CN111879621A - 一种智能动态液压加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能动态液压加载装置，包括控制系统，触发器，压力产生模块，高频压力调节装置和水气转换器；所述控制系统控制触发器，产生高频控制信号，所述触发器，根据控制系统的高频控制信号产生波动的电压信号，控制压力产生模块和高频压力调节装置，所述压力产生模块产生压力，所述高频压力调节装置，根据反馈调节算法，实现高频度压力调节，输出稳定动态压力，高频压力调节装置连接液气转换器，液气转换器将高频压力调节装置输出的稳定动态压力转化为稳定动态的液压，实现稳定动态液压的输出；本发明提供的智能动态液压加载装置首先实现稳定动态气压的产生，通过液气转换装置，将稳定动态气压转化为稳定动态液压，实现长时间稳定动态液压的输出。

Description

一种智能动态液压加载装置
技术领域
本发明涉及渗流试验设备领域，特别是指一种智能动态液压加载装置。
背景技术
近年来，我国经济持续发展，在临江/海高层建筑、地下空间开发、跨江/海隧道和大桥等重大工程的建设过程中，出现了大量紧临动水环境施工的深基坑工程。动水引起流砂破坏的灾害性后果不容小觑，围绕流砂破坏这一问题展开科学研究，具有重要的工程指导意义和科研价值。流砂破坏引起的工程事故大多数是因为受到水动力的影响，承压水从渗漏口迅速冲刷出来，大量土颗粒迅速流失，形成空洞或诱发塌陷，事故全过程是短时间的、迅速发展的，表现出涌水、涌砂、流土等破坏形式，所以此类事故当被发现时，往往已经处于发展中后期，造成的经济损失和人员伤亡往往是极其巨大的。以往的模型装置针对动水引起的此类事故的研究相对较少，对动水引起流砂破坏的产生原理、发展机制及其致灾机理均尚不明确。
实质上，在对模型试验箱进行不同动态水压情况下的流砂破坏试验时，维持长时间的稳定动态水压力是流砂试验顺利进行的重要保证。国内市面上较为常见的蠕动泵或清水泵等，都无法满足长时间稳压的动态水流的试验要求。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种智能动态液压加载装置，能够长时间输出稳定动态液压。
本发明采用如下技术方案：
一种智能动态液压加载装置，控制系统，触发器，压力产生模块，高频压力调节装置和水气转换器；所述控制系统控制触发器，产生高频控制信号，所述触发器，根据控制系统的高频控制信号产生波动的电压信号，控制压力产生模块和高频压力调节装置，所述压力产生模块产生压力，所述高频压力调节装置，根据反馈调节算法，实现高频度压力调节，输出稳定动态压力，高频压力调节装置连接液气转换器，液气转换器将高频压力调节装置输出的稳定动态压力转化为稳定动态的液压，实现稳定动态液压的输出。
优选的，所述高频压力调节装置包括控制电路，进气高速开关电磁阀，排气高速开关电磁阀、压力调节执行部件和压力传感器，当信号输入时，进气高速开关电磁阀打开，排气高速开关电磁阀关闭，或，进气高速开关电磁阀关闭，排气高速开关电磁阀打开，压力调节执行部件进行升压操作，压力传感器检测压力值，并反馈到控制电路中，控制电路根据反馈调节算法进行压力调节，直至检测压力值与需求压力值偏差为零，进气高速开关电磁阀和排气高速开关电磁阀关闭。
优选的，在所述控制电路根据反馈调节算法进行压力调节之前，包括反馈调节算法的学习阶段，具体包括：
通过反馈调节算法输出的压力值与设定压力值误差小于规定值时，记录当前的压力值和对应控制信号，存储在数据库中，并根据线性和数据规律进行处理和筛选，生成压力值和对应控制信号的关系。
优选的，所述控制电路根据反馈调节算法进行压力调节，具体包括：
根据学习阶段生成的压力值和对应控制信号的关系，采用模糊算法，获取所需的控制信号，并通过反馈调节算法进行修正，同时修正学习阶段生成的压力值和对应控制信号的关系，实现数据的学习和更新。
优选的，所述控制系统采用USB高频通讯。
优选的，所述反馈调节算法为PID算法。
