CN115389346A - 应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法，包括步进电机；步进电机与液压油泵的控制阀相连，液压油泵与千斤顶的进油口、出油口连通；力传感器位于传力机构与千斤顶之间；位移传感器安装于剪切盒或载荷板上；位移传感器、力传感器和步进电机均与数据采集与控制箱连接；数据采集与控制箱与电脑端连接。本发明在测试端配置了力传感器和位移传感器，用于精确测量施加荷载实际值和试样变形情况；在加载端配置步进电机，用于实现精确加载；配合本发明方法，整套试验全过程实现自动化控制，避免了人为操作的粗糙性和主观性，保障了试验过程的安全性，实现了现场大型力学试验基于实测荷载反馈机制的全过程自动化闭环控制。

Description

应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于工程载荷试验和直剪试验等力学试验的技术领域，具体涉及一种应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法。

背景技术

为了给工程建设提供依据，需要在工程现场对材料进行强度、变形等大型力学特性试验，例如现场大型载荷试验和大型直剪试验等。通过现场大型载荷试验，可以确定工程材料的承载能力和变形模量等力学特性指标。通过现场大型直剪试验，可以研究工程材料的抗剪强度特性，确定其抗剪强度指标，包括线性和非线性指标。

载荷试验的基本过程：通过反力机构对工程材料单元或结构施加竖向荷载，确定材料的各承载力特性指标和压缩变形特性指标。人工调节控制油泵的出、回油速率对试样实现加、卸载，根据油泵的压力传感器示值换算出当前所施加荷载的大小，结合布置于载荷板上的位移传感器示值，绘制出材料单元或结构的荷载-沉降关系曲线(P-S曲线)，分析该曲线确定材料的各承载力特性指标和压缩变形特性指标。

直剪试验的基本过程：通过反力机构对工程材料单元试样施加不同的法向荷载(不少于3级)，待试样固结稳定后，再施加水平剪切荷载，直至破坏，研究工程材料的强度特性，确定其抗剪强度指标。通过查看油泵压力传感器示值换算试样破坏过程的剪应力，结合位移传感器的剪切位移示值，绘制出剪应力与剪切位移的关系曲线(τ-d曲线)，通过分析不同法向荷载下的剪应力-剪切变形关系曲线，确定材料的抗剪强度参数。

当前，无论是现场大型载荷试验、现场大型直剪试验还是其它类似的大型力学试验，试验的控制系统都是简单的无反馈机制开环控制系统，试验过程中试验操作人员手动调节控制液压油泵完成对试样的加、卸载，这种粗糙的做法，很难进行满足试验要求的精确加载，容易出现加载过度或加载不足的情况。人工查看液压油泵压力传感器示值换算得到当前加载值，忽略了千斤顶活塞与腔壁的摩擦等客观存在的实际因素的影响，并且没有任何反馈机制对加载值进行修正。这些情况都会在很大程度上影响荷载-沉降关系曲线(P-S曲线)和剪应力-剪切位移关系曲线(τ-d曲线)的准确性。另外，试验操作人员在试验过程中要长时间驻留在液压油泵等加力设备旁，存在极大的安全隐患。

对材料进行精确的大型力学试验来研究认识材料的力学特性是工程建设非常重要的工作。而当前广泛应用的传统大型力学试验，主要包括现场大型载荷试验、现场大型直剪试验等，其控制手段都是简单的无反馈机制开环控制系统，即对试验过程中加载的精确性没有采取有效措施进行约束控制。另外，试验操作人员的人身安全也存在极大的隐患。

当前的试验加载方式在精确性和安全性方面主要有以下几方面的缺陷：

(1)传统现场大型力学试验的加、卸载过程主要依赖反复的人工调节控制液压油泵出、回油速率来实现，这种粗糙的做法，很难满足试验要求的加载精度，容易出现加载过度或加载不足的现象。

