3264.A SHPB实验台液压加载系统设计

工业大学继续教育学院(专科) 毕业设计题 目SHPB实验台液压加载系统设计班 级_ 学 号 专 业 机械制造与自动化 姓 名_ _ 指导教师_ _2010年10月26日摘 要霍普金森压杆(SHPB)实验技术作为材料动态力学性能测试的有效手段,广泛地应用于材料的动态力学性能研究。本文系统地综述了SHPB实验技术的研究进展,指出当前存在的主要问题,并在此基础上提出解决问题的基本思路与方法。通常的SHPB装置实验过程中，试件承受输入杆轴向的冲击载荷，而在其它两个方向不承受负载，这与某些特殊情况下试件的工作状态并不是完全适用的。本文在分析了液压闭环控制系统的工作原理和控制特点后，设计了伺服比例阀实时控制系统的具体方案。该系统硬件由压力传感器调制解调模块、信号调理输入模块、AD采样模块、DA输出模块、功率输出模块、串行通讯模块等组成，各个模块之间相互独立，彼此之间由软件协调动作。本文建立了电液压力伺服系统和电液位移伺服系统数学模型。基于这些数学模型，分析了电液压力伺服系统系统的系统性能极其稳定性。以Matlab/Simulink为工具，通过仿真研究，详细分析了电液压力伺服系统的稳定特性，及单位阶跃响应特性。关键词：霍普金森杆；液压加载系统；伺服比例阀；闭环控制目 录一绪论.1二、SHPB装置液压加载系统.1（一）计算机控制系统.2（二）电液比例控制系统.3（三）软件设计.5（四）液压缸加载部分设计.6三、信号处理及接口电路.7（一）压力信号处理过程.7（二）位移信号处理过程.8（三）本章小结11四、控制系统数学模型11（一）压力闭环系统传递函数.11（二）位移闭环系统传递函数.14（三）本章小结.17参考文献18致谢.19一、 绪论SHPB实验装置的基本原型是Hopkinson在1914年提出的，它是测试瞬态脉冲应力的第一种方法，仅可用于测量冲击载荷的脉冲波形。Hopkinson压杆本质上是一种简单的弹性杆，在杆的一端施加未知的压力时间载荷，产生一个弹性波在杆中传播，弹性波通过试件时，使试件发生塑性变形。通过正确的测试技术，应用弹性波理论可以在杆的输入端和输出端记下扰动波的一些参量，由于压杆保持弹性状态，不仅可以测试施加的载荷，也可以测试杆端的位移。试件、杆和载荷之间可以有不同的位置安排。1949年H.Kolsky将压杆分成两段，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆炸产生加速脉冲，试件置于输入杆和输出杆中间，利用这一装置可测量材料在冲击载荷作用下的应力应变关系。H.Kolsky的工作是一项革命性的改进，现代SHPB实验装置都是在其基础上发展而来，所以霍普金森压杆也称之为H.Kolsky杆。典型的SHPB实验装置及其数据采集处理系统如图2所示。 当枪膛中的打击杆（子弹）以一定的速度撞击弹性输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲i，应力波通过弹性输入杆到达试件，试件在应力脉冲的作用下产生高速变形，应力波通过较短的试件同时产生反射脉冲r进入弹性输入杆和透射脉冲t进入输出杆。利用粘贴在弹性杆上的应变片，记录下应变脉冲，计算材料的动态应力、应变参数。二、SHPB装置液压加载系统SHPB装置液压加载系统压力闭环自动控制系统是一个典型的机电一体化系统，其组成包括传感器检测与信号处理部分、计算机控制部分、伺服执行部分、动力部分与机械结构部分，其中控制核心为传感检测与信号处理部分、计算机控制部分、伺服执行部分。其组成如图2-1所示。其中，传感检测与信号处理部分，位移传感器选用测试精度较高的磁致伸缩传感器，该传感器将直线位移转换为数字脉冲信号，通过检测脉冲信号的数量即可得到加载液压缸的运动位移，从而实现加载油缸的同步运动。压力传感器采用高精度的半导体压力传感器，检测加载油缸的工作压力，通过检测反馈保证加载过程中压力的恒定计算机控制系统采用成熟可靠的PC总线工业控制机作为控制核心，根据要求除了基本系统外，还需要配置数据采集卡，数据采集卡应该包括计数器/定时器模块、A/D和D/A模块等基本功能。图21 SHPB装置液压加载系统组成图伺服执行部分选用电液比例控制系统，液压控制系统对速度的调节有两种方式：节流调速和容积调速。挤压机属于大功率机械设备，但其正常工作时并不需要大的流量，只需要保持恒定压力，因此建议采用节流调速。由于执行元件是液压缸，选用电液比例方向流量阀控制液压缸，由液压缸最后推动试件，给试件加载，加载的压力由另外一个电液比例压力控制，达到保持加载压力恒定的目的。