（机械电子工程专业论文）基于电液伺服控制技术的隧道模拟加载系统研究.pdf

j k 嫩交通太学硕士学位论文 参考文献 “1p i p p e n 姆b j ，h i e k s ，d u s 城瓤h y d 糟u 驻e s ，3 r de d i t i o n ，m c g 礴w - h i l ，i 9 7 9 。 口l 攀长簿，翔晓瓤渡压疲劳试验瓿数字控翻豹实蕊，滚鹾气葫与密封，2 4 ， 6 p i 赫兹，浇毅力，曹鞠，李天磁道路横拙振动台教篡控铡系统的研裁，系统 仿褰学报，2 0 0 4 ，5 ， ”1m t s ，m o d e j3 2 0t j r ec o u p l e dr 0 a d s j m l l i a t o m t ss y s t c i n sc o r p o r 砒i o n ， 2 0 0 2 2 p j 罗冯涛，转台液压数字伺服系统研究，北京理工大举学位论文，2 0 0 2 ，2 1 6 俺蠢彬，李新忠神经瓣络挺露5 技术及其应用，然索：科学出舨社，2 o ”p t m f l | z s l 珏o n s ，王j 。p a l 盏! 嚣o l o ，尹礴唁j j 毒悫波撩瓣o ，蠢 秘l 群壤理p o 手如嚣交耀a 蹦弱趱蟹“鼢输酬! ，a s 溅秘髓落o f d y n 矗m i c s y s t e m ，m e 鹪u 辑m e 嗽，a n dc o n 缸l ，、白l 。1 1 8 ，n 0 3 ，4 3 垫4 4 2 ，| 9 9 6 p 1p m f i 馏s i m o n s ，j j p m a z z 0 1 0 。“p 切彳2 7 龇加霉 o 饥8 一瓣8 一o ，二m p 如晰一c 咖# 鼢“船冉如姗f ，a s m ej o u m a lo f d ”a m i c s y 舭m 。m e a s u r e m e n a 1 1 dc o n 打o l ，v o l ，ll8 ，n o 3 。“3 4 4 8 ，1 9 9 6 f a r + p i 娜“峨n d 、铀曲a n ，“黝6 凇f 如耐f 坩c 。础讲f 静圄p 方口“f f c 鼬r v 郴w 招m ，。a s 暇j o u m 砧o f d y n a m i cs y s t e m ，m e 矬s u r e m e n t ，a l l dc o n 缸盼l ， v 。i j 1 8 ，n o ，2 ，2 3 7 2 4 4 ，1 9 9 6 1 q j ，歉幻套沁戳x 王甩掰，毋蹲罐撵露豫矗叠掰幽哼日螃e 觥娥彰麓嚣僦 蠢。缸嘏触，a s 猢匪j 。瀣l t 毅o f 貉y n a 稻i es y s 挺盘，k l e 籍娃糟m e 瓣，a 蝣e e g 鹣l 、如1 1 8 。n o 4 ，7 4 7 2 0 ，i 9 9 6 1u r s u i ，eu r s u ，c o n t f o la 删v 。is e m i a “i v e 出t u 惜a c 耐锄i e ir o m 轴e ，2 0 0 2 。 l l 司b a i l e ye n ，c o c k b u mj c ，d e e a ，氓拍淞f c 删洲崩r 峨曲俄咖丌竹积钾 埘d l 棼，l 觚s 黜加f ， a s m 积j o u m a lo f d y n a m i cs y 8 t e m ，m e 酆u f e m e n 协l a n d 北京交逶大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及选题意义 本谍惩是受靛天部委托，为北京交通大学隧道中心设计模拟隧道 液压加载系统。