CN111677716B - 一种液压试验台的主被动加载控制方法 - Google Patents

一种液压试验台的主被动加载控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种液压试验台的主被动加载控制方法，采用前馈‑反馈复合控制方法对加载力实时控制，根据检测到设定加载力，计算主被动比例溢流阀的计算电流值，并将此值作为前馈控制的输出值，通过自适应均值滤波器分别对有杆腔压力和无杆腔压力进行滤波处理，计算实际加载力，将设定加载力和实际加载力作差后，经过专家PID运算后，将前馈控制的输出值和反馈控制的输出值叠加，向主被动比例溢流阀输出，从而完成主被动加载，该方法不仅可以实现主被动加载，加载力实施了闭环反馈控制，增强了控制系统准确性与稳定性。

Description

一种液压试验台的主被动加载控制方法
技术领域
本发明涉及属于自动控制技术领域，尤其涉及一种液压试验台的主被动加载控制方法。
背景技术
液压阀作为液压系统中的核心零部件，在液压传动与控制技术中起着关键作用。液压阀可以分为方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀等，液压阀的性能直接影响着液压系统的传递效率、控制精度、动态响应等，进而影响整机的使用性能，因此，需要对液压阀的压力、流量、动态响应、死区、滞环等参数进行测试试验。
目前，较为常用的液压阀测试试验分为两种，一种是在不含液压执行器的液压试验台上测试液压阀的各项基本参数，进而评价其性能；另一种是包含液压执行器的液压试验台，将液压阀控液压执行器作为一个系统进行测试，对液压执行器施加相应载荷，从而测试液压阀在液压系统中的各项基本参数，进而评价液压阀性能。在液压阀控液压执行器的系统测试试验台中，需要对液压执行器施加主动型负载和被动型负载，如果液压执行器是液压马达，则需要另一个加载液压马达或加载电机进行加载；如果液压执行器是液压缸，则需要另一个加载液压缸进行加载。在加载的过程中，仍然需要液压阀控制加载液压执行器，然而，液压阀往往存在着死区、滞环、回差等非线性因素的影响，造成控制精度较低，因此，亟需一种高效、合理的控制方法，无论是对主动型负载，还是对被动型负载，加载系统都能快速施加准确、稳定的外部载荷。
发明内容
本发明公开一种液压试验台的主被动加载控制方法，解决了传统控制方法控制精度较低的问题，能够快速、准确且稳定的实现主动型加载和被动型加载。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开一种液压试验台的主被动加载控制方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化，将控制系统初始化，检查系统工作是否正常，如果不正常，不向下执行，并报警；如果正常，向下执行；
步骤2：数据采集，控制器通过操作箱上的操作按钮、位移传感器、加载缸有杆腔压力传感器、被动比例溢流阀压力传感器、加载缸无杆腔压力传感器采集相关信号，然后进入下一步；
步骤4：主动/被动模式判断，通过操作箱上的主动/被动切换按钮判断是否为主动模式，如为主动模式，则进入步骤5.1；如为被动模式，则进入5.2；
步骤5.1：主动模式中加载液压缸缩回/伸出模式判断，主动模式开启后，控制器通过操作箱上的加载液压缸缩回/伸出切换按钮判断加载液压缸是否为伸出运动，如为伸出运动，则进入步骤5.1.1；如为缩回运动，则进入步骤5.1.2；
步骤5.1.1：主动模式中伸出运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸的设定速度值v，并将此速度值v转化为主动比例阀右位电磁铁ST5的输入电流值，通过控制器向主动比例阀右位电磁铁ST5发出相应电流信号，从而使主动比例阀控制加载液压缸的活塞杆伸出，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮检测到设定加载力FL，并根据公式(1)计算主动比例溢流阀的计算电流值Ia，并将计算电流值Ia作为前馈控制的输出值，同时，控制器通过加载缸有杆腔压力传感器和加载缸无杆腔压力传感器检测加载液压缸的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(2)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值Ib，将前馈控制的输出值Ia和反馈控制的输出值Ib叠加后通过控制器输出至主动比例溢流阀电磁铁ST6，从而驱动主动比例溢流阀运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸的伸出加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，然后，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000021
Fs＝PbAb-PaAa (2)
其中，(1)和(2)式中，Ia为主动比例溢流阀的计算电流值，K1为主动比例溢流阀的输出压力和输入电流的比例因子，K2为主动比例阀的输出流量与阀芯位移的比例因子，C1为主动比例阀的流量系数，W1为主动比例阀的面积梯度，FL为设定加载力，FS为实际加载力，ρ为液压油密度，Aa为加载液压缸的有杆腔面积，Ab为加载液压缸的无杆腔面积，Pa为加载液压缸的有杆腔压力，Pb为加载液压缸的无杆腔压力；
