一種用于結構靜力試驗的電液伺服控制加載系統

江禮鵬，王宏宇

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

0 前言

結構靜力試驗是研究復雜工程構件靜特性的重要手段，是校核產品設計靜強度、剛度、穩定性，鑒定產品可靠性的有效途徑，并為產品結構設計和產品結構優化提供可靠的靜強度數據和最準確的資料。對于形狀和受力都較復雜的構件，結構靜力試驗是產品結構研發必不可少的也是唯一簡單而有效的途徑。試驗結果對產品的計算機模型的建立以及二次開發起到重要的指導作用。因此，目前許多領域，包括土木、汽車、船舶、航空、航天領域的大型結構件的研發過程中，都需要對構件進行結構靜力試驗，保證產品的品質和可靠性，避免產品的實際參數達不到設計要求。

1 電液伺服系統

液壓加載根據液壓流體力學原理，利用液壓元件組成的壓力和方向控制回路，將一定壓力的油液輸入液壓缸，由液壓缸內的活塞把分布的油壓轉變為集中力，最后經活塞桿輸出。

電—液伺服系統的分類方法很多，可以從不同角度分類，如位置控制、速度控制、力控制等;閥控系統、泵控系統;大功率系統、小功率系統;開環控制系統、閉環控制系統等。根據輸入信號的形式不同，又可分為模擬伺服系統和數字伺服系統兩類。圖1為電液位置伺服系統：

圖1 電液位置伺服系統

電—液伺服系統綜合了電氣和液壓兩方面的優點，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大、信號處理靈活、易于實現各種參量的反饋等優點。因此，在負載質量大又要求響應速度快的場合最為適合，其應用已遍及國民經濟的各個領域，比如飛機與船舶舵機的控制、雷達與火炮的控制、機床工作臺的位置控制、板帶軋機的板厚控制、電爐冶煉的電極位置控制、各種飛機的模擬臺控制、發電機轉速的控制、材料試驗機及其他實驗機的壓力控制等等。在油源設備提供一定壓力油液的情況下，計算機調整輸入到液壓缸內的油液流量，由此控制試驗載荷或位移。根據這一設計思想，依據被控參量開發了兩個液壓加載分系統：力控制系統和位移控制系統，以滿足不同的試驗需求。

國內現有的應用于結構靜力試驗的系統，在試驗力精度，位移傳感器分辨率，響應速度和活塞行程上很難達到用戶需求，美國MTS公司的伺服加載系統能夠達到和超過用戶要求，但是其價格是國內相同系統的幾倍甚至幾十倍，基于這種情況，采用美國NI公司的LabVIEW編程軟件即圖形化語言作為開發平臺，開發了一套數據采集、信號處理及儀器控制的虛擬儀器應用程序，配以伺服放大器、MOOG的直動式伺服控制閥、及作動器，形成了一套性能優良的位移、力閉環控制系統。該系統可以進行負載0～500 kN的試件的靜態試驗。其試驗力精度≤±1%，位移傳感器分辨率可達到0.01 mm，活塞的最大行程可達500 mm，控制精確、操作簡單、響應速度快、控制穩定，達到了預期的設計標準，是一個可靠的實驗平臺。

2 虛擬儀器伺服系統

利用美國NI公司的LabVIEW編程軟件作為平臺開發伺服控制系統軟件，該軟件主要功能為數據采集并實時的顯示波形型號，可實時顯示力－位移，力－時間，位移－時間曲線，并通過采集的數據及控制參數發出控制信號，數據的采集與控制信號的發出通過研華工控機A/D和D/A轉換，計算機運行伺服系統控制軟件，通過伺服放大器控制伺服閥，從而實現對作動器活塞位置的位移閉環反饋控制。作動器活塞位置使用深圳聯誠世紀的RP/RH非接觸式位移傳感器，其分辨率可達16位D/A或滿量程的0.001 5%。

本系統如圖2所示，主要由以下部分構成：

1)主機：對試樣進行加載的工作裝置，本系統為作動器。

2)控制柜：啟動、停止油泵電機，對異常情況報警的操作裝置。

3)油源：對液壓系統提供油液和動力，通過作動器對試樣加載的動力裝置。

4)控制系統：控制試驗按照需求逐步進行，并對試驗數據進行采集、放大、顯示、處理和打印的裝置。

圖2 伺服系統主機、控制柜及油源外觀圖

該軟件可以實現位移的手動控制，閉環控制以及自動程控，具有多種試驗力、位移梯級加載、保載控制，數據的采集、記錄、顯示、實時保存以及采集頻率的設定等功能，采集的數據通過實時處理可以顯示其當前值，歷史值及峰值，還能設定試驗保護參數，軟件界面清晰美觀，操作簡單，使用方便。控制程序流程如圖3。

圖3 控制程序流程圖

該系統主要用于結構教學試驗，也可以在加載框架內進行建筑結構的彎曲、壓縮、拉伸等性能試驗。試驗對象包括柱、梁、框架等。還可以將系統中的油缸在加載框架內組合使用，以實現多點協調加載功能，測試結構在復雜受力情況下的力學性能。圖4為伺服控制系統界面。

圖4 伺服控制系統界面

3 結論

本系統根據實際情況選擇了液壓輔助控制系統的硬件配置，基于LabVIEW平臺開發了伺服控制系統軟件，大大簡化了源程序的開發。由于LabVIEW所具備的強大功能使傳統的信號發生器及其他硬件設備可以省略，而且精度更好、成本更低、試驗系統性能更穩定。該系統充分考慮了結構試驗系統的各種特征，功能齊全、界面美觀、操作簡便、此軟件可以快捷、方便、直觀地實現試驗要求的各種操作，人機對話靈活、友好。

［1］James Carvajal，Guanrong Chen，Haluk Ogmen.Fuzzy PID con-troller：Design，Performance evaluation and stability analysis［J］.Information Sciences 2000：249-270.

［2］強一于，軍琪，劉煦.液壓位置伺服系統模糊自適應PID控制算法研究［J］.工業控制計算機，2010(12)：58-60.

［3］王漢軍.電液伺服加載系統控制方法的改進研究［J］.計算機仿真，2009(11)：327-363.

［4］魏文軍，范多旺.多通道電液伺服協調加載系統研究［J］.自動化與儀器儀表，2006(03)：20-23.

［5］雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［6］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［7］許劍.基于LabVIEW的多通道數據采集系統的設計［D］.鎮江：江蘇科技大學，2008.