3264.A SHPB實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院(?？? 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目SHPB實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班 級(jí)_ 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 機(jī)械制造與自動(dòng)化 姓 名__________ ___________ 指導(dǎo)教師__________ ____________ 2010年10月26日 摘 要 霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的有效手段,

2、廣泛地應(yīng)用于材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究。 本文系統(tǒng)地綜述了SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究進(jìn)展,指出當(dāng)前存在的主要問(wèn)題,并在此基礎(chǔ)上提出解決問(wèn)題的基本思路與方法。通常的SHPB裝置實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試件承受輸入桿軸向的沖擊載荷，而在其它兩個(gè)方向不承受負(fù)載，這與某些特殊情況下試件的工作狀態(tài)并不是完全適用的。本文在分析了液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理和控制特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了伺服比例閥實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的具體方案。該系統(tǒng)硬件由壓力傳感器調(diào)制解調(diào)模塊、信號(hào)調(diào)理輸入模塊、AD采樣模塊、DA輸出模塊、功率輸出模塊、串行通訊模塊等組成，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，彼此之間由軟件協(xié)調(diào)動(dòng)作。 本文建立了電液壓力伺服系統(tǒng)和電液位移伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

3、基于這些數(shù)學(xué)模型，分析了電液壓力伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能極其穩(wěn)定性。以Matlab/Simulink為工具，通過(guò)仿真研究，詳細(xì)分析了電液壓力伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，及單位階躍響應(yīng)特性。 關(guān)鍵詞：霍普金森桿；液壓加載系統(tǒng)；伺服比例閥；閉環(huán)控制 目 錄 一．緒論……………………………………………………………………………………...1 二、SHPB裝置液壓加載系統(tǒng)………………………………………………………...1 （一）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)………………………………………………..2 （二）電液比例控制系統(tǒng)……………………………………………..3 （三）軟

4、件設(shè)計(jì)………………………………………………………….5 （四）液壓缸加載部分設(shè)計(jì)…………………………………………..6 三、信號(hào)處理及接口電路…………………………………………………………….7 （一）壓力信號(hào)處理過(guò)程……………………………………………………...7 （二）位移信號(hào)處理過(guò)程……………………………………………………..8 （三）本章小結(jié)……………………………………………………………………11 四、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型…………………………………………………………………11 （一）壓力閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)……………………………………………….11 （二）位移閉環(huán)系統(tǒng)傳遞

5、函數(shù)……………………………………………….14 （三）本章小結(jié)…………………………………………………………………….17 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………18 致謝……………………………………………………………………………………………...19 一、 緒論 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置的基本原型是Hopkinson在1914年提出的，它是測(cè)試瞬態(tài)脈沖應(yīng)力的第一種方法，僅可用于測(cè)量沖擊載荷的脈沖波形。Hopkinson壓桿本質(zhì)上是一種簡(jiǎn)單的彈性桿，在桿的一端施加未知的壓力－時(shí)間載荷，產(chǎn)生一個(gè)彈性波在桿中傳播，彈性波通過(guò)試件時(shí)，使試件發(fā)生塑性

6、變形。通過(guò)正確的測(cè)試技術(shù)，應(yīng)用彈性波理論可以在桿的輸入端和輸出端記下擾動(dòng)波的一些參量，由于壓桿保持彈性狀態(tài)，不僅可以測(cè)試施加的載荷，也可以測(cè)試桿端的位移。試件、桿和載荷之間可以有不同的位置安排。 1949年H.Kolsky將壓桿分成兩段，通過(guò)加速的質(zhì)量塊、短桿撞擊或炸藥爆炸產(chǎn)生加速脈沖，試件置于輸入桿和輸出桿中間，利用這一裝置可測(cè)量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。H.Kolsky的工作是一項(xiàng)革命性的改進(jìn)，現(xiàn)代SHPB實(shí)驗(yàn)裝置都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，所以霍普金森壓桿也稱之為H.Kolsky桿。典型的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置及其數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)如圖2所示。 當(dāng)槍膛中的打擊桿（子彈）以一定的速度撞擊

7、彈性輸入桿時(shí)，在輸入桿中產(chǎn)生一個(gè)入射脈沖εi，應(yīng)力波通過(guò)彈性輸入桿到達(dá)試件，試件在應(yīng)力脈沖的作用下產(chǎn)生高速變形，應(yīng)力波通過(guò)較短的試件同時(shí)產(chǎn)生反射脈沖εr進(jìn)入彈性輸入桿和透射脈沖εt進(jìn)入輸出桿。利用粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片，記錄下應(yīng)變脈沖，計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。 二、SHPB裝置液壓加載系統(tǒng) SHPB裝置液壓加載系統(tǒng)壓力閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其組成包括傳感器檢測(cè)與信號(hào)處理部分、計(jì)算機(jī)控制部分、伺服執(zhí)行部分、動(dòng)力部分與機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，其中控制核心為傳感檢測(cè)與信號(hào)處理部分、計(jì)算機(jī)控制部分、伺服執(zhí)行部分。 其組成如圖2-1所示。其中，傳感檢測(cè)與信號(hào)處理部分，位移傳感器選