步骤5.1.2：主动模式中缩回运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸的设定速度值v，并将此速度值v转化为主动比例阀左位电磁铁ST4的输入电流值，通过控制器向主动比例阀左位电磁铁ST4发出相应电流信号，从而使主动比例阀控制加载液压缸的活塞杆缩回，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮检测到设定加载力FL，并根据公式(3)计算主动比例溢流阀的计算电流值Ia，并将计算电流值Ia作为前馈控制的输出值，同时，控制器通过加载缸有杆腔压力传感器和加载缸无杆腔压力传感器检测加载液压缸的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(4)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值Ib，将前馈控制的输出值Ia和反馈控制的输出值Ib叠加后通过控制器输出至主动比例溢流阀电磁铁ST6，从而驱动主动比例溢流阀运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸的缩回加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000031
Fs＝PaAa-PbAb (4)
公式(3)和(4)中所有参数所表达的含义与公式(1)和(2)相同；
步骤5.2：被动模式中加载液压缸缩回/伸出模式判断，被动模式开启后，控制器通过操作箱上的加载液压缸缩回/伸出切换按钮判断加载液压缸是否为伸出运动，如为伸出运动，则进入步骤5.2.1；如为缩回运动，则进入步骤5.2.2；
步骤5.2.1：被动模式中伸出运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸的设定速度值v，并将此速度值v转化为被动比例阀右位电磁铁ST2的输入电流值，通过控制器向被动比例阀右位电磁铁ST2发出相应电流信号，则可以保证工作液压缸通过联轴器拉动加载液压缸的活塞杆顺利伸出，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮和补油压力设定按钮检测到设定加载力FL和设定的补油压力PY，并根据公式(5)计算被动比例溢流阀的计算电流值IP，并将计算电流值IP作为前馈控制的输出值，同时，控制器通过加载缸有杆腔压力传感器和加载缸无杆腔压力传感器检测加载液压缸的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(4)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值IM，将前馈控制的输出值IP和反馈控制的输出值IM叠加后通过控制器输出至被动比例溢流阀电磁铁ST3，从而驱动被动比例溢流阀运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸的伸出加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000041
式中，IP为被动比例溢流阀的计算电流值，PY为设定的补油压力，K3为被动比例溢流阀的输出压力和输入电流的比例因子，K4为被动比例阀的输出流量与阀芯位移的比例因子，C2为被动比例阀的流量系数，W2为被动比例阀的面积梯度，其他参数与式(1)相同；
步骤5.2.2：被动模式中缩回运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸的设定速度值v，并将此速度值v转化为被动比例阀左位电磁铁ST1的输入电流值，通过控制器向被动比例阀左位电磁铁ST1发出相应电流信号，则可以保证工作液压缸通过联轴器拉动加载液压缸的活塞杆顺利缩回，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮和补油压力设定按钮检测到设定加载力FL和设定的补油压力PY，并根据公式(6)计算被动比例溢流阀的计算电流值IP，并将计算电流值IP作为前馈控制的输出值，同时，控制器通过加载缸有杆腔压力传感器和加载缸无杆腔压力传感器检测加载液压缸的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(2)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值IM，将前馈控制的输出值IP和反馈控制的输出值IM叠加后通过控制器输出至被动比例溢流阀电磁铁ST3，从而驱动被动比例溢流阀运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸的缩回加载是否完成，如没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000051
公式(6)中所有参数的表达含义与公式(5)相同；
步骤6：主被动加载完成，记录相关检测数据，停止测试；
进一步地，所述自适应均值滤波器的滤波处理过程为：将输入信号进行微分处理，提取输入信号的变化速率，并通过调节匹配参数KT将变化速率vT与均值滤波器的滤波个数n相匹配，可以根据公式(7)计算滤波个数n，然后根据公式(8)计算当前输出信号值，并将其输出；
Figure BDA0002498683100000052
Figure BDA0002498683100000053