本液压加载系统模拟隧道开挖环境，从试验台架的 顶部和侧颡分别绘试件加载，同时从顶部施烟水压。本系统主要用 来骰两类试验：一是研究艇力水通过裂隙介质的渗透性及衬砌上的 水压力与堵排水之间的关系；一是研究在无水条件下各种不同开挖 方法、支护措施下围岩中应力、位移的分布特点。 本谦鼷对于隧道开挖研究有重要意义。它既可以模拟各种自然条 件下的开挖环境，又可以试验各种开挖方法和支护措施，还可以方 便地采集需要的数据，进丽为土建实验提供优越的二 ：具，大大提高 隧道开挖的可靠性和高效性。 国内已有几家科研机构从事模拟隧道的研究，但是不能很好地模 拟实际开挖环境，主要是因为没有提供水压系统。本加载系统综合 考虑了隧道开挖的各种情况，在提供载穗的同时，可以施加水压， 履载荷和水压大小均连续w 调。因此本课题填补了国内相关研究领 域的空白，在土建研究中其存重要的意义。 1 2 性能指标和关键技术 在综合考虑试验方要求的基础上，制定出本模拟隧道液压加载系 统性能指标： ( 1 ) 外轮廓尺寸：长宽高= 1 0 4 0 3 o ；框架额定承载： 垂直方向2 0 0 0 觅，水平方向1 0 0 0 刎。 ( 2 ) 水压系统最大加载力0 5m p a ，且无级可调。 ( 3 ) 水压系统存严格的密封，压力水从模型上表面加，经过裂 隙渗透到模型体内，从指定的摊水翻排出，排水日有控制 水流量的阀门和相应的测量装置。 ( 4 ) 相似材料模型净尺寸：长宽离= 1 o x 2 6 1 8 m 3 。 ( 5 ) 加载液腿千斤顶顶部4 个，两侧面各2 个。 蕺京交通天学磺学位论文 ( 6 ) 加载控制方式：饲服控制。 ( 7 ) 数据采集系统：预翟4 0 通道计算机控制自动采集。 ( 8 ) 采集数据的物理爨：加载力，模型体内渗透压力，模型体 内应力，结构内力、外力，结构变形。 ( 9 ) 模型前后的限位板承受的最大应力为o 1 m p a 。 ( 1 0 ) 试验系统的加工制造、安装调试完成后，进行完整的模型 试验检验，试验过程中各子系统协调良好，易于操作，无 漏水漏溘，测试数据正确。 设计中的关键技术如下： ( 1 ) 高精度电液伺服控别系统的控裁策赡。具体包括：单套波 压加载耪度优于l ；传感器、放大器和数据采集系统， 阱及电液伺服阀的选型和匹配问题；施力回路的非线性控 制问题；水平加载中的同步控制问题。 ( 2 ) 大推力承载结构驹磷制。水平方向l o o o k n 和垂囊方向 2 0 0 0 k n 嗣时作用时承载结构的稳定性和安全性阀题，以 及试件的制锯、操作和维护性问题。 ( 3 ) 均匀加载问题。为了防止试作在加载过程中出现断裂等问 题，稠载过程必须缓慢、均匀。 ( 4 ) 水压系统豹密嚣与控制。采臻计算枫进行蹶序动作，先加 裁，后加水，每个加载波压缸的端部可靠密封。 ( s ) 计算机控制的研制。包括友好的人机操偌界面设计、实时 控制的实现、4 0 通道的数据采集、故障处理方法和表现 形式等等。 1 3 液压控制技术在国内外发展现状 液压控铡技术是上世纪5 0 年代至6 0 年代以磊逐渐发展起来豹。 随着董业技术的发展，特剐是军事上和航空与宇航技术上应用的俪 服控锖系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，液压伺服控 制特有的响应侠、重量轻、尺寸小及抗负载刚性大等优点，得到了 迅速发震。“工业液压技术在全球经济中稳步发展。其绒用没存边 界。”叫 7 0 年代以来各种比例控制系统的发展、高速开关电磁阀和步进电 机驱动的数字阀和脉宽调制控制技术、数字增量控制型电液伺服系 统等的应用，标志着液糕擦制技术在i 每前发展。