专利名称：多功能便携式电动伺服控制加载装置及其加载方法
技术领域：
本发明涉及一种多功能便携式电动伺服控制加载装置及其加载方法，它可用于土 木、水利和海洋工程中的模型试验，在力或位移控制下完成对模型试验的静力加载或规则 与不规则低频循环加载。同时，它也可以应用到土工静、动三轴、静、动单剪等试验仪器的加载。
背景技术：
在土木、水利与海洋工程中，常常需要进行力或位移控制下的静荷载或循环荷载 作用下的结构物力学特性模型试验，加载装置及其加载方法是完成模型试验的必要前提。 目前普遍使用的是电气或电液伺服控制加载装置。这类装置存在结构复杂，体积庞大，耗能 高，噪音大，保养过程复杂以及位移伺服控制模式下定位精度和稳定性不高等不足。因此开 发一种多功能便携式具有较高控制精度的新型伺服控制加载装置及其加载方法是必要的。 由滚轴丝杠和伺服电机组成的电动缸为开发这样的加载装置提供了可能。通常使用的电动 缸，仅能在速度或力矩控制模式下进行单调加载，不能进行力控制或位移控制下的静力加 载或循环加载。

发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种多功能便携式电动伺服控制加载装置及其加 载方法，本发明中的加载装置可控性强，结构简单，体积轻便，耗能低，无噪音，操作维护简 单，通过采用其相应的加载方法便可以在力或位移伺服控制下实现静力加载、规则与不规 则循环加载以及数据的图形显示和采集记录。为了解决上述技术问题，本发明多功能便携式电动伺服控制加载装置予以实现的 技术方案是包括计算机控制系统、伺服控制器、加载执行机构、控制量反馈传感器和测量 量传感器，所述计算机控制系统包括波形发生装置、数据采集装置以及用于存放控制程序 的程序存贮器，所述计算机系统(1)用于给所述伺服控制器发出控制指令和采集记录试验 数据；所述伺服控制器用于实现力控制或位移控制，所述伺服控制器采用PID控制，所述伺 服控制器内集成有控制模式转换装置、用于施加静荷载的直流调节装置和信号调节装置； 所述控制模式转换装置用于实现所述加载执行机构控制方式的稳定转换，所述加载执行机 构的控制方式包括对应力矩工作模式的力控制和对应速度工作模式的位移控制；通过调节 控制模式转换装置的参数，使其与所述加载执行机构的工作模式相匹配；所述直流调节装 置用于实现对工件的静力加载；所述信号调节装置用于对反馈和测量信号进行滤波和放 大；所述加载执行机构用于按照伺服控制指令对工件进行加载，所述加载执行机构(3)是 由一伺服电机和一滚珠丝杠机构构成的电动缸，并根据实际工况确定合适的滚珠丝杠导 程。本发明多功能便携式电动伺服控制加载方法，实现对下述几种情形中任一种工况 的伺服控制加载力或位移伺服控制下的静力加载、循环加载或两者的组合加载。其步骤如下首先，将控制程序存入所述计算机系统的程序存贮器中；然后，启动所述计算机系统工作，CPU执行控制程序，其过程如下设置加载控制模式；根据实际工况设定加载方式为静力加载或循环加载、荷载大小以及加载的持续时 间；设置计算机控制系统中的缺省参数；设置反馈与测量传感器的初始零位；通过计算机控制系统的命令启动加载装置；在加荷过程中对采集的反馈传感器信号及其它测量传感器信号进行实时采集与 图形监测；对试验停止后采集的试验数据进行回放，并以可读的方式存储采集的试验数据。进一步说本发明多功能便携式电动伺服控制加载方法是通电后，按照预定的工作模式，设置所述计算机控制系统、所述伺服控制器以及所 述控制模式转换装置的参数，确定加载控制模式；通过所述计算机控制系统设置加载方式、荷载大小以及加载的持续时间；其中对于静力加载，需要设定加载的持续时间与荷载的大小；对于规则循环加载，需要设定循环频率、循环荷载的幅值和循环次数；对于不规则循环加载，则需要调入在外部生成的波形数据；参考预估的反馈和测量传感器的测量量程以及加载方式，在所述计算机控制系统 中设置缺省参数，包括传感器相应的转换系数和试验数据的采集频率；通过所述计算机控制系统设置控制量与测量量传感器信号的初始零位；通过所述计算机控制系统的命令，启动加载装置，此时，所述计算机控制系统的命 令将通过所述伺服控制器发送给所述加载执行机构，所述加载执行机构中的电动缸按照所 述计算机控制系统的伺服控制命令进行加载，任一时刻的所述控制量反馈传感器的信号反 馈至所述伺服控制器进行信号调节和控制，同时反馈量和测量量信号由所述计算机控制 系统进行数据采集与实时图形显示，从而按照计算机控制系统指令对工件完成伺服控制加 载；一旦到达预定的加载时间，所述计算机控制系统将发出停止加载的控制命令，所 述加载执行机构停止加载。