（一）计算机控制系统一个机电一体化系统因其完成的任务不同，其机械结构、运动规律、工作原理和完成的工艺过程都存在着千差万别，但其实现计算机控制，实现机电液的有机结合，以及组成计算机控制系统有着共同之处。计算机控制系统包括硬件、软件两部分。硬件的组成一般如图2-2所示，由四部分组成。1、控制计算机2、参数检测和输出驱动3、输入输出（I/O）通道4、人机联络设备图 22 硬件组成图计算机控制系统的软件由系统软件和用户软件两部分组成。系统软件有计算机操作系统、监控系统、用户程序开发支撑软件，如开发语言、编译软件、调试工具等。用户程序是根据控制要求开发的控制程序。对一个动态运行的液压控制系统进行测试和控制，关键是提取和处理液压系统中压力、油缸位移等随时间动态变化的物理量，而计算机是提取和处理这些信息的最好工具。因此，提出构建以计算机为核心的测试系统和控制系统，目的是能较高精度、较高灵敏度、较高效率的获得压力、油缸位移等参数的动态和静态值。并能按实验要求自动调节液压系统的负载压力，还可以利用微机对于数据的处理能力，最大限度地消除测量的随机误差和系统误差以及干扰，完成自动校正零点，自动显示、输出数据和曲线的功能。SHPB液压加载计算机控制系统由计算机、数据采集系统和传感器组成。将加载油缸压力、油缸位移等信号检测后，A/D转换后，输入计算机，根据现场输入的控制压力值，利用计算机将控制信号发送给比例放大器，从而驱动电液比例压力阀，控制液压系统输出压力，保持加载油缸的输出压力恒定。同时，计算机控制系统能够将加载油缸的压力和位移等信号及时显示，并存储。 （二）电液比例控制系统1、控制系统液压回路设计伺服执行部分选用电液比例控制系统，SHPB加载系统采用节流调速系统作为主回路。由于执行元件是液压缸，需要一个电液比例方向流量阀控制液压缸的唯一控制回路。另外，系统的主要控制参数是加载缸的压力，其加载压力的控制由电液比例溢流阀完成，达到控制并保持加载缸输出压力恒定的目的。图23 SHPB加载液压控制系统液压回路SHPB加载液压控制系统液压回路如图2-3所示。该系统有压力控制主回路和油缸位移控制同步回路两部分组成。但其压力控制系统的核心是电液比例溢流阀控制回路，计算机控制系统也是通过该控制回路控制加载缸的输出压力，再达到控制试件的加载恒定的目的。由电液比例方向流量阀控制的油缸位移控制系统，一方面实现加载缸的同步运动，另一方面可以控制和检测在冲击过程中位移的变化情况。 2、传感检测与信号处理SHPB液压加载控制系统是一个压力闭环控制系统，因此必须要检测挤压缸的输入压力，通常压力传感器输出的是模拟信号，经过信号调理后，经过数据采集卡输入计算机进行处理。其信号处理流程如图2-4所示。 图24 信号处理流程图 3、液压缸设计液压缸是液压系统中的执行元件，它是把液压的压力能转换成直线式机械能的能量转换装置。液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。液压缸按其结构形式，可分为活塞缸和柱塞缸。活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度；按其作用方式，分为但作用式和双作用式两大类。单作用式液压缸只利用液压力推动活塞向一个方向运动，而反向运动则依靠重力或弹簧力等实现。双作用式液压缸，其正反两个方向的运动都依靠液压力来实现。本系统采用单杆活塞缸，试件为50mm*50mm*50mm的正方体，其受压力面积为50mm*50mm，最大加载压力为100MPa，其作用力为:F=PA=100*106*50*10-3*50*10-3=250000(N)。可以取油缸活塞直径为120mm，此时，需要提供的液压压力为22.11MPa，当正常加载50MPa时，需要提供的液压压力为11.06MPa，可以满足要求。液压加载系统主要是控制压力，油缸的位移和速度并不是很重要，但考虑到实验效率，其夹紧试件的过程不应太长，油缸的行程约200mm，应该在60秒内完成，需要的流量为9L/min。4、液压源根据负载分析，液压油源最大需要输出压力为22.11MPa，流量为9L/min，因此需要选择柱塞泵。其油源系统的原理图如图2-5所示。图25 油源系统的原理图 （三）软件设计图26 软件流程图如上所述，SHPB液压加载系统只是SHPB的一个组成部分，其主要是为了SHPB实验提供外载荷，因此，其工作是SHPB实验的准备。主要包括两个过程，一是油缸夹紧试件，二是给试件加载，并保持在实验过程中压力恒定。前一个过程主要是电液比例方向流量阀工作，后一个过程是电液比例溢流阀工作。