其中，(7)和(8)式中，n均值滤波器的滤波数，T0输入信号的间隔时间，KT为调节匹配参数，D(k)为当前时间输入信号，D(k-1)为比当前早1个时间间隔T0的输入信号，D(k-n)为比当前早n个时间间隔时间T0的输入信号，O(k)为自适应均值滤波器的当前输出信号，round为取整函数。
进一步地，所述专家PID，其特征在于：共分为五个区域为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，e(k)为离散化的当前采样时刻的误差值，△e(k)为当前误差变化率，M1、M2、ε分别误差设定值，区域划分原则如下：
区域Ⅰ：当∣e(k)∣>M1时，专家PID的输出为u(k)＝umax；
区域Ⅱ：当e(k)△e(k)>0，且M1>∣e(k)∣≥M2时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KPmax[e(k)-e(k-1)]，其中Kpmax为调节参数，其值尽量大；
区域Ⅲ：当e(k)△e(k)>0，且M2>∣e(k)∣≥ε时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)，其中Kp、KI为调节参数，其值适中；
区域Ⅳ：当e(k)△e(k)<0，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)，控制器的输出保持不变；
区域Ⅴ：当∣e(k)∣<ε时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KIe(k)，其中KI为调节参数，其值较小。
有益技术效果：
1、本发明公开的一种液压试验台的主被动加载控制方法不但适用于主动型载荷加载，而且适用于被动型载荷加载，在加载的过程中采用了预先计算输出值的前馈控制，可以有效提高控制系统的动态响应，使得加载过程更加快速；
2、本发明公开的一种液压试验台的主被动加载控制方法中采用了自适应均值滤波器对压力信号进行了滤波处理，有效避免了外部扰动；
3、本发明公开的一种液压试验台的主被动加载控制方法采用了专家PID控制算法对，对加载力实施了闭环反馈控制，增强了控制系统准确性与稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的硬件液压原理图；
图2为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的电控系统结构组成图；
图3为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的控制流程示意图；
图4为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的主动模式加载力自动控制模块方框图
图5为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的主动模式加载液压缸伸出工况相关参数示意图；
图6为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的主动模式加载液压缸缩回工况相关参数示意图；
图7为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的被动模式加载力自动控制模块方框图；
图8为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的被动模式加载液压缸伸出工况相关参数示意图；
图9为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的被动模式加载液压缸缩回工况相关参数示意图；
图10为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的自适应均值滤波器原理示意图；
图11为本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的专家PID参数调节区域细分示意图。
其中，1-位移传感器，2-工作液压缸，3-联轴器，4-加载缸有杆腔压力传感器，5-被动比例溢流阀压力传感器，6-测试阀，7-被动比例阀，8-测试系统泵源，9-二位二通补油阀，10-吸油单向阀，11-油箱，12-液压源，13-补油单向阀，14-被动比例溢流阀，15-主动比例溢流阀，16-主动比例阀，17-主动比例溢流阀压力传感器，18-加载缸无杆腔压力传感器，19-加载液压缸，20-控制器，21-操作箱。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
如图1所示的是本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的硬件液压原理图，液压系统包括位移传感器1、工作液压缸2、联轴器3、加载缸有杆腔压力传感器4、被动比例溢流阀压力传感器5、测试阀6、被动比例阀7、测试系统泵源8、二位二通补油阀9、吸油单向阀10、油箱11、液压源12、补油单向阀13、被动比例溢流阀14、主动比例溢流阀15、主动比例阀16、主动比例溢流阀压力传感器17、加载缸无杆腔压力传感器18、加载液压缸19和控制器20，位移传感器1安装于工作液压缸2上，工作液压缸2的活塞杆和加载液压缸19的活塞杆通过联轴器3相连，测试阀6的第一工作油口A、第二工作油口B分别与工作液压缸2的无杆腔油口A、有杆腔油口B相连，测试阀6的进油口P、回油口T、负载敏感口LS分别与测试系统泵源8的进油口