与现有技术相比，本发明多功能便携式电动伺服控制加载装置及其加载方法的有 益效果是(1)通过将计算机控制系统、伺服控制器与电动缸有机结合，可以实现电动缸在力 和位移控制条件下的静力加载、循环加载和两者组合加载等多种加载工况；(2)系统操作简单，通过简单的参数调节即可实现力控制或位移控制方式的转 变；(3)配有信号调节装置，既能够有效提高控制精度，也可以对采集的数据信号进行 有效滤波与放大，保证数据的准确度；
(4)本发明的加载方法操作简单，通过计算机控制系统，建立具有用户友好的操作 界面，能够在简单方便的前提下，完成对伺服控制加载系统的操作控制，并能够对反馈与测 量数据进行实时图形显示和监控以及数据采集、记录和处理。(5)本发明的电动伺服控制加载装置结构简单，不需要配置其它辅助装置，例如 在电气伺服加载装置和电液伺服加载装置中通常所必需的阀门、气路、油路系统、气源与液 压源等，本发明加载装置中无高压容器，避免了长期使用时存在的安全隐患。由于结构简 单，因此，体积轻便，便于携带，既能适用于室内试验也能适用于现场试验。(6)本发明电动伺服控制加载装置耗能较低，解决了电气、电液机构噪音大的问 题，对环境不产生噪音污染。(7)本发明电动伺服控制加载装置能够有效降低维护成本，加载执行机构在复杂 环境下工作只需要定期注脂润滑。


图1本发明电动伺服控制加载装置结构框图；图2本发明电动伺服控制加载装置中伺服控制器采用的PID控制原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图1所示，本发明多功能便携式电动伺服控制加载装置包括计算机控制系统1、 伺服控制器2、加载执行机构3、控制量反馈量传感器4和与测量量传感器5 ；所述计算机控制系统1包括波形发生装置、数据采集装置与相应的控制程序，所 述计算机系统1用于给所述伺服控制器2发出控制指令和采集记录试验数据；所述伺服控制器2用于实现力或位移控制，所述伺服控制器2采用PID控制，所 述伺服控制器2集成有控制模式转换装置、用于施加静荷载的直流调节装置和信号调节装 置；所述控制模式转换装置用于实现所述加载执行机构3控制方式的稳定转换，通过调节 控制模式转换控制参数与加载执行机构3的工作模式相匹配(如力控制对应力矩工作模 式，位移控制对应速度工作模式)，就可完成加载控制方式的稳定转换；所述直流调节装置 用于实现对工件的静力加载；所述信号调节装置用于对反馈、测量信号进行滤波和放大，减 小空间干扰对反馈、测量信号的影响；所述加载执行机构3是由一伺服电机和一特定导程的滚珠丝杠机构构成的电动 缸，用于按照伺服控制指令对工件进行加载。本发明中所述的伺服控制器2采用PID控制，其基本控制原理见图2。图2中， r(t)是给定值，u(t)是输出和被控对象的输入，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际 输出值相减为控制偏差e(t) =r(t)-y(t)，式(1)为u(t)与e(t)之间的关系，也就是闭环 伺服控制规律。<t) = Kp[e(t) + jle(t)dt + Td⑴公式⑴中Kp-比例系数Ji-积分系数(积分时间)；Td-微分系数(微分时间)。比例环fKpXe(t)的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数 越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；比例系数过大会产 生振荡，破坏系统的稳定性。对这里的电动缸而言，需要恰当选择比例系数才能保证系统的稳定。
K Ct积分环节的作用是消除系统偏差。虽然积分环节可以消除静态误差，但
也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，有利 于消除系统产生的振荡，提高系统的稳定性。但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过 程。随积分常数减小，积分作用增强，消除偏差所需的时间变短。对于不同额定加载输出的 电动缸系统特性，必须通过具体调整确定积分常数，才能获得最佳的伺服系统特性。微分部分^^ XTd^的作用是根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正、阻止