前一个工作流程是顺序工作的，其控制程序包括以下几个部分。位移信号的数据采集：这部分程序包括数据采集卡模拟模块的初始化、位移信号的采集与显示。电液比例方向流量阀工作：加载系统有多个油缸，它们都是由电液比例方向流量阀控制其运动方向和运动速度及位移的。试件夹紧：系统多个油缸运动到位后，将试件夹紧在固定位置。试件加载过程是一个动态过程，尤其是在试件被冲击的时刻，要求压力补偿及时，此时压力的变化由电液比例溢流阀控制，对于此过程控制软件一般由初始化、实时数据采集、实时判断决策和实时控制决策等部分组成，其流程如图2-6所示。其中：实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。实时判断决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律,决定将要采取的控制行为。实时控制决策：根据控制决策，适当地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。（四）液压缸加载部分设计SHPB实验的目的是得到试件材料的动态应力应变关系，实验结果是获得试件材料的原始波形和各种情况下的应力应变曲线。因此，对试件材料进行加载的方法不同，得到的实验结果也会有区别，根据不同情况提出以下几种加载方法供选择。1、液压缸刚性加载此种方法是液压缸直接加载通过刚性材料与试件接触，将液压缸的加载力施加到试件上，由于与试件接触的是刚性材料，冲击过程中试件的变形将受到限制，此种加载方式适用于试件材料较硬的情况。如图2-7所示。图27 直接加载方式图2、液压缸通过橡胶衬垫加载为了让加载缸不限制试件的变形，也可以在加载油缸与试件间放一个相对较软的材料，如橡胶衬垫，这样加载缸的硬度对试件的变形影响就较小了，如图2-8所示。图28 橡胶衬垫加载方式图3、通过密封流体加载为了让加载缸不限制试件的变形，还可以在加载缸与试件间放一个不限制试件变形的流体材料，如密封的固体粉末，这样加载缸的硬度对试件的变形影响就很小了，如图2-9所示。当然，也可以在加载油缸与试件间放一个不限制试件变形的流体材料，这样加载缸的硬度对试件的变形影响就很小了，如图2-10所示。图29 密封流体加载方式图图210 密封流体加载方式图这种方法从原理上是可行的，在实际中，怎样实现液体的密封式一个问题。4、密封液体压力加载将试件需要加载的四个面用密封的液压油包裹起来，通过改变液压油的压力，实现对时间的加载，也是一种方法。此方法不需要使用液压缸，只要有液压源即可，通过电液比例溢流阀来控制加载压力。如图2-11所示。图211 密封液体压力加载这种方法的难点也在于怎么实现液体的密封，需要经过详细的设计与实验进行验证。三、信号处理及接口电路 （一）压力信号处理过程1、压力信号处理电路基本组成SHPB液压加载控制系统是一个压力闭环控制系统，因此必须要检测挤压缸的输入压力，通常压力传感器输出的是模拟信号，经过信号调理后，经过数据采集卡输入计算机进行处理。其信号处理如图3-1所示：压力传感器压力传感器运算放大器运算放大器滤波器滤波器数/模 转换器采样/保持电路数据采集卡计算机接口图31 信号处理图（二）位移信号处理过程1、位移信号处理电路基本组成传感器输出的脉冲信号首先经过放大器，放大为1-5V的脉冲信号，该脉冲信号的波形可能是不规则的，需要在经过整形电路，整理后成为标准的脉冲信号，对于正反两个方向运行的情况，还需要变向电路，送到计数器里，可数出脉冲的数量。传感器放大器整形电路细分电路计数器存储器计算器显示、执行机构变向电路图34 位移传感器输出脉冲信号处理2、传感器工作原理磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标13。3、整形电路位移传感器输出的是脉冲信号，因此我采用普通的门电路构成的施密特触发器对脉冲信号进行整形。施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。图35 施密特触发器逻辑电路与工作波形图36 传输特性脉冲整形。将不规则的电压波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。图(a)为顶部有干扰的输入信号，图(b)为回差电压较小的输出波形， 图(c)为回差电压大于顶部干扰时的输出波形。 图37 波形处理图4、辩向细分电路（1）细分的原因测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。