P、回油口T、负载敏感口LS相连，加载缸有杆腔压力传感器4、加载缸无杆腔压力传感器18分别安装于加载液压缸19的有杆腔油口A、无杆腔油口B，被动比例阀7的第一工作油口A、主动比例阀16的第一工作油口A、加载液压缸19的有杆腔油口A通过液压管路相连，被动比例阀7的第二工作油口B、主动比例阀16的第二工作油口B、加载液压缸19的无杆腔油口B通过液压管路相连，吸油单向阀10的出油口A、二位二通补油阀9的出油口A、被动比例阀7的进油口P通过液压管路相连，被动比例阀7的回油口T、被动比例溢流阀压力传感器5的进油口P、被动比例溢流阀14的进油口P通过液压管路相连，吸油单向阀10的进油口P与油箱11通过液压管路相连，二位二通补油阀9的进油口P和补油单向阀13的出油口A通过液压管路相连，补油单向阀13的进油口P、主动比例阀16的进油口P、主动比例溢流阀15的进油口P和液压源12通过液压管路相连，主动比例阀16的回油口T、主动比例溢流阀15的出油口A、被动比例溢流阀14的出油口A和油箱11通过液压管路相连。
如图2所示，一种液压试验台的主被动加载控制方法的电控系统包括控制器20、位移传感器1、加载缸有杆腔压力传感器4、被动比例溢流阀压力传感器5、主动比例溢流阀压力传感器17、加载缸无杆腔压力传感器18、操作箱21、主动比例阀16左位电磁铁ST4、主动比例阀16右位电磁铁ST5、被动比例阀7左位电磁铁ST1、被动比例阀7右位电磁铁ST2、主动比例溢流阀15电磁铁ST6、被动比例溢流阀14电磁铁ST3和二位二通补油阀9电磁铁DT，操作箱21上装有操作按钮，如“起停”按钮、“加载力设定”按钮、“补油压力设定”按钮、“速度设定”按钮、“报警”按钮和“紧急制动”按钮等，操作箱21的操作按钮通过电线与控制器20的输入端子相连，位移传感器1、加载缸有杆腔压力传感器4、加载缸无杆腔压力传感器18、主动比例溢流阀压力传感器17、被动比例溢流阀压力传感器5的输出端子通过电线与控制器20的输入端子相连，主动比例阀16左位电磁铁ST4、主动比例阀16右位电磁铁ST5、被动比例阀7左位电磁铁ST1、被动比例阀7右位电磁铁ST2、主动比例溢流阀15电磁铁ST6、被动比例溢流阀14电磁铁ST3和二位二通补油阀9电磁铁DT的输入端子通过电线与控制器20的输出端子相连。
本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法的硬件液压系统和电控系统的工作原理是，测试阀6作为测试系统的控制元件，可以控制工作液压缸2的伸出和缩回动作，测试系统泵源8为测试阀6提供动力，通过位移传感器1、集成在测试阀6上的压力传感器、集成在测试系统泵源8上的流量计可以对工作液压缸2的位移、测试阀6的各个油口压力、测试系统泵源8的流量进行测试，从而完成测试系统的压力、流量、动态响应、死区等参数的测试，进而评估测试阀6的性能，加载液压缸19通过联轴器3可以向工作液压缸2施加主动型负载和被动型负载，主动型负载依靠液压源12、主动比例溢流阀15、主动比例阀16可以实现加载液压缸19在伸出和缩回运动下的主动型载荷加载，如当工作液压缸2的活塞杆伸出时，工作液压缸2的活塞杆将通过联轴器3推动加载液压缸19的活塞杆作缩回运动，此时，根据操作箱21上的加载力设定按钮所设定的加载力，调节主动比例溢流阀15的电磁铁ST6设定相应压力，并通过控制器20向主动比例阀16左位电磁铁ST3输入相应电流值，则高压液压油从液压源12输入，经过主动比例阀16的进油口P，高压液压油流入加载液压缸19的有杆腔，并经过加载液压缸19的无杆腔、主动比例阀16的回油口T后，流回油箱11，由于加载液压缸19的有杆腔为高压、无杆腔为低压，由于存在压差，液压油将推动加载液压缸19的活塞杆产生缩回运动，由于联轴器3的存在，加载液压缸19的活塞杆拉动工作液压缸2的活塞杆一起运动，从而产生主动载荷，同理，工作液压缸2的活塞杆缩回时，仍然可以产生主动载荷；被动型负载依靠液压源12、被动比例溢流阀14、被动比例阀7、二位二通补油阀9、吸油单向阀10、补油单向阀13可以实现加载液压缸19在伸出和缩回运动下的被动型载荷加载，如当需要被动加载时，首先，根据操作箱21上的“补油压力设定”按钮，通过控制器20，调节主动比例溢流阀15的电磁铁ST6设定相应补压力，并使二位二通补油阀9电磁铁DT得电，从而使补油回路导通，当工作液压缸2的活塞杆伸出时，工作液压缸2的活塞杆将通过联轴器3推动加载液压缸19的活塞杆作缩回运动，调节被动比例溢流阀14的电磁铁ST3设定相应压力，并通过控制器20向被动比例阀7左位电磁铁ST1输入相应电流值，使液压油一路从吸油单向阀10进入系统，另一路从二位二通补油阀9进入系统，两路液压油汇成一路后，经过被动比例阀7的进油口P进入加载液压缸19的有杆腔，此有杆腔为低压油，加载液压缸19的活塞杆的缩回运动迫使有杆腔的液压油经被动比例阀7的回油口P，进入被动比例溢流阀14的进油口P，此处由于被动比例溢流阀14的输入电流设定值较高，因此，将会产生高压，进而会造成加载液压缸19的无杆腔产生高压，由于加载液压缸19的有杆腔为低压，则两腔压力存在压差，造成了加载液压缸19的活塞杆通过联轴器3向工作液压缸2施加被动型负载，同理，工作液压缸2的活塞杆缩回时，仍然可以产生被动载荷。
本发明一种液压试验台的主被动加载控制方法特的具体步骤如下：
步骤1：初始化，将控制系统初始化，检查系统工作是否正常，如果不正常，不向下执行，并报警；如果正常，向下执行；
步骤2：数据采集，控制器20通过操作箱上的操作按钮、位移传感器1、加载缸有杆腔压力传感器4、被动比例溢流阀压力传感器5、加载缸无杆腔压力传感器18采集相关信号，然后进入下一步；