at
偏差的变化。偏差变化越快，微分部分的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。借 助微分部分的作用，可以有效减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。微分部分的作用由 微分时间常数决定。常数越大，抑制偏差变化的作用越强。当使用PI环节不能达到预定效 果时，可以考虑加入微分环节。本发明中的计算机控制系统由硬件与控制程序组成。硬件部分包括波形发生装置 与数据采集装置；控制程序部分利用VB与VC语言开发，其作用是控制整个伺服加载系统， 能够完成下列任务(1)设置控制量反馈与测量传感器的变换系数；(2)设置循环加载频率与每秒采集的试验数据个数；(3)设置反馈与测量传感器的初始零位；(4)设定静力加载、规则与不规则循环加载的方式以及加载的持续时间；(5)通过人机对话的命令方式启动加载装置；(6)在加荷过程中对采集的反馈传感器信号及其它测量传感器信号进行实时采集 与图形监测；(7)可以对试验停止后采集的试验数据进行回放，并以可读的方式存储采集的试 验数据，供进一步处理。本发明中的伺服控制器2与计算机控制系统1是一个有机整体，相互配合，以能够 完成力或位移控制下的静力加载、循环加载以及在静力加载基础上叠加循环荷载等多种加 载工况。下面是利用本发明多功能便携式电动伺服控制加载装置进行伺服控制加载的过 程首先，将整个装置中的各部分按照图1所示布置或连接起来，并将控制程序存入 所述计算机系统的程序存贮器中。即如图1所示，伺服控制器2分别与计算机控制系统1 和加载执行机构3连接，所述加载执行机构3采用由一伺服电机和一滚珠丝杠机构构成的 电动缸，所述电动缸与工件接触，测量量传感器5和控制量反馈传感器4也均与工件接触， 给装置通电，启动所述计算机系统工作，CPU执行控制程序，其过程如下按照预定的工作模式，设置所述计算机控制系统1、所述伺服控制器2的参数以及所述控制模式转换装置的参数，确定加载控制模式；然后，通过所述计算机控制系统设置加载方式、荷载大小以及加载的持续时间，对 于静力加载，设置加载的持续时间和荷载的大小；对于规则循环加载，设置循环频率、循环 荷载的幅值和循环次数；对于不规则循环加载，需要调入在外部生成的波形数据。再参考预 估的反馈和测量传感器的量程以及加载方式，设置所述计算机控制系统1中的缺省参数， 包括传感器的转换系数和试验数据的采集频率等。这里需要说明对于静力加载，既可以通 过调节伺服控制器2内集成的直流调节装置实现，也可以通过所述计算机控制系统设定的 加载命令实现；对于循环加载方式，则必须通过所述计算机控制系统1设定的加载命令来 实现；再通过所述计算机控制系统1设置所采集的控制量与测量量传感器信号的初始 零位；通过所述计算机控制系统1的命令，启动加载装置，此时，所述计算机控制系统1 的命令将通过所述伺服控制器2发送给所述加载执行机构3，所述加载执行机构3的电动 缸按照所述计算机控制系统1的伺服控制命令进行加载，任一时刻的所述控制量反馈传感 器4的信号反馈至所述伺服控制器2进行信号调节和控制，同时反馈量和测量量信号由所 述计算机控制系统1进行数据采集与实时图形显示，从而按照计算机控制系统指令对工件 完成伺服控制加载；一旦到达预定的加载时间，所述计算机控制系统1将发出停止加载的控制命令， 所述加载执行机构3停止加载。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方 式，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发 明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。
权利要求