(2)现场大型力学试验的荷载一般是分级次施加的，传统试验操作时，每一级荷载的施加值是通过液压油泵压力传感器示值换算得到的。液压油泵通过输油管路连接千斤顶，再由千斤顶将荷载施加到传力机构，输油管路会造成一定的油压损耗，千斤顶活塞与腔壁也会产生摩擦。所以，直接用油泵的压力传感器示值换算得到的荷载值作为荷载实际施加值是非常不精确的。

(3)因为整个过程都需要手动调节油泵，并且查看油泵的压力传感器示值，所以至少需要两个试验操作人员长时间驻留在液压油泵等超高压力试验设备旁，存在极大的人身安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，一种应用于现场大型力学试验的闭环控制系统，其包括步进电机、力传感器和位移传感器；步进电机与液压油泵的控制阀相连，液压油泵的出油管路、回油管路分别与千斤顶的进油口、出油口连接；力传感器位于传力机构与千斤顶之间；位移传感器安装于剪切盒或载荷板上；位移传感器、力传感器和步进电机均与数据采集与控制箱连接；数据采集与控制箱与电脑端连接，数据采集与控制箱实现位移传感器、力传感器和步进电机电信号与电脑端数据信号间的转化；试验过程中的加卸载控制与数据采集，均由电脑端内置程序控制完成。

另一方面，一种应用于现场大型力学试验的闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、根据试验需求，进行设备安装和输油管路连接；

S2、将步进电机、力传感器和位移传感器与数据采集与控制箱相连接，再将数据采集与控制箱与电脑端相连；

S3、电脑端输入加载目标P、加载分级数n、加载容许误差δ和每级加载时间T，生成试验加载方案：

P_i目标＝P﹒i/n

其中，P_i目标为第i级荷载施加目标值；

S4、基于试验加载方案进行第i级荷载加载，步进电机控制液压油泵的出油和回油，液压油泵给出的油压将千斤顶的活塞顶出并作用于力传感器，力传感器与传力机构接触后提供反力，力传感器测试接触反力后反馈给电脑端；

S5、电脑端根据力传感器的数据反馈，计算实际荷载与目标荷载的偏差，用以进行荷载反馈控制；

S6、当本级的实际荷载与目标荷载的偏差在预设值范围内时，持续当前荷载，持续时间为T，期间每隔0.01T时间段进行实际荷载与目标荷载的偏差计算，在满足预设值的情况下则持续加载，加载持时达到T后进入S7；若不满足，则进入S5中的荷载反馈控制；

S7、重复S4～S6，依次进行所有荷载级次的加载，直至完成所有级次的加载：若在i级加载后，土层即达到规范要求的破坏标准，则破坏后停止加载，若n级加载完成后，土层仍达到规范要求的破坏标准，则继续加载直至破坏，每一级加载目标增量为P/n；

S8、步进电机控制液压油泵的出油和回油，实现千斤顶卸载，力传感器同传力机构脱离，加卸载试验完成，电脑端存储试验数据，设备、输油管路和数据线拆除归位，试验全部完成；

S9、根据记录试验数据，输出现场大型载荷试验的载荷-沉降关系曲线，或现场大型直剪试验的剪应力和剪切变形关系曲线；

S10、根据载荷-沉降关系曲线计算土层承载力和变形特性指标，或根据剪应力和剪切变形关系曲线计算土料抗剪强度特性指标。

进一步地，步骤S1具体包括：

将步进电机与液压油泵的控制阀连接，液压油泵的出、回油管路与千斤顶的进、出油口连接，液压油泵出油时，千斤顶活塞顶出，实现加载，液压油泵进油时，千斤顶活塞收回，实现卸载；

力传感器用于量测施加于传力机构上的荷载实际加载值，当为现场大型载荷试验时，将力传感器置于竖向千斤顶之上，试验传力机构之下，用于传递和测试竖向加载力；

当为现场大型直剪试验时，力传感器包括竖向力传感器和水平向力传感器，将竖向力传感器置于竖向千斤顶和传力机构之间，用于传递和测试竖向加载力，将水平向力传感器置于水平向千斤顶和传力机构之间，用于传递和测试水平向加载力；