步骤4：主动/被动模式判断，通过操作箱上的主动/被动切换按钮判断是否为主动模式，如为主动模式，则进入步骤5.1；如为被动模式，则进入5.2；
步骤5.1：主动模式中加载液压缸19缩回/伸出模式判断，主动模式开启后，控制器通20过操作箱上的加载液压缸19缩回/伸出切换按钮判断加载液压缸19是否为伸出运动，如为伸出运动，则进入步骤5.1.1；如为缩回运动，则进入步骤5.1.2；
步骤5.1.1：主动模式中伸出运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸19的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸19的设定速度值v，并将此速度值v转化为主动比例阀16右位电磁铁ST5的输入电流值，通过控制器20向主动比例阀16右位电磁铁ST5发出相应电流信号，从而使主动比例阀16控制加载液压缸19的活塞杆伸出，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮检测到设定加载力FL，并根据公式(1)计算主动比例溢流阀15的计算电流值Ia，并将计算电流值Ia作为前馈控制的输出值，同时，控制器20通过加载缸有杆腔压力传感器4和加载缸无杆腔压力传感器18检测加载液压缸19的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(2)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值Ib，将前馈控制的输出值Ia和反馈控制的输出值Ib叠加后通过控制器20输出至主动比例溢流阀15电磁铁ST6，从而驱动主动比例溢流阀15运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸19的伸出加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，然后，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000121
Fs＝PbAb-PaAa (2)
其中，(1)和(2)式中，Ia为主动比例溢流阀的计算电流值，K1为主动比例溢流阀的输出压力和输入电流的比例因子，K2为主动比例阀的输出流量与阀芯位移的比例因子，C1为主动比例阀的流量系数，W1为主动比例阀的面积梯度，FL为设定加载力，FS为实际加载力，ρ为液压油密度，Aa为加载液压缸的有杆腔面积，Ab为加载液压缸的无杆腔面积，Pa为加载液压缸的有杆腔压力，Pb为加载液压缸的无杆腔压力；
步骤5.1.2：主动模式中缩回运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸19的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸19的设定速度值v，并将此速度值v转化为主动比例阀16左位电磁铁ST4的输入电流值，通过控制器20向主动比例阀16左位电磁铁ST4发出相应电流信号，从而使主动比例阀16控制加载液压缸19的活塞杆缩回，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮检测到设定加载力FL，并根据公式3计算主动比例溢流阀15的计算电流值Ia，并将计算电流值Ia作为前馈控制的输出值，同时，控制器20通过加载缸有杆腔压力传感器4和加载缸无杆腔压力传感器18检测加载液压缸19的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(4)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值Ib，将前馈控制的输出值Ia和反馈控制的输出值Ib叠加后通过控制器20输出至主动比例溢流阀15电磁铁ST6，从而驱动主动比例溢流阀15运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸19的缩回加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000122
Fs＝PaAa-PbAb (4)
公式(3)和(4)中所有参数所表达的含义与公式(1)和(2)相同；
步骤5.2：被动模式中加载液压缸19缩回/伸出模式判断，被动模式开启后，控制器20通过操作箱上的加载液压缸19缩回/伸出切换按钮判断加载液压缸19是否为伸出运动，如为伸出运动，则进入步骤5.2.1；如为缩回运动，则进入步骤5.2.2；
步骤5.2.1：被动模式中伸出运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸19的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸19的设定速度值v，并将此速度值v转化为被动比例阀7右位电磁铁ST2的输入电流值，通过控制器20向被动比例阀7右位电磁铁ST2发出相应电流信号，则可以保证工作液压缸19通过联轴器拉动加载液压缸19的活塞杆顺利伸出，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮和补油压力设定按钮检测到设定加载力FL和设定的补油压力PY，并根据公式(5)计算被动比例溢流阀14的计算电流值IP，并将计算电流值IP作为前馈控制的输出值，同时，控制器20通过加载缸有杆腔压力传感器4和加载缸无杆腔压力传感器18检测加载液压缸19的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(4)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值IM，将前馈控制的输出值IP和反馈控制的输出值IM叠加后通过控制器20输出至被动比例溢流阀14电磁铁ST3，从而驱动被动比例溢流阀14运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸19的伸出加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000131