8、用測(cè)試精度較高的磁致伸縮傳感器，該傳感器將直線位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)的數(shù)量即可得到加載液壓缸的運(yùn)動(dòng)位移，從而實(shí)現(xiàn)加載油缸的同步運(yùn)動(dòng)。壓力傳感器采用高精度的半導(dǎo)體壓力傳感器，檢測(cè)加載油缸的工作壓力，通過(guò)檢測(cè)反饋保證加載過(guò)程中壓力的恒定 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用成熟可靠的PC總線工業(yè)控制機(jī)作為控制核心，根據(jù)要求除了基本系統(tǒng)外，還需要配置數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)該包括計(jì)數(shù)器/定時(shí)器模塊、A/D和D/A模塊等基本功能。 圖2．1 SHPB裝置液壓加載系統(tǒng)組成圖 伺服執(zhí)行部分選用電液比例控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)對(duì)速度的調(diào)節(jié)有兩種方式：節(jié)流調(diào)速和容

9、積調(diào)速。擠壓機(jī)屬于大功率機(jī)械設(shè)備，但其正常工作時(shí)并不需要大的流量，只需要保持恒定壓力，因此建議采用節(jié)流調(diào)速。由于執(zhí)行元件是液壓缸，選用電液比例方向流量閥控制液壓缸，由液壓缸最后推動(dòng)試件，給試件加載，加載的壓力由另外一個(gè)電液比例壓力控制，達(dá)到保持加載壓力恒定的目的。（一）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)因其完成的任務(wù)不同，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、工作原理和完成的工藝過(guò)程都存在著千差萬(wàn)別，但其實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液的有機(jī)結(jié)合，以及組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有著共同之處。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件、軟件兩部分。硬件的組成一般如圖2-2所示，由四部分組成。 1、控制計(jì)算機(jī) 2、參數(shù)檢測(cè)和輸出驅(qū)動(dòng) 3、

10、輸入輸出（I/O）通道 4、人機(jī)聯(lián)絡(luò)設(shè)備 圖 2．2 硬件組成圖 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)軟件和用戶軟件兩部分組成。系統(tǒng)軟件有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、用戶程序開(kāi)發(fā)支撐軟件，如開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、編譯軟件、調(diào)試工具等。用戶程序是根據(jù)控制要求開(kāi)發(fā)的控制程序。 對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和控制，關(guān)鍵是提取和處理液壓系統(tǒng)中壓力、油缸位移等隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的物理量，而計(jì)算機(jī)是提取和處理這些信息的最好工具。因此，提出構(gòu)建以計(jì)算機(jī)為核心的測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，目的是能較高精度、較高靈敏度、較高效率的獲得壓力、油缸位移等參數(shù)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)值。并能按實(shí)驗(yàn)要求自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的

11、負(fù)載壓力，還可以利用微機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理能力，最大限度地消除測(cè)量的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差以及干擾，完成自動(dòng)校正零點(diǎn)，自動(dòng)顯示、輸出數(shù)據(jù)和曲線的功能。 SHPB液壓加載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器組成。將加載油缸壓力、油缸位移等信號(hào)檢測(cè)后，A/D轉(zhuǎn)換后，輸入計(jì)算機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入的控制壓力值，利用計(jì)算機(jī)將控制信號(hào)發(fā)送給比例放大器，從而驅(qū)動(dòng)電液比例壓力閥，控制液壓系統(tǒng)輸出壓力，保持加載油缸的輸出壓力恒定。同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)⒓虞d油缸的壓力和位移等信號(hào)及時(shí)顯示，并存儲(chǔ)。 （二）電液比例控制系統(tǒng) 1、控制系統(tǒng)液壓回路設(shè)計(jì) 伺服執(zhí)行部分選用電液比例控制系統(tǒng)，SHPB

12、加載系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)作為主回路。由于執(zhí)行元件是液壓缸，需要一個(gè)電液比例方向流量閥控制液壓缸的唯一控制回路。另外，系統(tǒng)的主要控制參數(shù)是加載缸的壓力，其加載壓力的控制由電液比例溢流閥完成，達(dá)到控制并保持加載缸輸出壓力恒定的目的。 圖2．3 SHPB加載液壓控制系統(tǒng)液壓回路 SHPB加載液壓控制系統(tǒng)液壓回路如圖2-3所示。該系統(tǒng)有壓力控制主回路和油缸位移控制同步回路兩部分組成。但其壓力控制系統(tǒng)的核心是電液比例溢流閥控制回路，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也是通過(guò)該控制回路控制加載缸的輸出壓力，再達(dá)到控制試件的加載恒定的目的。 由電液比例方向流量閥控制的油缸位移控制系統(tǒng)，一