近年来，随着计算 枫控制技术、奄子鼓术在液压传动及控制系统的广泛深入应臻，使 龟液控制系统兼备了电气和液压的双重优势，形成了爨有竞绎力的 2 北京变通太学硕士学位论文 第二章系统数学模型的建立和仿真 要利用液压控制技术进行系统构建，必须先知道该技术的性能和 特征。而欲知其性能特征，必从系统建模开始。系统建模通常有两 种方法：一为物理方法，是对系统各个部分进行物理分析，根据受 模型；一为系统辨识方法是把系统看着一个黑箱，通过输入一定 特性的信号，观测输出信号，进而得到系统的数学模型。前者多用 于物理机理比较清晰、结构不很复錾蠢粥：整醚囊笋l 囊雏彭蟊 酆，型毪魏囊旁到囊篓登嚣：霪喾萋溺灞il；|国磊菱鉴誊冀鬻。囊 融娶嚣营椠茸劳譬篓例街追囊，q蠢群麓静羹茔嬖髓鲔耐列豁 蘩矿酗篓盅萎萋蘸篓趱_j哮薹：誊錾拳引囊磊稳j荆螽髫7溺嚣瞪事雾玲零基横囊掣王廿於剿j 蓉姜喇7 滩强显臻奠豢 b 辨识工具籀的使用方法。 为了提尚系统频宽，提高系统阻尼是一种办法。但是液压系统 疆尼在系统建立焉往往是确定了的。吃较有效的方法是进行全状杰 观测。文献口州提出了全状态观测的设计方法。 同步控制是液珏系统控制中重要的组成部分，文献i 2 7 】研究了二 缸耄液搦服系统运动同步阏题。文章采糟二步设诗法：善先采用线 性m i m o 鲁榜控制技术设计外环同步控制器，再采用基于s l s 0 干扰 观测器的内环控制器处理电液律动器的非线性问题。文献壮8 j f 2 9 l 【3 0 】都 对同步拽铡佟了耜应研究。 1 5 本课题的研究内容 为了达到模拟隧道液压加载系统性稚指标，制定了如下总体构 思； ( 1 ) 加载方案采用伺服阀+ 力传感器。 ( 2 ) 采用8 套加载桃构，每套机构实现计算机闭环控制，提供 5 蝌。加载力，加载精度优予l 。 ( 3 ) 辅助位移传感器，对试验系统实现位爨控制。 ( 4 ) 加载系统采用集中控制方式，并采用机电液一体化技术和 自动控制技术，实璐加载过程的程控化。 ( 5 ) 采用计算机自动控制技术，具有故障自检功能，便于现场 保养维护 。 ( 6 ) 采用多项安全保障措施，保诞试验过程中试样的安全。 本潆题以液压控制技术、自动控劁原理和数字控裂理论为慕础， 把机、电 北京交通大学硕士学位论文 础上具备了更多的性能，也拓展了液压控制技术的应用领域。 本文建立了模拟隧道液压加载系统位置环和力环的数学模型，并 用s i m u l i n k 进行了仿真研究。用s 0 1 i d w o r k s l 3 l j 软件建立了台架系统， 对液压系统作了负载匹配分析。设计了水压系统和计算机控制系统。 结合数字信号处理技术、信号采集、d 、d a 转换技术，利用面向 对象的程序开发语言v i s u a lc + + 6 0 1 3 2 j ，对数据采集卡、高性能工业 p c 机进行开发，实现了自动控制、信号监测、故障诊断与处理等功 能。本文还研究了动态加载系统，利用x p c 、r t 、v t 等多种工具进行 系统在线分析，使用各种p i d 控制策略对系统进行了仿真研究。 北京变通大学硕士学位论文 图2 3 阀控液压缸一负载模型黼 2 2 1 伺服阀的负载压力一流量特性 根据文献【3 ”，不问运动方向下具有非对称液压敬时饲服溷的负 载流量方程如下： 馥。= 峨似肛丽一。 p t ， 鲵= 蚂慨肛面刖 沼z ， 式中凹：! 兰至 塞1 0 2 ( 1 + ，7 2 ) 最= 只一是 式( 2 2 ) 与式( 2 。1 ) 统一形式，得到 瓯碣w x 甄 将式( 2 3 ) 线性化可褥裂 q 嘛= k 一k l ( 2 - 3 ) ( 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 式中 t 。