一种用于结构静力试验的电液伺服控制加载系统

江礼鹏，王宏宇

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)

0 前言

结构静力试验是研究复杂工程构件静特性的重要手段，是校核产品设计静强度、刚度、稳定性，鉴定产品可靠性的有效途径，并为产品结构设计和产品结构优化提供可靠的静强度数据和最准确的资料。对于形状和受力都较复杂的构件，结构静力试验是产品结构研发必不可少的也是唯一简单而有效的途径。试验结果对产品的计算机模型的建立以及二次开发起到重要的指导作用。因此，目前许多领域，包括土木、汽车、船舶、航空、航天领域的大型结构件的研发过程中，都需要对构件进行结构静力试验，保证产品的品质和可靠性，避免产品的实际参数达不到设计要求。

1 电液伺服系统

液压加载根据液压流体力学原理，利用液压元件组成的压力和方向控制回路，将一定压力的油液输入液压缸，由液压缸内的活塞把分布的油压转变为集中力，最后经活塞杆输出。

电—液伺服系统的分类方法很多，可以从不同角度分类，如位置控制、速度控制、力控制等;阀控系统、泵控系统;大功率系统、小功率系统;开环控制系统、闭环控制系统等。根据输入信号的形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。图1为电液位置伺服系统：

图1 电液位置伺服系统

电—液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。因此，在负载质量大又要求响应速度快的场合最为适合，其应用已遍及国民经济的各个领域，比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机床工作台的位置控制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机的模拟台控制、发电机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。在油源设备提供一定压力油液的情况下，计算机调整输入到液压缸内的油液流量，由此控制试验载荷或位移。根据这一设计思想，依据被控参量开发了两个液压加载分系统：力控制系统和位移控制系统，以满足不同的试验需求。

国内现有的应用于结构静力试验的系统，在试验力精度，位移传感器分辨率，响应速度和活塞行程上很难达到用户需求，美国MTS公司的伺服加载系统能够达到和超过用户要求，但是其价格是国内相同系统的几倍甚至几十倍，基于这种情况，采用美国NI公司的LabVIEW编程软件即图形化语言作为开发平台，开发了一套数据采集、信号处理及仪器控制的虚拟仪器应用程序，配以伺服放大器、MOOG的直动式伺服控制阀、及作动器，形成了一套性能优良的位移、力闭环控制系统。该系统可以进行负载0～500 kN的试件的静态试验。其试验力精度≤±1%，位移传感器分辨率可达到0.01 mm，活塞的最大行程可达500 mm，控制精确、操作简单、响应速度快、控制稳定，达到了预期的设计标准，是一个可靠的实验平台。

2 虚拟仪器伺服系统

利用美国NI公司的LabVIEW编程软件作为平台开发伺服控制系统软件，该软件主要功能为数据采集并实时的显示波形型号，可实时显示力－位移，力－时间，位移－时间曲线，并通过采集的数据及控制参数发出控制信号，数据的采集与控制信号的发出通过研华工控机A/D和D/A转换，计算机运行伺服系统控制软件，通过伺服放大器控制伺服阀，从而实现对作动器活塞位置的位移闭环反馈控制。作动器活塞位置使用深圳联诚世纪的RP/RH非接触式位移传感器，其分辨率可达16位D/A或满量程的0.001 5%。

本系统如图2所示，主要由以下部分构成：

1)主机：对试样进行加载的工作装置，本系统为作动器。

2)控制柜：启动、停止油泵电机，对异常情况报警的操作装置。

3)油源：对液压系统提供油液和动力，通过作动器对试样加载的动力装置。

4)控制系统：控制试验按照需求逐步进行，并对试验数据进行采集、放大、显示、处理和打印的装置。

图2 伺服系统主机、控制柜及油源外观图

该软件可以实现位移的手动控制，闭环控制以及自动程控，具有多种试验力、位移梯级加载、保载控制，数据的采集、记录、显示、实时保存以及采集频率的设定等功能，采集的数据通过实时处理可以显示其当前值，历史值及峰值，还能设定试验保护参数，软件界面清晰美观，操作简单，使用方便。控制程序流程如图3。

图3 控制程序流程图

该系统主要用于结构教学试验，也可以在加载框架内进行建筑结构的弯曲、压缩、拉伸等性能试验。试验对象包括柱、梁、框架等。还可以将系统中的油缸在加载框架内组合使用，以实现多点协调加载功能，测试结构在复杂受力情况下的力学性能。图4为伺服控制系统界面。

图4 伺服控制系统界面

3 结论

本系统根据实际情况选择了液压辅助控制系统的硬件配置，基于LabVIEW平台开发了伺服控制系统软件，大大简化了源程序的开发。由于LabVIEW所具备的强大功能使传统的信号发生器及其他硬件设备可以省略，而且精度更好、成本更低、试验系统性能更稳定。该系统充分考虑了结构试验系统的各种特征，功能齐全、界面美观、操作简便、此软件可以快捷、方便、直观地实现试验要求的各种操作，人机对话灵活、友好。

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