位移传感器用于量测监测对象的实际变形值，当为现场大型载荷试验时，将位移传感器设置于载荷板上，以记录土层的竖向位移；

当为现场大型直剪试验时，位移传感器包括竖向位移传感器和水平位移传感器，竖向位移传感器设置于剪切盒上顶面，用以量测剪切盒内土体的竖向固结变形过程，水平向位移传感器固定在剪切盒下盒，并与剪切盒上盒相连接，用以量测剪切盒内土体的水平向剪切变形过程。

进一步地，步骤S5具体包括：

通过下式判断实际荷载P_i实际与目标荷载P_i目标的偏差是否满足加载精度要求：

-δ≤P_i实际-P_i目标≤δ

其中，δ为加载容许误差，根据相关试验规程的要求确定；

当实际荷载值P_i实际小于目标荷载值P_i目标且不满足控制精度要求时，步进电机控制液压油泵增大进入千斤顶的油压，进行荷载补偿；

当实际荷载值P_i实际大于目标荷载值P_i目标且不满足控制精度要求时，步进电机控制液压油泵减小进入千斤顶的油压，进行荷载削减。

本发明对于超过两个加载端的其它试验的控制系统和控制方法，可以在以上方案的基础上扩展完成。

本发明提供的应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法，具有以下有益效果：

本发明在测试端配置了力传感器和位移传感器，用于精确测量施加的荷载实际值和试样的变形情况；在加载端配置步进电机，用于实现小误差的精确加载；配合本发明方法，将整套试验过程实现全过程的电脑自动化控制，避免了人为操作的粗糙性和主观性，实现了大型力学试验的基于荷载反馈机制的全过程自动化闭环控制。

附图说明

图1为应用于现场大型力学试验的闭环控制系统的控制方法的流程框图。

图2为应用于现场大型力学试验的闭环控制系统的原理示意框图。

其中，1、步进电机；2、液压油泵；3、千斤顶；4、力传感器；5、传力机构；6、位移传感器；7、加载对象；8、数据采集与控制箱；9、电脑端。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例一，参考图2，本方案的应用于现场大型力学试验的闭环控制系统，包括步进电机1、液压油泵2、千斤顶3、力传感器4、传力机构5、位移传感器6、加载对象7、数据采集与控制箱8和电脑端9。

具体的，步进电机1与液压油泵2的控制阀相连，以精确控制液压油泵2的出、回油速率。

液压油泵2的出油管路、回油管路分别与千斤顶3的进油口、出油口连接，以使得液压油泵2出油时，千斤顶3活塞顶出，实现加载，液压油泵2回油时，千斤顶3活塞收回，实现卸载。

力传感器4位于传力机构5与千斤顶3及加载对象7之间，用于精确量测千斤顶3施加于传力机构6上的荷载实际加载值P_i实际，并传回电脑端9，用以判断是否需要进行荷载补偿或削减。

传力机构5和力传感器4接触连接，力传感器4作用于传力机构5的力和传力机构5作用于力传感器4的力是一对等大反向的作用力与反作用力，故而力传感器4所量测的力为试验施加于传力机构5和千斤顶3及加载对象7的荷载实际施加值。

力传感器4依据试验需要设置，当为现场大型载荷试验时，将力传感器4置于竖向千斤顶3之上，试验传力机构5之下，用于传递和测试竖向加载力。

当为现场大型直剪试验时，力传感器4包括竖向力传感器4和水平向力传感器4，将竖向力传感器4置于竖向千斤顶3和传力机构5之间，用于传递和测试竖向加载力，将水平向力传感器4置于水平向千斤顶3和传力机构5之间，用于传递和测试水平向加载力。