式中，IP为被动比例溢流阀的计算电流值，PY为设定的补油压力，K3为被动比例溢流阀的输出压力和输入电流的比例因子，K4为被动比例阀的输出流量与阀芯位移的比例因子，C2为被动比例阀的流量系数，W2为被动比例阀的面积梯度，其他参数与式(1)相同；
步骤5.2.2：被动模式中缩回运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸19的设定速度值v，并将此速度值v转化为被动比例阀7左位电磁铁ST1的输入电流值，通过控制器20向被动比例阀7左位电磁铁ST1发出相应电流信号，则可以保证工作液压缸19通过联轴器拉动加载液压缸19的活塞杆顺利缩回，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮和补油压力设定按钮检测到设定加载力FL和设定的补油压力PY，并根据公式(6)计算被动比例溢流阀14的计算电流值IP，并将计算电流值IP作为前馈控制的输出值，同时，控制器20通过加载缸有杆腔压力传感器4和加载缸无杆腔压力传感器18检测加载液压缸19的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(2)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值IM，将前馈控制的输出值IP和反馈控制的输出值IM叠加后通过控制器20输出至被动比例溢流阀14电磁铁ST3，从而驱动被动比例溢流阀14运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸19的缩回加载是否完成，如没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；
Figure BDA0002498683100000141
公式(6)中所有参数的表达含义与公式(5)相同；
步骤6：主被动加载完成，记录相关检测数据，停止测试；
作为本发明的一个实施例，自适应均值滤波器的滤波处理过程为：将输入信号进行微分处理，提取输入信号的变化速率，并通过调节匹配参数KT将变化速率vT与均值滤波器的滤波个数n相匹配，可以根据公式(7)计算滤波个数n，然后根据公式(8)计算当前输出信号值，并将其输出；
Figure BDA0002498683100000151
Figure BDA0002498683100000152
其中，(7)和(8)式中，n均值滤波器的滤波数，T0输入信号的间隔时间，KT为调节匹配参数，D(k)为当前时间输入信号，D(k-1)为比当前早1个时间间隔T0的输入信号，D(k-n)为比当前早n个时间间隔时间T0的输入信号，O(k)为自适应均值滤波器的当前输出信号，round为取整函数。
作为本发明的一个实施例，专家PID共分为五个区域为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，e(k)为离散化的当前采样时刻的误差值，△e(k)为当前误差变化率，M1、M2、ε分别误差设定值，区域划分原则如下：
区域Ⅰ：当∣e(k)∣>M1时，专家PID的输出为u(k)＝umax；
区域Ⅱ：当e(k)△e(k)>0，且M1>∣e(k)∣≥M2时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KPmax[e(k)-e(k-1)]，其中Kpmax为调节参数，其值尽量大；
区域Ⅲ：当e(k)△e(k)>0，且M2>∣e(k)∣≥ε时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)，其中Kp、KI为调节参数，其值适中；
区域Ⅳ：当e(k)△e(k)<0，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)，控制器的输出保持不变；
区域Ⅴ：当∣e(k)∣<ε时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KIe(k)，其中KI为调节参数，其值较小。
在方法中所用到的专家PID，其调节原则根据上述五个区域细分原则进行调节，需要根据实际情况进行调试确定相关参数。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种液压试验台的主被动加载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：初始化，将控制系统初始化，检查系统工作是否正常，如果不正常，不向下执行，并报警；如果正常，向下执行；