13、方面實(shí)現(xiàn)加載缸的同步運(yùn)動(dòng)，另一方面可以控制和檢測(cè)在沖擊過(guò)程中位移的變化情況。 2、傳感檢測(cè)與信號(hào)處理 SHPB液壓加載控制系統(tǒng)是一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此必須要檢測(cè)擠壓缸的輸入壓力，通常壓力傳感器輸出的是模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。其信號(hào)處理流程如圖2-4所示。 圖2．4 信號(hào)處理流程圖 3、液壓缸設(shè)計(jì) 液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它是把液壓的壓力能轉(zhuǎn)換成直線式機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。液壓缸按其結(jié)構(gòu)形式，可分為活塞缸和柱塞缸。活塞

14、缸和柱塞缸的輸入為壓力和流量，輸出為推力和速度；按其作用方式，分為但作用式和雙作用式兩大類。單作用式液壓缸只利用液壓力推動(dòng)活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而反向運(yùn)動(dòng)則依靠重力或彈簧力等實(shí)現(xiàn)。雙作用式液壓缸，其正反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都依靠液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本系統(tǒng)采用單桿活塞缸，試件為50mm*50mm*50mm的正方體，其受壓力面積為50mm*50mm，最大加載壓力為100MPa，其作用力為:F=PA=100*106*50*10-3*50*10-3=250000(N)。 可以取油缸活塞直徑為120mm，此時(shí)，需要提供的液壓壓力為22.11MPa，當(dāng)正常加載50MPa時(shí)，需要提供的液壓壓力為11.06MPa，可

15、以滿足要求。 液壓加載系統(tǒng)主要是控制壓力，油缸的位移和速度并不是很重要，但考慮到實(shí)驗(yàn)效率，其夾緊試件的過(guò)程不應(yīng)太長(zhǎng)，油缸的行程約200mm，應(yīng)該在60秒內(nèi)完成，需要的流量為9L/min。 4、液壓源 根據(jù)負(fù)載分析，液壓油源最大需要輸出壓力為22.11MPa，流量為9L/min，因此需要選擇柱塞泵。 其油源系統(tǒng)的原理圖如圖2-5所示。 圖2．5 油源系統(tǒng)的原理圖 （三）軟件設(shè)計(jì) 圖2．6 軟件流程圖 如上所述，SHPB液壓加載系統(tǒng)只是SHPB的一個(gè)組成部分，其主要是為了SHPB實(shí)驗(yàn)提供外載荷，

16、因此，其工作是SHPB實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備。主要包括兩個(gè)過(guò)程，一是油缸夾緊試件，二是給試件加載，并保持在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力恒定。前一個(gè)過(guò)程主要是電液比例方向流量閥工作，后一個(gè)過(guò)程是電液比例溢流閥工作。 前一個(gè)工作流程是順序工作的，其控制程序包括以下幾個(gè)部分。 位移信號(hào)的數(shù)據(jù)采集：這部分程序包括數(shù)據(jù)采集卡模擬模塊的初始化、位移信號(hào)的采集與顯示。 電液比例方向流量閥工作：加載系統(tǒng)有多個(gè)油缸，它們都是由電液比例方向流量閥控制其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度及位移的。 試件夾緊：系統(tǒng)多個(gè)油缸運(yùn)動(dòng)到位后，將試件夾緊在固定位置。 試件加載過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，尤其是在試件被沖擊的時(shí)刻，要求壓力補(bǔ)償及時(shí)，此時(shí)壓力的變化由電液

17、比例溢流閥控制，對(duì)于此過(guò)程控制軟件一般由初始化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)判斷決策和實(shí)時(shí)控制決策等部分組成，其流程如圖2-6所示。 其中： 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。 實(shí)時(shí)判斷決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律,決定將要采取的控制行為。 實(shí)時(shí)控制決策：根據(jù)控制決策，適當(dāng)?shù)貙?duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。 （四）液壓缸加載部分設(shè)計(jì) SHPB實(shí)驗(yàn)的目的是得到試件材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是獲得試件材料的原始波形和各種情況下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。因此，對(duì)試件材料進(jìn)行加載的方法不同，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有區(qū)別，根據(jù)不同情況提出以下