位移传感器6依据试验需要设置，当为现场大型载荷试验时，位移传感器6安装于加载对象(载荷板)7上，记录土层的竖向位移。

当为现场大型直剪试验时，位移传感器6包括设置量测剪切盒内土体竖向固结变形的竖向位移传感器6和量测剪切盒内土体水平向剪切变形的水平向位移传感器6。

其中，竖向位移传感器6安装在剪切盒上顶面，水平向位移传感器6固定在剪切盒下盒，并与剪切盒上盒相连接。

根据本申请的实施例二，参考图1，本方案的应用于现场大型力学试验的闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据试验需求，进行设备安装和输油管路连接，其具体包括：

将步进电机1与液压油泵2的控制阀连接，液压油泵2的出、回油管路与千斤顶3的进、出油口连接，液压油泵2出油时，千斤顶3活塞顶出，实现加载，液压油泵2回油时，千斤顶3活塞收回，实现卸载；

将力传感器4置于千斤顶3之上，试验传力机构5之下，用于量测施加于传力机构5上的荷载实际加载值；

当为现场大型载荷试验时，将位移传感器6设置于加载对象(载荷板)7上，以记录土层的竖向位移；

当为现场大型直剪试验时，位移传感器6包括竖向位移传感器6和水平位移传感器6，竖向位移传感器6设置于剪切盒上顶面，用以量测剪切盒内土体的竖向固结变形过程，水平向位移传感器6固定在剪切盒下盒，并与剪切盒上盒相连接，用以量测剪切盒内土体的水平向剪切变形过程。

步骤S2、将步进电机1、力传感器4和位移传感器6与数据采集与控制箱8相连接，再将数据采集与控制箱8与电脑端9相连。

步骤S3、电脑端输入加载目标P、加载分级数n、加载容许误差δ和每级加载时间T，生成试验加载方案：

P_i目标＝P﹒i/n

其中，P_i目标为第i级荷载施加目标值。

步骤S4、基于试验加载方案进行第i级荷载加载，电脑端9发出加载指令至步进电机1，步进电机1控制液压油泵2的出油和回油，液压油泵2给出的油压将千斤顶3的活塞顶出并作用于力传感器4，力传感器4与传力机构5接触后提供反力，力传感器4测试接触反力后反馈给电脑端9。

步骤S5、电脑端9根据力传感器4的数据反馈，计算实际荷载与目标荷载的偏差，用以进行荷载反馈控制，具体包括：

在对传力机构5施加荷载过程中，力传感器4不停地采集数据至数据采集与控制箱8，数据采集与控制箱8将采集电信号转化为数字信号，并传输至电脑端9储存。

电脑端9基于采集的数据，通过下式判断实际荷载P_i实际与目标荷载P_i目标的偏差是否满足加载精度要求：

-δ≤P_i实际-P_i目标≤δ

其中，δ为加载容许误差，根据相关试验规程的要求确定；

当实际荷载值P_i实际小于目标荷载值P_i目标且不满足控制精度要求时，步进电机1控制液压油泵2增大进入千斤顶3的油压，进行荷载补偿；

当实际荷载值P_i实际大于目标荷载值P_i目标且不满足控制精度要求时，步进电机1控制液压油泵2减小进入千斤顶3的油压，进行荷载削减；

通过以上荷载反馈及补偿或消减控制，使得本级荷载实际加载值P_i实际控制在试验容许误差范围内。

步骤S6、当本级的实际荷载与目标荷载的偏差在预设值范围内时，持续当前荷载，持续时间为T，期间每隔0.01T时间段进行实际荷载与目标荷载的偏差计算，在满足预设值的情况下则持续加载，加载持时达到T后进入步骤S7；若不满足，则进入步骤S5中的荷载反馈控制；

步骤S7、重复步骤S4～步骤S6，依次进行所有荷载级次的加载，直至完成所有级次的加载：若在i级加载后(i≤n)，土层即达到规范要求的破坏标准，则破坏后停止加载，若n级加载完成后，土层仍达到规范要求的破坏标准，则继续加载直至破坏，每一级加载目标增量为P/n。