（2）细分的原理根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1AABB图38 单稳四细分辨向电路（3）四细分辩向电路输入信号：具有一定相位差(通常为90)的两路方波信号。细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分。辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。 波形处理图如图3-9ABABUo1Uo2图39 波形处理图（三）本章小结本章通过设计相关的电路，主要完成压力信号与位移信号的采集，在此基础上完成控制系统的反馈环节。四、 控制系统数学模型 （一）压力闭环系统传递函数1、压力控制系统原理图:图41 液压控制原理2、电液比例溢流阀的传递函数15：图4-2 电液比例溢流阀的传递函数图参数计算公式如下： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4） （4-5） （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） （4-10） （4-11）3、传感器增益由于压力传感器的频宽要比系统频宽高的多，通常可以近似为比例环节。所以，压力传感器的传递函数为： （4-12）4、伺服放大器增益伺服放大器的频带一般较宽，因此，可视为比例环节。其传递函数为 (5-13)5、液压缸传递函数液压缸的频带一般较宽，因此，可视为比例环节。其传递函数为 (5-14)根据系统各个环节的传递函数可以建立如图所示的系统方框图4-3。图4-3 系统方框图根据图可以写出系统的开环传递函数为 (4-15) (4-16) 其向前通道传递函数 （4-17）闭环传递函数： （4-18）（二）位移闭环系统传递函数1、位移控制系统原理图:图44 液压控制原理图2、电液伺服阀的传递函数电液伺服阀的传递函数在系统中究竟用什么典型环节来近似表示，可根据其在系统中使用情况决定。当伺服阀的频宽远大于液压固有频率时，可近似看成比例环节；当伺服阀的频宽大于液压固有频率时，可近似看成惯性环节；当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时，一般近似为二阶振荡环节。本文选用二阶振荡环节表示电液伺服阀的传递函数16，即 (4-19)3、伺服放大器增益伺服放大器的频带一般较宽，因此，可视为比例环节。其传递函数为： (4-20)4、位移传感器增益由于压力传感器的频宽要比系统频宽高的多，通常可以近似为比例环节。所以，压力传感器的传递函数为： (4-21)5、液压缸传递函数液压缸的频带一般较宽，因此，可视为比例环节。其传递函数为 (4-22)6、动力机构的传递函数及其简化对称阀控非对称液压缸的三个基本方程分别为：（1）经过线性化处理后的负载流量特性方程为 (4-23)（2）非对称液压缸的流量连续性方程为 (4-24)（3）输出力与负载力的平衡方程为 （4-25）他们完全描述了阀控液压缸的动态特性。三式的Laplace变换式为 （4-26） （4-27） （4-28）由5-28式解得 （4-29）将式4代入式4-27和式4-26并整理，可以求得阀芯输入位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移为 (4-30)对该式进一步化简得： (4-31)从而，活塞位移对阀芯位移输入的传递函数为 (4-32)活塞位移对外负载力输入的传递函数为 （4-33）通常，液压缸以流量为作为输入。因此，可将式（2.33）改写为活塞位移对伺服阀的负载流量的传递函数为 （4-34）7、位移控制系统传递函数根据系统各个环节的传递函数可以建立如图所示的系统方框图。图4-5 系统方框图根据图可以写出系统的开环传递函数为 （4-35） （4-36）其向前通道传递函数 （4-37）闭环传递函数： （4-38）（三）本章小结建立系统数学模型的目的在于对系统的性能进行定量分析，以了解系统的技术指标是否满足要求。本章重点分析比例溢流阀称缸液压动力机构的传递函数和比例流量阀称缸液压动力机构的传递函数，建立伺服系统的简化模型。参考文献1 .冯明德,彭艳菊,刘永强,牛海成,李然 .SHPB实验技术研究 . 地球物理学进展 . 2006,3(页码:273278)2 .常列珍 . 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