优选的，所述的压力传感器为压阻式压力传感器，通过背压端惠斯通电桥内的电阻变化，测量压力。
优选的，所述液气转换器，为密闭不锈钢罐和连接密闭罐的管道，所述高频压力调节装置连接密闭不锈钢罐的顶端，所述密闭不锈钢罐中包括液体和空气，通过高频压力调节装置输出的稳定动态压力，向密闭不锈钢罐中的液体施压，所述管道的出水口输出稳定动态的液压。
优选的，所述密闭不锈钢罐中设置有液位计，液位计实时检测液位，当液位低于设定值时，进行报警提示。
优选的，所述液位计为圆筒形电容器。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本套动压加载系统首先实现稳定动态气压的产生，通过液气转换装置，将稳定动态气压转化为稳定动态液压，实现长时间稳定动态液压的输出。
(2)本发明中控制电路设置USB高频通讯，高频压力调节装置中设置有进气高速开关电磁阀，排气高速开关电磁阀，是通过高频电路控制高频电磁阀，实现了高频控制稳定动态气压的产生。
(3)本发明在实现高频压力调节时，首先进行压力调节的学习阶段，建立压力信号和控制信号的关系，在实际压力调节时，采用模糊算法利用学习阶段得出的压力信号和控制信号的关系，减少传感器反应时间，另外，装置自带系统可实现压力信号和控制信号实时记录学习功能，可根据实际调节时的修正反馈数据，对数据进行修正学习，具有较高的控制速度和精度。
(4)本发明采用的液位计为电容液位计，不受压力信号的影响即可测量出液位，对导电介质和非导电介质都有适用，检测精度可达到毫米级，液位计实时检测液位，为自动化控制实现测试目的奠定了基础。
附图说明
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
图1为：本发明实施例智能动态液压加载装置的模块框图；
图2为：本发明实施例的高频压力调节装置图；
图3为：本发明实施例的压力传感器的结构图；
图4为：本发明实施例的圆筒形电容器测试液位时的示意图；
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例，如图1是本发明智能动态液压加载装置的模块框图，包括控制系统，触发器，压力产生模块(空压机)，高频压力调节装置和水气转换器；所述控制系统控制触发器(高频信号发生器)，产生高频控制信号，所述触发器，根据控制系统的高频控制信号产生波动的电压信号，控制压力产生模块(空压机)和高频压力调节装置，所述压力产生模块(空压机)产生压力，所述高频压力调节装置，根据反馈调节算法，实现高频度压力调节，输出稳定动态压力，高频压力调节装置连接液气转换器，液气转换器将高频压力调节装置输出的稳定动态压力转化为稳定动态的液压，实现稳定动态液压的输出。
现有技术中较为常见的蠕动泵或清水泵等，都无法满足长时间稳压的动态水流的试验要求，实施例中，通过首先实现稳定动态气压的产生，通过液气转换装置，将稳定动态气压转化为稳定动态液压，实现长时间稳定动态液压的输出。
所述高频压力调节装置包括控制电路，进气高速开关电磁阀，排气高速开关电磁阀、压力调节执行部件和压力传感器，当信号输入时，进气高速开关电磁阀打开，排气高速开关电磁阀关闭，或，进气高速开关电磁阀关闭，排气高速开关电磁阀打开，压力调节执行部件进行升压操作，压力传感器检测压力值，并反馈到控制电路中，控制电路根据反馈调节算法进行压力调节，直至检测压力值与需求压力值偏差为零，进气高速开关电磁阀和排气高速开关电磁阀关闭。
如图2示出了高频压力调节装置，高频压力调压装置由进、排气调整开关电磁阀、压力检测传感器、控制电路以及压力调节执行部件构成，所述压力调节执行部件包括挡板、先导腔、主阀，所述挡板、先导腔、主阀均设置在腔体中，腔体还包括进口、出口和排气口，挡板设置在主阀上，并与腔体的左壁和右壁紧密相接，使得挡板和腔体的上壁之间形成密闭的先导腔。