步骤S8、步进电机1控制液压油泵2的出油和回油，实现千斤顶3卸载，力传感器4同传力机构5脱离，加卸载试验完成，电脑端9存储试验数据，设备、输油管路和数据线拆除归位，试验全部完成。

步骤S9、根据记录试验数据，输出现场大型载荷试验的载荷-沉降关系曲线，或现场大型直剪试验的剪应力和剪切变形关系曲线。

步骤S10、根据载荷-沉降关系曲线计算土层承载力和变形特性指标，或根据剪应力和剪切变形关系曲线计算土料抗剪强度特性指标。

本发明通过进行多次载荷试验和直剪试验并对试验过程和结果进行对比，在使用本发明提出的全自动闭环控制系统的情况下，试验的成功率和效率都得到了相当大程度的提高。

传统大型力学试验开环控制系统，人工观察存在较大的误差，而且忽略了千斤顶4活塞和腔壁的摩擦力，使得测试值和实际值间存在较大误差。因此，传统的大型力学特性试验往往难以保证最终结果的准确性，大大降低了试验结果的参考价值。因此需要通过增加对照试验数量，用以消除以上误差，致使效率低下，耗费了大量的人力和物力，试验成本高。本发明提出的应用于大型力学试验的全自动化闭环控制系统，通过以力传感器5和步进电机2组成的硬件部分，和基于双反馈调节机制的全过程自动化闭环控制软件部分，实现了现场大型力学特性试验的闭环控制式加、卸载过程和数据采集、处理功能。直接提高了试验的控制精度，且实现了集“控制、测试、反馈、后处理”一体化的自动化控制过程。

对于传统现场大型力学试验，以大型直剪试验为例：为确定土料的强度特性指标，至少需要开展3～4组不同围压力的现场大型力学特性试验，为保证试验精度，往往需要开展6～8组试验，才能满足一定的试验精度要求，在无法满足的情况下则需要进一步增加对比试验。因此，传统开环控制系统的试验量往往达到8～10次，且位移传感器7读数、油泵压力表读数和油泵油压阀调整均需要专人处理，按照一次试验控制1天的要求，往往需要8～10天完成一种土料的直剪试验，且每次试验需要3～4人完成测记工作。传统现场大型力学试验整个过程都需要手动调节液压油泵3，并且查看油泵的压力传感器5示值，所以至少需要两个试验操作人员长时间驻留在液压油泵3等超高压力试验设备旁，存在极大的人身安全隐患。

本发明专利提出的闭环控制系统，由于大大提高了控制精度，因此试验组数为基本的3～4组，仅需进行4～5天即可完成一种土料的直剪试验。由于自动化软件控制界面实现了“控制、测试、反馈、后处理”一体化功能，整个控制过程仅需1～2人，即可完成试验。

由此可知，本发明的闭环控制系统大大提高了试验精度和可操作性，保障了试验安全性，有效地节省了时间和人工成本，提升了现场大型力学试验的可操作性。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于现场大型力学试验的闭环控制系统，其特征在于：包括步进电机、力传感器和位移传感器；所述步进电机与液压油泵的控制阀相连，液压油泵的出油管路、回油管路分别与千斤顶的进油口、出油口连接；所述力传感器位于传力机构与千斤顶之间；所述位移传感器安装于剪切盒或载荷板上；所述位移传感器、力传感器和步进电机均与数据采集与控制箱连接；所述数据采集与控制箱与电脑端连接，数据采集与控制箱实现位移传感器、力传感器和步进电机电信号与电脑端数据信号间的转化；试验过程中的加卸载控制与数据采集，均由所述电脑端内置程序控制完成。

2.一种采用权利要求1所述的应用于现场大型力学试验的闭环控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据试验需求，进行设备安装和输油管路连接；