步骤2：数据采集，控制器(20)通过操作箱上的操作按钮、位移传感器(1)、加载缸有杆腔压力传感器(4)、被动比例溢流阀压力传感器(5)、加载缸无杆腔压力传感器(18)采集相关信号，然后进入下一步；
步骤3：主动/被动模式判断，通过操作箱上的主动/被动切换按钮判断是否为主动模式，如为主动模式，则进入步骤4.1；如为被动模式，则进入4.2；
步骤4.1：主动模式中加载液压缸(19)缩回/伸出模式判断，主动模式开启后，控制器(20)通过操作箱上的加载液压缸(19)缩回/伸出切换按钮判断加载液压缸(19)是否为伸出运动，如为伸出运动，则进入步骤4.1.1；如为缩回运动，则进入步骤4.1.2；
步骤4.1.1：主动模式中伸出运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸(19)的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸(19)的设定速度值v，并将此速度值v转化为主动比例阀(16)右位电磁铁ST5的输入电流值，通过控制器(20)向主动比例阀(16)右位电磁铁ST5发出相应电流信号，从而使主动比例阀(16)控制加载液压缸(19)的活塞杆伸出，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮检测到设定加载力FL，并根据公式(1)计算主动比例溢流阀(15)的计算电流值Ia，并将计算电流值Ia作为前馈控制的输出值，同时，控制器(20)通过加载缸有杆腔压力传感器(4)和加载缸无杆腔压力传感器(18)检测加载液压缸(19)的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(2)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值Ib，将前馈控制的输出值Ia和反馈控制的输出值Ib叠加后通过控制器(20)输出至主动比例溢流阀(15)电磁铁ST6，从而驱动主动比例溢流阀(15)运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸(19)的伸出加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，然后，进入步骤6；
Figure FDA0003411805700000021
Fs＝PbAb-PaAa (2)
其中，(1)和(2)式中，Ia为主动比例溢流阀的计算电流值，K1为主动比例溢流阀的输出压力和输入电流的比例因子，K2为主动比例阀的输出流量与阀芯位移的比例因子，C1为主动比例阀的流量系数，W1为主动比例阀的面积梯度，FL为设定加载力，FS为实际加载力，ρ为液压油密度，Aa为加载液压缸的有杆腔面积，Ab为加载液压缸的无杆腔面积，Pa为加载液压缸的有杆腔压力，Pb为加载液压缸的无杆腔压力；
步骤4.1.2：主动模式中缩回运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸(19)的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸(19)的设定速度值v，并将此速度值v转化为主动比例阀(16)左位电磁铁ST4的输入电流值，通过控制器(20)向主动比例阀(16)左位电磁铁ST4发出相应电流信号，从而使主动比例阀(16)控制加载液压缸(19)的活塞杆缩回，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮检测到设定加载力FL，并根据公式(3)计算主动比例溢流阀(15)的计算电流值Ia，并将计算电流值Ia作为前馈控制的输出值，同时，控制器(20)通过加载缸有杆腔压力传感器(4)和加载缸无杆腔压力传感器(18)检测加载液压缸(19)的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(4)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值Ib，将前馈控制的输出值Ia和反馈控制的输出值Ib叠加后通过控制器(20)输出至主动比例溢流阀(15)电磁铁ST6，从而驱动主动比例溢流阀(15)运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸(19)的缩回加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，进入步骤5；
Figure FDA0003411805700000031
Fs＝PaAa-PbAb (4)
公式(3)和(4)中所有参数所表达的含义与公式(1)和(2)相同；
步骤4.2：被动模式中加载液压缸(19)缩回/伸出模式判断，被动模式开启后，控制器(20)通过操作箱上的加载液压缸(19)缩回/伸出切换按钮判断加载液压缸(19)是否为伸出运动，如为伸出运动，则进入步骤4.2.1；如为缩回运动，则进入步骤4.2.2；
