液壓加載試驗機起始載荷域柔順加載控制方法與流程

本發明涉及一種控制方法，具體涉及一種液壓加載試驗機起始載荷域柔順加載控制方法，屬于智能控制技術領域。

背景技術：

材料可承載負荷強度是材料性能評估與材料力學測試的一項重要參數，直接關系到材料的力學結構性能。軍工行業中，有些功能材料既作為戰斗部的高能部件，又作為武器系統的支撐結構件，其力學性能直接關系到武器系統的可靠性與安全性。現有的材料力學負載強度測量一般借用材料試驗機，工業上一般以電子伺服式材料試驗機為主。電子式材料試驗機具有裝置結構簡單、可進行位移控制、運行過程干凈、環保等優點，但加載載荷力小、載荷力控制精度差。相比于電子伺服式材料試驗機，液壓驅動型加載機具備加載力大、加載精度高、加載過程柔順性好等優點，特別適合于大噸位加載力、精確控制加載、防爆安全等需求。一種新型材料需評價材料的承載負荷強度，高精度測量到材料的斷裂載荷，且要求整個加載卸載過程柔順。調研現有的進口型或者國產型的材料試驗機，均存在噸位較低、無法達到500kn當量的材料試驗要求，控制精度低、無法實現全載荷域的柔順加載，而且不具備材料斷裂檢測功能與斷裂后安全處理功能。

為此，為滿足新型材料的力學性能評估，在調研現有材料加載裝置的基礎上，通過計算仿真分析、結構強度優化設計、液壓驅動系統計算與設計、控制系統與軟件設計等方面的聯合攻關，創新研制了一臺多功能、大載荷、高精度加載裝置。一般工業應用的液壓驅動系統要求液壓系統動作快、壓力控制精度不高，而材料強度測試設備卻要求加載過程慢、全過程柔順加載，現有技術無法應用到該試驗機研制。由于比例閥溢流閥元件的非線性，只在中間具備近似線性特性而在兩端存在死區，加載段準線性控制方法在加載起始段存在載荷突跳上升到20kn的問題，需發明一種過程柔順、速度可控的起始加載段控制方法，實現加載過程的精確控制，滿足材料強度精確測量的要求。

技術實現要素：

本發明提供一種液壓驅動加載試驗機的加載起始段的柔順控制方法，目的是解決加載起始段載荷突跳、不連續的問題，實現起始加載過程連續、速度可控，滿足材料承載負荷測量對全載荷域加載過程柔順控制的要求。

對本領域的技術人員而言，可以明確知曉的是，為了順利實施本發明，需要至少具備如下技術條件：

首先，需要能夠用于本發明的液壓加載試驗機的材料加載裝置，該材料加載裝置必然包括液壓驅動系統，此外，該材料加載裝置至少應包括：

1.電液比例溢流閥或者帶有電液比例溢流閥的變量泵，要求：

1)電液比例溢流閥滿足系統最高載荷要求，可按照控制信號準線性控制液壓力；

2)電液比例溢流閥并聯在高壓介質油回路上。

2.電液比例流量閥，要求：

1)電液比例流量閥滿足負荷最慢加載要求，滿足高壓泵驅動回路的位移速度控制需求，控制信號與流量具備單調性；

2)電液比例流量閥串聯在高壓介質油回路上。

3.高壓泵、高壓油管、電液換向閥等液壓系統附件，要求：

電液換向閥具備打開或者關閉高壓油路的功能，高壓油管滿足系統最高壓力要求，電液換向閥等液壓附件滿足液壓系統的基本功能需求。

4.油缸，要求：

油缸具備線性輸出載荷功能，油缸缸徑尺寸需與輸出最大載荷匹配，油缸的介質油壓強與加載力具備線性關系。

其次，還需要有一個控制與檢測系統的硬件平臺，該硬件平臺至少應包括：

1)控制程序運行處理器，要求：該處理器可進行匯編語言、c語言、梯形圖等一種常見計算機語言編程，滿足運行控制算法編程需求，滿足算法運行對運行速度的要求；

2)斷路器、接觸器、空氣開關、按鈕操作箱等電氣系統配件，要求：該配件組建的回路可滿足高壓泵安全可靠啟動與停止的要求；

3)負荷測量傳感器，要求：該傳感器測量量程不低于系統最高壓力范圍，測量精度不低于材料力學性能檢測最低精度；

4)控制軟件編程機與操作平臺或軟件，要求：可開展控制算法編程，操作平臺或軟件可按需修正控制算法中的控制參數。

在前述條件的基礎上，本發明提供了一種液壓加載試驗機的起始加載段載荷柔性加載控制方法，包括：加載起始安全位移點確定方法、起始段載荷區域計算方法、起始段區域的比例溢流閥典型值計算方法、起始段區域的比例流量閥典型值計算方法、起始段位移-加載力復合控制方法以及起始段-準線性加載段柔順切換控制方法。