S2、将步进电机、力传感器和位移传感器与数据采集与控制箱相连接，再将数据采集与控制箱与电脑端相连；

S3、电脑端输入加载目标P、加载分级数n、加载容许误差δ和每级加载时间T，生成试验加载方案：

P_i目标＝P﹒i/n

其中，P_i目标为第i级荷载施加目标值；

S4、基于试验加载方案进行第i级荷载加载，步进电机控制液压油泵的出油和回油，液压油泵给出的油压将千斤顶的活塞顶出并作用于力传感器，力传感器与传力机构接触后提供反力，力传感器测试接触反力后反馈给电脑端；

S5、电脑端根据力传感器的数据反馈，计算实际荷载与目标荷载的偏差，用以进行荷载反馈控制；

S6、当本级的实际荷载与目标荷载的偏差在预设值范围内时，持续当前荷载，持续时间为T，期间每隔0.01T时间段进行实际荷载与目标荷载的偏差计算，在满足预设值的情况下则持续加载，加载持时达到T后进入S7；若不满足，则进入S5中的荷载反馈控制；

S7、重复S4～S6，依次进行所有荷载级次的加载，直至完成所有级次的加载：若在i级加载后，土层即达到规范要求的破坏标准，则破坏后停止加载，若n级加载完成后，土层仍达到规范要求的破坏标准，则继续加载直至破坏，每一级加载目标增量为P/n；

S8、步进电机控制液压油泵的出油和回油，实现千斤顶卸载，力传感器同传力机构脱离，加卸载试验完成，电脑端存储试验数据，设备、输油管路和数据线拆除归位，试验全部完成；

S9、根据记录试验数据，输出现场大型载荷试验的载荷-沉降关系曲线，或现场大型直剪试验的剪应力和剪切变形关系曲线；

S10、根据载荷-沉降关系曲线计算土层承载力和变形特性指标，或根据剪应力和剪切变形关系曲线计算土料抗剪强度特性指标。

3.根据权利要求2所述的应用于现场大型力学试验的闭环控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

将步进电机与液压油泵的控制阀连接，液压油泵的出、回油管路与千斤顶的进、出油口连接，液压油泵出油时，千斤顶活塞顶出，实现加载，液压油泵进油时，千斤顶活塞收回，实现卸载；

力传感器用于量测施加于传力机构上的荷载实际加载值，当为现场大型载荷试验时，将力传感器置于竖向千斤顶之上，试验传力机构之下，用于传递和测试竖向加载力；

当为现场大型直剪试验时，力传感器包括竖向力传感器和水平向力传感器，将竖向力传感器置于竖向千斤顶和传力机构之间，用于传递和测试竖向加载力，将水平向力传感器置于水平向千斤顶和传力机构之间，用于传递和测试水平向加载力；

位移传感器用于量测监测对象的实际变形值，当为现场大型载荷试验时，将位移传感器设置于载荷板上，以记录土层的竖向位移；

当为现场大型直剪试验时，位移传感器包括竖向位移传感器和水平位移传感器，竖向位移传感器设置于剪切盒上顶面，用以量测剪切盒内土体的竖向固结变形过程，水平向位移传感器固定在剪切盒下盒，并与剪切盒上盒相连接，用以量测剪切盒内土体的水平向剪切变形过程。

4.根据权利要求2所述的应用于现场大型力学试验的闭环控制系统及其控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

通过下式判断实际荷载P_i实际与目标荷载P_i目标的偏差是否满足加载精度要求：

-δ≤P_i实际-P_i目标≤δ

其中，δ为加载容许误差，根据相关试验规程的要求确定；

当实际荷载值P_i实际小于目标荷载值P_i目标且不满足控制精度要求时，步进电机控制液压油泵增大进入千斤顶的油压，进行荷载补偿；

当实际荷载值P_i实际大于目标荷载值P_i目标且不满足控制精度要求时，步进电机控制液压油泵减小进入千斤顶的油压，进行荷载削减。

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