传感器采集到的数据信号进行处理，并传输到PC机。
2.根据权利要求1所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述采集驱动模块包括依次连接的单片机(3)、多路A/D转换电路(2)、模拟信号放大滤波电路(1)，单片机(3)还分别与真三轴伺服设备的驱动装置和PC机连接，多路A/D转换电路(2)与数据采集传感器连接。
3.根据权利要求1所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述真三轴伺服设备包括真三轴伺服电机a(10)、电机b(11)、电机c(12)，以及通过电机驱动工作的相应的液压缸a(13)、液压缸b(14)、液压缸c(15)。
4.根据权利要求3所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述数据采集传感器包括分别与液压缸a(13)、液压缸b(14)、液压缸c(15)连接的荷载传感器a(16)、液压传感器b(17)、液压传感器c(18)。
5.根据权利要求3所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述数据采集传感器还包括用于检测试样各方向位移的位移传感器(19)和底座的孔隙水压力的压力传感器(20)。
6.根据权利要求2所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述单片机(3)与单片机通过USB接口电路(4)连接，USB接口电路(4)的USB转串口芯片型号为FT232BL。
7.根据权利要求2所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述单片机(3)的型号为MC9S12DG128MPVE。
8.根据权利要求2所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述多路A/D转换电路(2)通过AD7327BRUZ构成。
9.根据权利要求2所述的一种真三轴试验机控制系统，其特征在于，所述模拟信号放大滤波电路(1)依次通过AD620AR放大器、TL072CD放大器放大信号。
10.一种真三轴试验机控制系统的控制方法，其特征在于，所采用控制系统结构为：包括PC机、采集驱动模块和真三轴数据采集模块；
所述PC机用于设置试验参数，并将试验参数发送至采集驱动模块，并将采集驱动模块反馈的实验结果进行保存；
真三轴数据采集模块用于采集试验数据，包括真三轴伺服设备和数据采集传感器，数据采集传感器用于采集所需的真三轴伺服设备数据；
真三轴伺服设备包括真三轴伺服电机a(10)、电机b(11)、电机c(12)，以及通过电机驱动工作的相应的液压缸a(13)、液压缸b(14)、液压缸c(15)；
采集驱动模块用于将试验参数传输至真三轴伺服设备数据，控制其工作，进行数据采集，同时也对数据采集传感器采集到的数据信号进行处理，并传输到PC机；
采集驱动模块包括依次连接的单片机(3)、多路A/D转换电路(2)、模拟信号放大滤波电路(1)，单片机(3)还分别与真三轴伺服设备的驱动装置和PC机连接，多路A/D转换电路(2)与数据采集传感器连接；
数据采集传感器包括分别与液压缸a(13)、液压缸b(14)、液压缸c(15)连接的荷载传感器a(16)、液压传感器b(17)、液压传感器c(18)；
数据采集传感器还包括用于检测试样各方向位移的位移传感器(19)和底座的孔隙水压力的压力传感器(20)；
控制方法如下：
试验开始时，在PC机(6)上设定试验参数，并将参数传输至单片机(3)，单片机(3)根据参数传输信号至电机驱动装置，进而控制相应的真三轴电机进行调整；各真三轴电机带动各自相应液压缸运动；同时实时压力传感器(19)及各路位移传感器(20)、荷载传感器a(16)、液压传感器b(17)、液压传感器c(18)采集测量值信号，经模拟信号放大滤波电路(1)放大、多路A/D转换电路(2)转换后传输至单片机(3)，并在PC机(6)中存储，待达到相应试验设定参数后，单片机(3)控制各真三轴电机停止运行，结束试验。
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