更進一步的方案是：

1)加載起始安全位移點確定方法，具體為：

a)調整快速位移速度到合適水平；

b)實驗前，測量承壓材料頂端的位移值h1，設置距離承壓材料位移安全位移，設為h2，目標安全位移點為h3；

h3＝h1-h2

c)軟件上設置快速位移目標位移點；

d)啟動快速位移運動過程，當到達快速位移目標位移點時，快速位移停止。

2)起始段載荷區域計算方法，要求：

a)液壓試驗機進行快速位移運動，測量沖頭與承壓件接觸瞬間的載荷值；

b)測量三次，取其平均值f1，低于f1壓力段為起始段載荷區域。

3)起始段區域的比例溢流閥典型值計算方法，具體為：

a)研究比例溢流閥的壓力特性曲線，固定比例流量閥開度值bl0，實驗能達到f1時比例溢流閥的最小開度by1；

b)根據經驗選取一個較低值by0，進行一次加載實驗，若接觸后壓力遠超過f1，則降低by0，重新進行實驗；

c)實驗后，若接觸后壓力仍超過f1，則降低by1重新進行實驗，直到接觸力剛打到f1，此時對應比例溢流閥開度為起始域比例溢流閥開度典型值by1。

4)起始段區域的比例流量閥典型值計算方法，具體為：

a)研究比例溢流閥的流量特性曲線，固定比例溢流閥開度值by1，加載實驗中能可控達到f1值的比例流量閥開度、且加載過程中空程位移速度滿足要求，即為比例流量閥的典型開度；

b)根據經驗選取一個較低值bl0，進行一次加載實驗，若接觸后壓力瞬間達到f1，則降低bl0，重新進行實驗；

c)實驗后，若接觸后壓力仍瞬間達到f1，則降低bl0，重新進行實驗，直到加載過程柔順加載到f1時；

d)若接觸后，壓力不變或者加載速度過慢，則提高bl0，重新進行實驗；

e)實驗后，若接觸后壓力仍不變或者力加載速度過慢，則提高bl0，重新進行實驗，直到加載過程柔順加載到f1時的比例流量閥開度為慢速加載比例流量閥開度特征值bl1；

f)設置慢速位移過程中比例流量閥開度bl2(初值為bl1)、比例溢流閥開度by1，進行慢速位移實驗，若慢速位移太慢，則適當提高bl2；其中，由于比例流量閥的非線性特點，bl2不應比bl1大很多。

5)起始段位移-加載力復合控制方法，具體為：

a)設置比例溢流閥起始段開度值by1，比例流量閥位移控制開度bl1，比例流量閥加載力控制開度bl2，起始段加載終止載荷f1；

b)加載過程啟動，系統按照bl1設置的流量進行慢速位移控制；

c)當檢測到加載力有2kn的變化時，系統按照bl2設置的流量進行慢速加載控制；

d)加載到f1，起始區域加載過程結束。

6)起始段-準線性加載段的柔順切換控制方法，具體為：

a)實驗確定準線性加載過程中比例流量閥典型值bl3；

b)當加載到f1，起始段加載過程結束；

c)將bl1作為比例溢流閥初值，按照線性加載過程確定的溢流閥段距值，實時更新比例溢流閥開度值；

d)設置比例流量閥開度為bl3。

通過本發明，提供了一種液壓加載試驗機的起始載荷柔順控制方法，解決了全載荷域加載過程中起始段跳躍、臺階加載的問題，滿足實驗室或者工業科研生產對載荷精確加載的需求。本發明的起始段載荷柔順控制方法已經在實際工作中得到應用，實現了加載起始段的柔順控制，滿足了材料可負荷加載力測量與其他力學性能評估對大噸位、精密型試驗機的要求。