一流量增益，m 2b k 。 k k p ： 2 警硝印牿( 只嘞) - 班 v 口 ：籍：罐。 2 2 2 毒暑对称液压缸负载流量方程 q “ 七磊”氐y 矿 t ，2 m 3 + 等( 1 吖) k 2 1 磊广一 2 2 3 液压缸和受载的力平衡方程的建立 动力机构的力学方程为 开矽+ 避渺+ 眉砂+ ，= f 1 f = “ p 1 一省2 p 2j 式中 9 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 一) ， 口一哈 ， 酾 忡一帅 僦 瓤 巧 撇一噼骸与桩 悲京交避大学硕士学位论文 式中珥( 5 ) 伺服阀特征方程 足：竺! 堡坠茎竺茎! 一删 k 。运算放大器增益： 疋导纳，n 民伺服阀增益，飓翻 鼍反馕增益，渤n 。 2 2 6 系统的静差 理论上当，= o 时系统冤静差，因为厶l 一。o 。但是因为实际 的伺服阀存在泄漏，所以非对称缸会给系统带来静差 v ，f ) ：叠一 ( 2 1 5 ) 、。k 。k 。k 。k l 此外，液压缸的死区、电液伺服阀和放大器的零飘及测量元件的 零位误差都将弓| 超系统的静差，这些赘羞都与输入信号秘干扰信号 无关。在进行系统的误差分配时，应保证箕总和小于系统允许最大 误蒹之半。为减少系统的静差，要求系统的电器部分( 放大器和反馈 元件) 具有足够的增益。 2 2 7 系统的仿真 我们对2 2 5 节附加干扰力对系统的影响进行仿真研究。仿真工 其为m a t l a b 及其s l m u l 渊k 。m a a b 是由m a 硼w o r k s 公 司推出的一种应用于科学计算与系统仿真的应用软件，最有丰富的 矩阵运算和图形处理能力秘”。 根据图2 4 的系统方框图，我们建立如图2 5 的仿真系统， 北京交通大学硕士学位论文 从而得到了非对穆氤双向阶跃晌应对眈豳，如图2 6 所示。 阶 瑟s 应6 图2 。5 系统仿真结构图 图2 6 菲对称缸取向阶跃晌应对比图 用d s h p l u s 对非对称缸系统进行仿真更具有直观性。 d s 韬l u s 是德国著名的机械液压气动控制仿囊软件。在液压一气 动的传动技术领域的非线性问题的动态系统检测中，传统的方法会 使问题交得复杂，菇象d s h p l l l s 这样的数字模拟软件就显得十分有 用和方便了。在图表建模的基础上，d s i p l u s 重点是描述系统的功 能单元( 模拟重要因素) 。元件库中包括液压、气动、控制和机械零 件。图2 7 是d s h p i u s 提供的非对称缸系统韵仿真图。对图中各个 变量赋予典型数值，得到图2 8 所示的仿真结果。可见在运行过程中， 1 4 悲哀交通大学硕士学位论文 2 。3 施力机构数学模型的建立 2 3 1 电液施力系统概述 电液施力伺服系统是一种加力装置。电液施力伺服系统除了准 礁、能复现各耱抉逮交化的醢数鼬线以羚，还具有逶熠性好、结卡弩 紧凑、体积小、重壁轻、使用方便等优点。 被调星是力( 力矩) 豹色动控制系统# q 麓力系统。麓力系统可以 分成受力对蒙、施力机构和施力控制计算机三大部分。其中施力机 构由电液伺服阀、波压缸( 或液压马达) 及负载等三部分组成。施 力系统结构图如图2 9 所示。 l厂_1抗干扰p l j l 广，广 l 函数发生器卜吒 叫校芷 一叫 ll + j 一l l 一j 力反馈- l 施力控制计算机l 一_ _ 图2 9 施力系统结构图 2 3 2 电液施力系统的分类 文献p 4 】班受力对象对旖力机构的扰动类型和性质为依据，对旌 力系统进行了分类。