步骤4.2.1：被动模式中伸出运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸(19)的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸(19)的设定速度值v，并将此速度值v转化为被动比例阀(7)右位电磁铁ST2的输入电流值，通过控制器(20)向被动比例阀(7)右位电磁铁ST2发出相应电流信号，则可以保证工作液压缸(19)通过联轴器拉动加载液压缸(19)的活塞杆顺利伸出，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮和补油压力设定按钮检测到设定加载力FL和设定的补油压力PY，并根据公式(5)计算被动比例溢流阀(14)的计算电流值IP，并将计算电流值IP作为前馈控制的输出值，同时，控制器(20)通过加载缸有杆腔压力传感器(4)和加载缸无杆腔压力传感器(18)检测加载液压缸(19)的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(4)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值IM，将前馈控制的输出值IP和反馈控制的输出值IM叠加后通过控制器(20)输出至被动比例溢流阀(14)电磁铁ST3，从而驱动被动比例溢流阀(14)运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸(19)的伸出加载是否完成，如没有完成，则继续加载，如完成，则停止加载，进入步骤5；
Figure FDA0003411805700000032
式中，IP为被动比例溢流阀的计算电流值，PY为设定的补油压力，K3为被动比例溢流阀的输出压力和输入电流的比例因子，K4为被动比例阀的输出流量与阀芯位移的比例因子，C2为被动比例阀的流量系数，W2为被动比例阀的面积梯度，其他参数与式(1)相同；
步骤4.2.2：被动模式中缩回运动加载力自动控制，采用前馈-反馈复合控制方法对加载液压缸的加载力实时控制，根据操作箱上的速度设定按钮检测到加载液压缸(19)的设定速度值v，并将此速度值v转化为被动比例阀(7)左位电磁铁ST1的输入电流值，通过控制器(20)向被动比例阀(7)左位电磁铁ST1发出相应电流信号，则可以保证工作液压缸(19)通过联轴器拉动加载液压缸(19)的活塞杆顺利缩回，然后，根据操作箱上的加载力设定按钮和补油压力设定按钮检测到设定加载力FL和设定的补油压力PY，并根据公式(6)计算被动比例溢流阀(14)的计算电流值IP，并将计算电流值IP作为前馈控制的输出值，同时，控制器(20)通过加载缸有杆腔压力传感器(4)和加载缸无杆腔压力传感器(18)检测加载液压缸(19)的有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb，将有杆腔压力Pa和无杆腔压力Pb分别通过自适应均值滤波器进行滤波处理后，根据公式(2)计算实际加载力FS，将设定加载力FL和实际加载力FS作差，并将差值进行专家PID运算后作为反馈控制的输出值IM，将前馈控制的输出值IP和反馈控制的输出值IM叠加后通过控制器(20)输出至被动比例溢流阀(14)电磁铁ST3，从而驱动被动比例溢流阀(14)运行，然后，通过操作箱上的操作按钮，判断加载液压缸(19)的缩回加载是否完成，如没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤5；
Figure FDA0003411805700000041
公式(6)中所有参数的表达含义与公式(5)相同；
步骤5：主被动加载完成，记录相关检测数据，停止测试。
2.根据权利要求1所述的一种液压试验台的主被动加载控制方法，其特征在于，所述自适应均值滤波器的滤波处理过程为：将输入信号进行微分处理，提取输入信号的变化速率，并通过调节匹配参数KT将变化速率vT与均值滤波器的滤波个数n相匹配，可以根据公式(7)计算滤波个数n，然后根据公式(8)计算当前输出信号值，并将其输出；
Figure FDA0003411805700000051
Figure FDA0003411805700000052
其中，(7)和(8)式中，n均值滤波器的滤波数，T0输入信号的间隔时间，KT为调节匹配参数，D(k)为当前时间输入信号，D(k-1)为比当前早1个时间间隔T0的输入信号，D(k-n)为比当前早n个时间间隔时间T0的输入信号，O(k)为自适应均值滤波器的当前输出信号，round为取整函数。
3.根据权利要求1所述的一种液压试验台的主被动加载控制方法，其特征在于，所述专家PID，其特征在于：共分为五个区域为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，e(k)为离散化的当前采样时刻的误差值，△e(k)为当前误差变化率，M1、M2、ε分别误差设定值，区域划分原则如下：
区域Ⅰ：当∣e(k)∣>M1时，专家PID的输出为u(k)＝umax；
区域Ⅱ：当e(k)△e(k)>0，且M1>∣e(k)∣≥M2时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KPmax[e(k)-e(k-1)]，其中Kpmax为调节参数，其值尽量大；
区域Ⅲ：当e(k)△e(k)>0，且M2>∣e(k)∣≥ε时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)，其中Kp、KI为调节参数，其值适中；
区域Ⅳ：当e(k)△e(k)<0，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)，控制器的输出保持不变；
区域Ⅴ：当∣e(k)∣<ε时，专家PID的输出为u(k)＝u(k-1)+KIe(k)，其中KI为调节参数，其值较小。
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