附圖說明

圖1為本發明整體流程示意圖。

圖2為液壓驅動系統簡易原理圖。

圖3為加載起始安全位移點確定方法流程圖。

圖4為起始段區域的比例溢流閥與比例流量閥典型值計算方法流程圖。

圖5為起始段-準線性加載段柔順切換控制方法控制流程圖。

圖6為起始段-準線性加載段柔順切換控制方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

如附圖1-6所示，一種液壓加載試驗機的起始加載段載荷柔性加載控制方法，包括：加載起始安全位移點確定方法、起始段載荷區域計算方法、起始段區域的比例溢流閥典型值計算方法、起始段區域的比例流量閥典型值計算方法、起始段位移-加載力復合控制方法以及起始段-準線性加載段柔順切換控制方法。

更進一步的方案是：

1)加載起始安全位移點確定方法，具體為：

a)調整快速位移速度到合適水平；

b)實驗前，測量承壓材料頂端的位移值h1，設置距離承壓材料位移安全位移，設為h2，目標安全位移點為h3；

h3＝h1-h2

c)軟件上設置快速位移目標位移點；

d)啟動快速位移運動過程，當到達快速位移目標位移點時，快速位移停止。

2)起始段載荷區域計算方法，要求：

a)液壓試驗機進行快速位移運動，測量沖頭與承壓件接觸瞬間的載荷值；

b)測量三次，取其平均值f1，低于f1壓力段為起始段載荷區域。

3)起始段區域的比例溢流閥典型值計算方法，具體為：

a)研究比例溢流閥的壓力特性曲線，固定比例流量閥開度值bl0，實驗能達到f1時比例溢流閥的最小開度by1；

b)根據經驗選取一個較低值by0，進行一次加載實驗，若接觸后壓力遠超過f1，則降低by0，重新進行實驗；

c)實驗后，若接觸后壓力仍超過f1，則降低by1重新進行實驗，直到接觸力剛打到f1，此時對應比例溢流閥開度為起始域比例溢流閥開度典型值by1。

4)起始段區域的比例流量閥典型值計算方法，具體為：

a)研究比例溢流閥的流量特性曲線，固定比例溢流閥開度值by1，加載實驗中能可控達到f1值的比例流量閥開度、且加載過程中空程位移速度滿足要求，即為比例流量閥的典型開度；

b)根據經驗選取一個較低值bl0，進行一次加載實驗，若接觸后壓力瞬間達到f1，則降低bl0，重新進行實驗；

c)實驗后，若接觸后壓力仍瞬間達到f1，則降低bl0，重新進行實驗，直到加載過程柔順加載到f1時；

d)若接觸后，壓力不變或者加載速度過慢，則提高bl0，重新進行實驗；

e)實驗后，若接觸后壓力仍不變或者力加載速度過慢，則提高bl0，重新進行實驗，直到加載過程柔順加載到f1時的比例流量閥開度為慢速加載比例流量閥開度特征值bl1；

f)設置慢速位移過程中比例流量閥開度bl2(初值為bl1)、比例溢流閥開度by1，進行慢速位移實驗，若慢速位移太慢，則適當提高bl2；其中，由于比例流量閥的非線性特點，bl2不應比bl1大很多。

5)起始段位移-加載力復合控制方法，具體為：

a)設置比例溢流閥起始段開度值by1，比例流量閥位移控制開度bl1，比例流量閥加載力控制開度bl2，起始段加載終止載荷f1；

b)加載過程啟動，系統按照bl1設置的流量進行慢速位移控制；

c)當檢測到加載力有2kn的變化時，系統按照bl2設置的流量進行慢速加載控制；

d)加載到f1，起始區域加載過程結束。

6)起始段-準線性加載段的柔順切換控制方法，具體為：

a)實驗確定準線性加載過程中比例流量閥典型值bl3；

b)當加載到f1，起始段加載過程結束；

c)將bl1作為比例溢流閥初值，按照線性加載過程確定的溢流閥段距值，實時更新比例溢流閥開度值；

d)設置比例流量閥開度為bl3。

盡管這里參照本發明的解釋性實施例對本發明進行了描述，上述實施例僅為本發明較佳的實施方式，本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。