由于找种分类能全瑟她囊摇各秘受载情况，并 麒以受力对象对施力机构的扰动分析为基础，对系统的优化很有好 处，这羼就采用这种分类方法来进行研究。 电液施力系统可敷分为秃挠动型施力系统、位置砉| | l 动熬施力系 统、钋力扰动型施力系统和内力扰动型施力系统。 无扰动型撂的麓施力过程中受力对象的广义坐标相对于施力机 构的基座无变化( 运动) 或者变化的量值很小可以忽略的情况。结 合隧道模拟加载系统，台架t 蘑的四个施力系统就属于挖糖类型。 农加载过程中，受力对象试件的像置基本不变。对于蠹架左右的二 缀施力系统，当试件质量饺大，船载遘程中试佟整体基本不动的蝣 候，比如对沙土进行试验，它们也是属于此种类型。 北京交通大学硕士学位论文 位置扰动型指的是在施力过程中，受力对象的广义坐标相对于施 力机构的基座有变化，并且这种变化是受力对象所要求的的情况。 此种类型在隧道加载中不出现。 羚力扰动型指在施力系统中，受力对象奄一个控制力反作胡于旌 力机构上的情况。在加载模黧中，此种类烈出现在试件旗量比较小、 比较容易整体移动的情况。此时台架左右相对的二个施力机构形成 对顶。对于其中一个施力机构来说，另外一个的施力就是外力扰动。 这种系统有一个报强的外干扰，如果采用简单的负反馈，力函数无 法复现，侄对予于扰力却能自动复现。 内力扰动型在施力过程中，受力对象的广义坐标的变化由施力所 引起。 2 3 3 施力机构数学模型的建立 根据隧道模拟加载系统施力系统的特点，我们推导外力扰动型施 力桃构的数学模型。图2 1 0 是辨力扰动型旌力系统的原理图。 一y l * 一y 2 f 1 - 1 一f 2 图2 1 0 外力扰动型旌力系统 假设左边的施力系统为磷究对象，右边的施力系统为受力对象。 樽到施力视构熊力方程 聊l s 2 m = f 一曩 s 2 托= e 一， f = 墨( 托一只) 液压缸的力方程 负载漉量方程 液愿缸的负载流景方程 统1 = 镌1 + 碎l 昂 北隶交通大学硕士学位论文 晓= 4 奶督告蛾 嗑! ：竺：盘兰 q 蔬，趔篇篇竽，+ 菇尹悄+ 掣瞩痧+ 熹 同样可以得到无扰动塑菲对舔薨力枧构的数学模型 琊，：避 4 晷e 蓉t 。 内力扰动型非对称施力机构的数学模型 2 。4 施力系统优化设计和仿真 施力系统的设计相对予位霞系统要更复杂。隧道试验中最常做的 属子无扰动型，考虑剿无扰动型熬力系统实际上是肉力扰动型的简 化结果，这墨对内力拨动型施力系统侮优化设计。 内力扰动型施力系统的设计过程分为以下几步： 施力枫构的伐亿设计； 求取极限幅频特救； 计算施力机构的数学模型； 确定施力系统开环增益及冀他参数； 校验系统的品质。 内力扰动型藏力系统方块图如图2 1 l 所示。 辩嚣 北京交避大学硕士学位论文 霭2 1 l 内力拢动型施力系统方块图 “f 面将结合隧道试验实际对考虑压容效应时内力扰动型非对称缸施 力系统具体设计。 考虑满足如下条件的加载系统：己知 一1 0 8 ，m ，m l 。o 。堙，= 5 l 。5 ，要表幅频正峰值珥o 积，颏宽 6 2 8 r 口d ，。，并且当而= 4 1 0 5 时的最大跟踪误差不大于5 0 。 求取爿及鳓 呜= 警= 等等最s ，枷。m 2 2 令加载斜率匕= 5 1 0 4 h ，液压缸左右腔面积比为节2 j ，则 l 4 = 上鸣= 5 t 3 6 1 0 2 搬2 叩 a 。；互兰：4 4 6 1 0 矗m z 令u 每鼍乒硝x t m ，s ，根据试验要求令瑚2 3 m ， 则 。4 = 1 2 3 x l o 一2 m 3 ，令尾= 1 4 x 1 0 9 屹，从而等效液弹簧系数 邑= 半a 慨1 0 9 胁 令g = 2 5 l o 一1 2 m 5 则 1 9 北京交通大学硕士学位论文 5 弼中表l o l 及式2 笋可得出对应的力幅值。