当有输入信号时，进气电磁阀打开，排气电磁阀关闭，主阀向先导腔供气，主阀芯下移，输出压力，压力值由压力传感器检测，并反馈到控制电路。控制电路以输入信号与输出二次压的偏差为基础，用PWM控制方式驱动进、排气电磁阀，实现对先导腔压力的调节，直到偏差为零，进、排气电磁阀均关闭，主阀芯在新的位置上达到平衡，从而得到一个与输入信号成比例的输出压力，从腔体的排气口输出到水气转换器中。
所述控制系统采用USB高频通讯。高频通讯保证了信号可以及时调整，是实现长时间稳定动态压力的重要条件。同样的进气高速开关电磁阀以及排气高速开关电磁阀的设置，也保证了电磁阀可以随时高频的控制信号，迅速做出打开、关闭的操作，是实现长时间稳定动态压力的输出的重要器件。
在所述控制电路根据反馈调节算法进行压力调节之前，包括反馈调节算法的学习阶段，具体包括：
通过反馈调节算法输出的压力值与设定压力值误差小于规定值时，记录当前的压力值和对应控制信号，存储在数据库中，并根据线性和数据规律进行处理和筛选，生成压力值和对应控制信号的关系。
程序内置学习功能，通过控制压力值，记录当前压力值和控制信号，具体方法如下：通过PID程序无限接近控制值，当控制值和设定压力误差小于200Pa时记录压力，存储在数据库内，当数据出现重复时，自行根据线性和数据规律判断出跳跃点，然后进行数据的处理和筛选，最后生成压力值和对应控制信号的关系。
在所述控制电路根据反馈调节算法进行压力调节，具体包括：根据学习阶段生成的压力值和对应控制信号的关系，采用模糊算法，获取所需的控制信号，并通过反馈调节算法进行修正，同时修正学习阶段生成的压力值和对应控制信号的关系，实现数据的学习和更新。
具体为：高频控制阶段采用PID显然达不到控制速度，为了提高高频控制精度，整个控制信号的大小均采用学习阶段的数据，通过学习阶段数据直接控制压力大小，在高频控制阶段涉及到模糊算法，高频控制压力和学习阶段的数据不可能完全一样，这就导致调用数据的时候不能完全在以前的学习记录里面查找，此时采用模糊算法，找到当前数据记录中最接近的数值，然后同前后数据生成线性数据，通过寻找，判断斜率生成控制点信号大小，这样最大程度保证了高频控制的精度。每次产生静态压力时，系统会自行判读出静压点所需要的控制信号，直接控制，当控制信号出现偏差后，PID继续调节，调节完后，并反馈到以前的数据中，学习目前压力点误差，并把压力点误差值修正到以后的压力控制中，实现学习功能。
工业控制的反馈调节算法很多，大多采用PID算法，但这里不限于PID算法。
所述的压力传感器为压阻式压力传感器，通过背压端惠斯通电桥内的电阻变化，测量压力。
如图3为本实施例采用的压力传感器，核心原理是惠斯通电桥，在芯体基座上贴一个电桥，惠斯通电桥(又称单臂电桥)是一种可以精确测量电阻的仪器。通用的惠斯通电桥电阻R1，R2，R3，R4叫做电桥的四个臂，G为检流计，用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时，称电桥达到平衡。平衡时，四个臂的阻值满足一个简单的关系，利用这一关系就可测量电阻。惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，单片机采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。
所述液气转换器，为密闭不锈钢罐和连接密闭罐的管道，所述高频压力调节装置连接密闭不锈钢罐的顶端，所述密闭不锈钢罐中包括液体和空气，通过高频压力调节装置输出的稳定动态压力，向密闭不锈钢罐中的液体施压，所述管道的出水口输出稳定动态的液压。
本实施例中，不锈钢罐容积20L，里面装有18L水，但不限于此，只要不锈钢罐中包括空气和水即可，此外，传统水气转换器均为透明的有机玻璃材料，这个大大限制了以后高压的可能性，或者需要更大成本才可以实现。
所述密闭不锈钢罐中设置有液位计，液位计实时检测液位，当液位低于设定值时，进行报警提示，能够保证安全。
本实施中采用的液位计为电容液位计，不受压力信号的影响即可测量出液位，对导电介质和非导电介质都有适用，检测精度可达到毫米级；如图4是本实施例采用的圆筒形电容器，当圆筒形电容器置于水中时，由图可知当液位由零变化到H时，电容传感器的电容变化量CX为