1.一种多功能便携式电动伺服控制加载装置，包括计算机控制系统(1)、伺服控制器 O)、加载执行机构(3)、控制量反馈传感器(4)和测量量传感器(5)，其特征在于所述计算机控制系统(1)包括波形发生装置、数据采集装置以及用于存放控制程序的 程序存贮器，所述计算机系统(1)用于给所述伺服控制器( 发出控制指令和采集记录试 验数据；所述伺服控制器(2)用于实现力控制或位移控制，所述伺服控制器(2)采用PID控制， 所述伺服控制器O)内集成有控制模式转换装置、用于施加静荷载的直流调节装置和信号 调节装置；所述控制模式转换装置用于实现所述加载执行机构( 控制方式的稳定转换，所述加 载执行机构(3)的控制方式包括对应力矩工作模式的力控制和对应速度工作模式的位移 控制；通过调节控制模式转换装置的参数，使其与所述加载执行机构(3)的工作模式相匹 配；所述直流调节装置用于实现对工件的静力加载； 所述信号调节装置用于对反馈和测量信号进行滤波和放大；所述加载执行机构(3)用于按照伺服控制指令对工件进行加载，所述加载执行机构 (3)是由一伺服电机和一滚珠丝杠机构构成的电动缸，并根据实际工况确定合适的滚珠丝 杠导程。
2.根据权利要求1所述多功能便携式电动伺服控制加载装置，其特征在于，根据实际 工况和测量要求所述测量量传感器( 包括一个或多个不同类型的物理量传感器。
3.一种多功能便携式电动伺服控制加载方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的 多功能便携式电动伺服控制加载装置实现对下述几种情形中任一种工况的伺服控制加载: 力或位移伺服控制下的静力加载、循环加载或两者的组合加载。
4.根据权利要求3所述多功能便携式电动伺服控制加载方法，其特征在于，采用下列 步骤将控制程序存入所述计算机系统的程序存贮器中； 启动所述计算机系统工作，CPU执行控制程序，其过程如下 设置加载控制模式；根据实际工况设定加载方式为静力加载或循环加载、荷载大小以及加载的持续时间； 设置计算机控制系统中的缺省参数； 设置反馈与测量传感器的初始零位； 通过计算机控制系统的命令启动加载装置；在加荷过程中对采集的反馈传感器信号及其它测量传感器信号进行实时采集与图形 监测；对试验停止后采集的试验数据进行回放，并以可读的方式存储采集的试验数据。
5.根据权利要求4所述多功能便携式电动伺服控制加载方法，其特征在于，通电后，按照预定的工作模式，设置所述计算机控制系统(1)、所述伺服控制器O)以 及所述控制模式转换装置的参数，确定加载控制模式；通过所述计算机控制系统(1)设置加载方式、荷载大小以及加载的持续时间；其中 对于静力加载，需要设定加载的持续时间与荷载的大小；对于规则循环加载，需要设定循环频率、循环荷载的幅值和循环次数； 对于不规则循环加载，则需要调入在外部生成的波形数据；参考预估的反馈和测量传感器的测量量程以及加载方式，在所述计算机控制系统(1) 中设置缺省参数，包括传感器相应的转换系数和试验数据的采集频率；通过所述计算机控制系统(1)设置控制量与测量量传感器信号的初始零位； 通过所述计算机控制系统(1)的命令，启动加载装置，此时，所述计算机控制系统(1) 的命令将通过所述伺服控制器( 发送给所述加载执行机构(3)，所述加载执行机构(3)中 的电动缸按照所述计算机控制系统(1)的伺服控制命令进行加载，任一时刻的所述控制量 反馈传感器的信号反馈至所述伺服控制器(2)进行信号调节和控制，同时反馈量和测 量量信号由所述计算机控制系统(1)进行数据采集与实时图形显示，从而按照计算机控制 系统指令对工件完成伺服控制加载；一旦到达预定的加载时间，所述计算机控制系统(1)将发出停止加载的控制命令，所 述加载执行机构( 停止加载。
全文摘要
本发明公开了一种多功能便携式电动伺服控制加载装置及加载方法，加载装置包括计算机控制系统、伺服控制器、加载执行机构和控制量反馈与测量传感器；计算机控制系统包括波形发生装置、数据采集装置与相关的控制程序；伺服控制器用于实现力或位移控制，其内部集成有控制模式转换装置、信号调节装置和用于施加静荷载的直流调节装置；加载控制模式转换装置用于实现加载执行机构控制方式的稳定转换；直流调节装置用于实现静力加载；信号调节装置用于对反馈、测量信号进行滤波和放大。本发明结构简单，体积轻便，耗能低，无噪音，操作维护简单；加载方法可以在力或位移伺服控制下实现静力加载、规则与不规则循环加载以及数据的图形显示和采集记录。
文档编号G01M99/00GK102141484SQ20101061222
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘晶磊, 杨洋, 王建华 申请人:天津大学