300kN压力试验机控制及测量系统研究

　　一、引言

　　300kN压力试验机主要用于水泥胶砂抗压强度的测量,是水泥生产企业和建工建材质量技术监督检测部门必备的计量设备。在水泥胶砂抗压强度试验中,加荷速率是影响测量结果准确与否的主要因素。新颁布的水泥抗压强度试验标准(GB/T17671-1999)和电液式水泥压力试验机技术条件(JB/T8763-1998)明确规定,试验机必须具备恒速率加荷功能,加荷速率控制在(2.4±0.2)kN/s范围内。针对我国压力试验机行业的具体特点和新标准的规定,我们研制了微机控制300kN压力试验机控制及测量系统,不仅适用于新型压力试验机的生产,还适用于老式压力试验机的改造。

　　二、液压系统设计

　　压力试验机是一种典型的机电液一体化产品,电液控制及测量系统是压力试验机的核心,对整机性能起着关键作用。系统的液压原理如图1所示。系统采用单作用式液压缸,溢流阀起过载保护作用。数字式微小流量阀由一只节流阀和一只等差减压阀组成,作为系统的控制元件,通过调节阀的输出流量来控制系统压力,该阀利用步进电机为电———机械转换元件,直接采用数字方式控制。微小流量阀工作原理如图2所示。考虑到径向力平衡关系,设计中采用了对称开口结构,在阀芯上开有一对与油泵相通的P口和一对与油箱相通的T口,在阀套上开有一对与油缸相通的三角形A口。当步进电机从零位顺时针进给时,P-A导通,系统加载;当步进电机从零位逆时针进给时,A-T导通,油缸卸载,泵出口流量通过等差减压阀回油箱。

　　三、测控系统构成

　　恒加荷压力试验机控制系统原理如图3所示。

　　液压缸负载腔的压力(或试块承受的压力)信号通过压力传感器(或力传感器)转化为电信号,放大后由A/D转换为数字信号并通过RS232送入计算机,经过PID控制器运算后得到阀的开口过流面积增量,并将该值通过RS232送到控制器控制步进电机驱动器驱动步进电机,带动阀芯改变阀的开口过流面积,通过调节阀的输出流量,控制试验机按给定的速率均匀加荷,实现系统闭环控制。

　　四、测控软件设计

　　图4为控制系统软件设计框图。

　　1.控制算法

　　系统采用增量式PID控制:

　　式中: Y为控制器输出信号,e为输入偏差,kp为比例控制系数,Ki为积分控制系数,Kd为微分控制系数。通过合理选择采样周期及Kp、Ki和Kd,可以减小系统的稳态误差,提高系统的控制精度,保证系统的稳定性,改善系统的动态特性。

　　2.抗压强度测量

　　在闭环恒加荷控制中,系统采用梯度法实时对试块进行破型判断,试块破型后系统自动卸荷,并按标准要求自动计算测量数据,保存测量结果。