Figure BDA0002599135200000061
其中1-内电极；2-外电极，式中ε为绝缘套管或陶瓷涂层的介电系数；ε0’为绝缘套管和空气共同组成电容的等效介电系数；S为传感器灵敏度系数。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种智能动态液压加载装置，其特征在于，包括控制系统，触发器，压力产生模块，高频压力调节装置和水气转换器；所述控制系统控制触发器，产生高频控制信号，所述触发器，根据控制系统的高频控制信号产生波动的电压信号，控制压力产生模块和高频压力调节装置，所述压力产生模块产生压力，所述高频压力调节装置，根据反馈调节算法，实现高频度压力调节，输出稳定动态压力，高频压力调节装置连接液气转换器，液气转换器将高频压力调节装置输出的稳定动态压力转化为稳定动态的液压，实现稳定动态液压的输出。
2.根据权利要求1所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述高频压力调节装置包括控制电路，进气高速开关电磁阀，排气高速开关电磁阀、压力调节执行部件和压力传感器，当信号输入时，进气高速开关电磁阀打开，排气高速开关电磁阀关闭，或，进气高速开关电磁阀关闭，排气高速开关电磁阀打开，压力调节执行部件进行升压操作，压力传感器检测压力值，并反馈到控制电路中，控制电路根据反馈调节算法进行压力调节，直至检测压力值与需求压力值偏差为零，进气高速开关电磁阀和排气高速开关电磁阀关闭。
3.根据权利要求2所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，控制电路根据反馈调节算法进行压力调节之前，还包括反馈调节算法的学习阶段，具体包括：
通过反馈调节算法输出的压力值与设定压力值误差小于规定值时，记录当前的压力值和对应控制信号，存储在数据库中，并根据线性和数据规律进行处理和筛选，生成压力值和对应控制信号的关系。
4.根据权利要求3所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述控制电路根据反馈调节算法进行压力调节，具体包括：
根据学习阶段生成的压力值和对应控制信号的关系，采用模糊算法，获取所需的控制信号，并通过反馈调节算法进行修正，同时修正学习阶段生成的压力值和对应控制信号的关系，实现数据的学习和更新。
5.根据权利要求1所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述控制系统采用USB高频通讯。
6.根据权利要求4所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述反馈调节算法为PID算法。
7.根据权利要求2所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述的压力传感器为压阻式压力传感器，通过背压端惠斯通电桥内的电阻变化，测量压力。
8.根据权利要求1所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述液气转换器，为密闭不锈钢罐和连接密闭罐的管道，所述高频压力调节装置连接密闭不锈钢罐的顶端，所述密闭不锈钢罐中包括液体和空气，通过高频压力调节装置输出的稳定动态压力，向密闭不锈钢罐中的液体施压，所述管道的出水口输出稳定动态的液压。
9.根据权利要求8所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述密闭不锈钢罐中设置有液位计，液位计实时检测液位，当液位低于设定值时，进行报警提示。
10.根据权利要求9所述的智能动态液压加载装置，其特征在于，所述液位计为电容液位计。
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