将所得数据列入表 2 1 ，其极限幅频特性见图2 1 2 。 袭2 ，1 力蝠值数摧 一 00 5 0 0 ”0 弘04 p0 弘0 和0 和0 和0g p09 5 f 圆 82 1 6 p42 0 p2 l 鲥pl4 5 5 0l 昕5 #88 j l o06 2 弦04 5 妒 03 0 扣旺l s 弦00 7 和 x 89 l 和89 1 8 0o9 2 扣o9 捌pb9 3 黔89 竹po 蛳扣0 ；5 静89 6 如0 拿8 如89 9 如 只 一io l 和i 和l2 善，ls 2 弦20 和24 8 132 和 4 #7 # l 和2 。 9 2 3 6 6 辩 9 3 6 6 t 7 6 7 7 0 和6 i 卵0 4 6 1 3 7 0 +3 拜秘l 。2 8 8 1 s 5 0 j 3 4 j s 黔1 3 3 8 0 0 +6 甜4 薛 舯2 2 r 一 + 、 、 、 、 、 j 、 图2 1 2 极限幅频特性 1 、求取旋力机构的数学模型 令墨口= 3 7 9 l o _ 9 舶5 ，- s ，足。= 3 + 7 埘2 ，s ，则 就京交通大学硪圭学位论文 k 。= 彤。+ q = 3 + 7 9 x 1 0 9 槐5 s 琊，：兰裟援 4 p e k l x t 。 k s、毒母e k 。k5 k t 。 ：! ：兰! 兰! ! ! ：垒! ! ! ：! ! 坚嫂主! ：堡! 垒! 壁! f ! 垒：! ：! ! 丝 5 2 3 2 1 0 1 。( o 一5 s 2 + 1 ) x ( s ) + 1 4 1 4 i 0 1 。( 1 0 5 占2 + 1 ) 锄 一一一_ f i i i 石：；s j ；1 i 一5 ；2 ；6 ，8 9 l o 一3 5 十1 下丽根据文献驺6 】求上式的三个特征根。 鬣：! 旦垒墨：! ! ! ：! ! ! 坠! ：堑! ! 笙! 塑型坚 = 1 0 9 1 0 9 掰 扣毒2 寿4 好：丛：6 3 l l 萨 x l 口 = 辱圳s 删，s = 嚎+ 去蚶观博 则根据万及值可在文献i 3 6 1 图9 5 2 中蠢到霉= 1 7 ，敞 是2 专詹- o - 雠“ 故施力援| 构的数学模型可写成 磊= 鬟观，跣 苫4 5ooo | ；一 l l 墨 北京交通大学硕：t 学位论文 露2 ，| 3 滚压系统s i m h l i 睦妨囊翻 t 莲2 。 4 滚蓬系缝蹬跃璃建谤粪络粱 旗黧巾可戳看窭，系统懿动态特镶聚静态特後帮鼗磐。 2 s 小缩 举辫对溅道模 f 加载系统的位置控制系统和施力系统分别进行 了解孝庵溅横菇协粪。在位置控制系统中特别分孝厅了嚣对称执行机构 附加干扰力对系统的影响，并分别用m a t l a b 斓d s h p l u s 软件作了 仿真分瓣。程说明施力系统的结构和分类的蕊础上捺导了外力扰动 型系统的数警模型，并按照内力扰动型施力系统的设计过程对隧道 模拟撩裁系统逐步避行了侥纯设诗。苈真缩聚谖瞬了饶诧设计豹合 理蠖。 北京交通大学硕士学位论文 f 置2 焘 式3 5 代入式3 4 得出最大功率点的流量为 q _ c 卜三 由于c ：! t ，故上式可写成 彳编 c i ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) q l 焉 仔s ， 令式3 2 与式3 6 相等，得 = 蔫“0 6 鲁 ( 3 _ 9 ) 2 2 只只 令式3 3 与式3 - 8 相等，得 绋= 捏等枷 翰= 店慨1 0 4 篆以陬1 0 4 聪n 口 式3 9 和式3 1 0 即是求取以耗能最小为指标的最佳匹配参数的计算 公式。