[發明專利]應用于現場大型力學試驗的閉環控制系統及其控制方法

在審

• 申請號: 202211046877.5
• 申請日: 2022-08-30
• 公開（公告）號: CN115389346A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 趙劍明;楊正權;朱凱斌;王龍;劉小生;翟明;劉啟旺;張栓旺;陳富;陳寧;梁向前;趙藝穎;黃超群;張卿
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 陳航

1.一種應用于現場大型力學試驗的閉環控制系統，其特征在于：包括步進電機、力傳感器和位移傳感器；所述步進電機與液壓油泵的控制閥相連，液壓油泵的出油管路、回油管路分別與千斤頂的進油口、出油口連接；所述力傳感器位于傳力機構與千斤頂之間；所述位移傳感器安裝于剪切盒或載荷板上；所述位移傳感器、力傳感器和步進電機均與數據采集與控制箱連接；所述數據采集與控制箱與電腦端連接，數據采集與控制箱實現位移傳感器、力傳感器和步進電機電信號與電腦端數據信號間的轉化；試驗過程中的加卸載控制與數據采集，均由所述電腦端內置程序控制完成。

2.一種采用權利要求1所述的應用于現場大型力學試驗的閉環控制系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、根據試驗需求，進行設備安裝和輸油管路連接；

S2、將步進電機、力傳感器和位移傳感器與數據采集與控制箱相連接，再將數據采集與控制箱與電腦端相連；

S3、電腦端輸入加載目標P、加載分級數n、加載容許誤差δ和每級加載時間T，生成試驗加載方案：

P_i目標＝P﹒i/n

其中，P_i目標為第i級荷載施加目標值；

S4、基于試驗加載方案進行第i級荷載加載，步進電機控制液壓油泵的出油和回油，液壓油泵給出的油壓將千斤頂的活塞頂出并作用于力傳感器，力傳感器與傳力機構接觸后提供反力，力傳感器測試接觸反力后反饋給電腦端；

S5、電腦端根據力傳感器的數據反饋，計算實際荷載與目標荷載的偏差，用以進行荷載反饋控制；

S6、當本級的實際荷載與目標荷載的偏差在預設值范圍內時，持續當前荷載，持續時間為T，期間每隔0.01T時間段進行實際荷載與目標荷載的偏差計算，在滿足預設值的情況下則持續加載，加載持時達到T后進入S7；若不滿足，則進入S5中的荷載反饋控制；

S7、重復S4～S6，依次進行所有荷載級次的加載，直至完成所有級次的加載：若在i級加載后，土層即達到規范要求的破壞標準，則破壞后停止加載，若n級加載完成后，土層仍達到規范要求的破壞標準，則繼續加載直至破壞，每一級加載目標增量為P/n；

S8、步進電機控制液壓油泵的出油和回油，實現千斤頂卸載，力傳感器同傳力機構脫離，加卸載試驗完成，電腦端存儲試驗數據，設備、輸油管路和數據線拆除歸位，試驗全部完成；

S9、根據記錄試驗數據，輸出現場大型載荷試驗的載荷-沉降關系曲線，或現場大型直剪試驗的剪應力和剪切變形關系曲線；

S10、根據載荷-沉降關系曲線計算土層承載力和變形特性指標，或根據剪應力和剪切變形關系曲線計算土料抗剪強度特性指標。

3.根據權利要求2所述的應用于現場大型力學試驗的閉環控制系統的控制方法，其特征在于，步驟S1具體包括：

將步進電機與液壓油泵的控制閥連接，液壓油泵的出、回油管路與千斤頂的進、出油口連接，液壓油泵出油時，千斤頂活塞頂出，實現加載，液壓油泵進油時，千斤頂活塞收回，實現卸載；

力傳感器用于量測施加于傳力機構上的荷載實際加載值，當為現場大型載荷試驗時，將力傳感器置于豎向千斤頂之上，試驗傳力機構之下，用于傳遞和測試豎向加載力；

當為現場大型直剪試驗時，力傳感器包括豎向力傳感器和水平向力傳感器，將豎向力傳感器置于豎向千斤頂和傳力機構之間，用于傳遞和測試豎向加載力，將水平向力傳感器置于水平向千斤頂和傳力機構之間，用于傳遞和測試水平向加載力；

位移傳感器用于量測監測對象的實際變形值，當為現場大型載荷試驗時，將位移傳感器設置于載荷板上，以記錄土層的豎向位移；

當為現場大型直剪試驗時，位移傳感器包括豎向位移傳感器和水平位移傳感器，豎向位移傳感器設置于剪切盒上頂面，用以量測剪切盒內土體的豎向固結變形過程，水平向位移傳感器固定在剪切盒下盒，并與剪切盒上盒相連接，用以量測剪切盒內土體的水平向剪切變形過程。

4.根據權利要求2所述的應用于現場大型力學試驗的閉環控制系統及其控制方法，其特征在于，步驟S5具體包括：

通過下式判斷實際荷載P_i實際與目標荷載P_i目標的偏差是否滿足加載精度要求：

-δ≤P_i實際-P_i目標≤δ

其中，δ為加載容許誤差，根據相關試驗規程的要求確定；

當實際荷載值P_i實際小于目標荷載值P_i目標且不滿足控制精度要求時，步進電機控制液壓油泵增大進入千斤頂的油壓，進行荷載補償；

當實際荷載值P_i實際大于目標荷載值P_i目標且不滿足控制精度要求時，步進電機控制液壓油泵減小進入千斤頂的油壓，進行荷載削減。