见图3 2 。 咚 73 o ws q nq ) 一氐一 p sj p 尸【 图3 2 椭圆负载的最佳匹配图 2 9 北京交通大学硕士学位论文 3 2 3 伺服阀选型 根据液压动力机构的优化设计，在忽略外干扰力、液压缸和负载 的粘连阻尼、泄漏的情况下，伺服阀的空载流量是q ，= 8 2 3 三m i n 。 考虑到将来可能对1 个缸或者2 个缸作动态试验，同时为了防止伺 服阀堵塞，最终选用了航天部生产的型号为s f d 2 1 3 a 、标准额定流 量为6 0 三m i n 的动压反馈伺服阀，它的幅频宽5 0 胁，额定电流为 1 0 4 ，线圈电阻为1 1 0 0 1 1 0 q ，并联后为其二分之一。显然这样的 参数足以满足静态加载的要求，对一般水平的动态加载也是可以的。 图3 5 单侧4 个并联的伺服阀 3 2 4 液压缸设计 根据试验要求，液压缸的最大压力是2 5 脚订，工作压力是 2 0 肘p 口，行程为2 0 0 埘珊。从优化设计中得到液压缸有效面积是 2 5 4 1 0 2 m 2 ，相应的活塞直径是d = 0 1 8 聊。由于是非对称缸，这 里设定活塞杆的直径是d = o 1 4 m 。 图3 6 试验台架上方4 个液压缸 北京交通大学硕上学位论文 3 5 检测系统设计 在隧道模拟加载系统中，检测系统包括两部分内容：一是在加载 过程中提供力、位置信号的采集系统，一是检测加载过程中试样内 部和隧道各部位水压、土压、应变等的4 0 路采集系统。因为后者的 水压、土压、应变等采集信号只对做岩土试验的客户有用，所以对 其传感器的作用机理不予研究，只给出4 0 路弱信号采集电路设计。 模拟电路的原理图请参见附录b 2 。 3 5 1 力传感器的选用 考虑量程、精度、安装等因素，选用了型号为s p x 5 的负荷传 感器。其指标如下： 规格：5 0 吨 供桥电压：1 2 v 线性： o 0 5 重复度： o 0 5 滞后： o 0 7 输出：4 2 0 m a 3 5 2 位移传感器的选用 为了提供系统工作的可靠性，设计时考虑用内置式位移传感器， 即将位移传感器做在液压缸内部。然而这样的设计极大地增加了制 造成本。考虑到外置式传感器的可置换性和性价比，最终选用了 d a 1 0 0 型直流差动变压器位移传感器。为了防止加载过程中液压缸 活塞转动对传感器的损坏，机械设计中设置了相应的导向装置。 d a 1 0 0 型直流差动变压器位移传感器指标如下： 测量范围：1 0 0 m m 线性度： “一，则只累加负偏差；若“( f 1 ) ；：i 步进式p i d 控制算法：适用于较大阶跃响应、伺服精度高的系 统。该方法不直接对阶跃信号进行响应，琵是偻埝入指令信号一步 一步逼近所要求的阶跃信号，使对象运行平稳。此法应用于隧道模 拟加载系统中。 5 4s 遗数和m 函数的编写 为了检验各种控制算法的有效性，需要作计算机仿真。仿真的方 法狠多，可以用c 语言、v c + + 编程进行仿真，但更多的是在m a t 出 环境下进行，因为其拥奏强大的计算能力裙图形界西。m 觚l a b 的 s i m 试i l l k 工具箱拥有众多有用的模块，绢户可以直接拖到仿真塞弱 搭建模型进行仿真。为了把自甚的算法嵌入仿真模型中，往往需要 鑫己编写模块。方法是在s i m h l i 呔工兵箱确e r 魏曩n e df 黼c t i o n s 中 选择s f u i l c t i o n 或者m a t l a bf c n 。s f 雌c t i o n 有自己固定的格式，可 以通过运行s f i m t m p l ，m 观察其结构。