18、幾種加載方法供選擇。 1、液壓缸剛性加載 此種方法是液壓缸直接加載通過(guò)剛性材料與試件接觸，將液壓缸的加載力施加到試件上，由于與試件接觸的是剛性材料，沖擊過(guò)程中試件的變形將受到限制，此種加載方式適用于試件材料較硬的情況。如圖2-7所示。 圖2．7 直接加載方式圖 2、液壓缸通過(guò)橡膠襯墊加載 為了讓加載缸不限制試件的變形，也可以在加載油缸與試件間放一個(gè)相對(duì)較軟的材料，如橡膠襯墊，這樣加載缸的硬度對(duì)試件的變形影響就較小了，如圖2-8所示。 圖2．8 橡膠襯墊加載方式圖 3、通過(guò)密封流體加載 為了讓加載缸不限制試件的變形，還可以在加載缸與試件間放一個(gè)

19、不限制試件變形的流體材料，如密封的固體粉末，這樣加載缸的硬度對(duì)試件的變形影響就很小了，如圖2-9所示。 當(dāng)然，也可以在加載油缸與試件間放一個(gè)不限制試件變形的流體材料，這樣加載缸的硬度對(duì)試件的變形影響就很小了，如圖2-10所示。 圖2．9 密封流體加載方式圖 圖2．10 密封流體加載方式圖 這種方法從原理上是可行的，在實(shí)際中，怎樣實(shí)現(xiàn)液體的密封式一個(gè)問(wèn)題。4、密封液體壓力加載 將試件需要加載的四個(gè)面用密封的液壓油包裹起來(lái)，通過(guò)改變液壓油的壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的加載，也是一種方法。此方法不需要使用液壓缸，只要有液壓源即可，通過(guò)電液比例溢流閥來(lái)控制加載壓力。如圖2-11

20、所示。 圖2．11 密封液體壓力加載 這種方法的難點(diǎn)也在于怎么實(shí)現(xiàn)液體的密封，需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。 三、信號(hào)處理及接口電路 （一）壓力信號(hào)處理過(guò)程 1、壓力信號(hào)處理電路基本組成 SHPB液壓加載控制系統(tǒng)是一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此必須要檢測(cè)擠壓缸的輸入壓力，通常壓力傳感器輸出的是模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。其信號(hào)處理如圖3-1所示： 壓力傳感器 壓力傳感器 運(yùn)

21、算放大器 運(yùn)算放大器 濾波器 濾波器 數(shù)/模 轉(zhuǎn)換器 采樣/保持電路 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī)接口 圖3．1 信號(hào)處理圖 （二）位移信號(hào)處理過(guò)程 1、位移信號(hào)處理電路基本組成 傳感器輸出的脈沖信號(hào)首先經(jīng)過(guò)放大器，放大為1-5V的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)的波形可能是不規(guī)則的，需要在經(jīng)過(guò)整形電路，整理后成為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，對(duì)于正反兩個(gè)方向運(yùn)行的情況，還需要變向電路，送到計(jì)數(shù)器里，可數(shù)出脈沖的數(shù)量。 傳感器 放大器 整形電路 細(xì)分電路 計(jì)數(shù)器 存儲(chǔ)器 計(jì)算器 顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 變向電路 圖3．4 位移傳感器輸出脈沖信號(hào)處理

22、 2、傳感器工作原理 磁致伸縮位移（液位）傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量位置的。測(cè)量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測(cè)量過(guò)程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測(cè)到。由于這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過(guò)測(cè)量時(shí)間，就可以

23、高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)值,而不是比例的或放大處理的信號(hào),所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況,更無(wú)需定期重標(biāo)[13]。 3、整形電路 位移傳感器輸出的是脈沖信號(hào)，因此我采用普通的門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行整形。施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。 圖3．5 施密特觸發(fā)器邏輯電路與工作波形 圖3．6 傳輸特性 脈沖整形。將不規(guī)則的電壓波形整形為矩形波。若適當(dāng)增大回差電壓，可提高電路的抗干擾能力。圖(a)為頂部有干擾的輸入信號(hào)，圖(b)為回差電壓較小的輸出波形， 圖(c

24、)為回差電壓大于頂部干擾時(shí)的輸出波形。 圖3．7 波形處理圖 4、辯向細(xì)分電路 （1）細(xì)分的原因 測(cè)量電路通常采用對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量，若單純對(duì)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù), 則儀器的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的位移量。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。 （2）細(xì)分的原理 根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力。 & & & & & & & & UO1 DG5 UO2 DG10 R1

25、 & & 1 & & 1 1 A 1 DG1 C1 R2 DG2 C2 DG4 DG8 R3 C3 C4 DG9 R4 DG6 A A B B B B B A A A A ≥1 B B B A A A A B B B ≥1 A A B B 圖3．8 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 （3）四

26、細(xì)分辯向電路 輸入信號(hào)：具有一定相位差(通常為90)的兩路方波信號(hào)。 細(xì)分的原理：基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過(guò)對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。 辨向：根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。 波形處理圖如圖3-9 A B A B Uo1 Uo2 圖3．9 波形處理圖 （三）本章小結(jié) 本章通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，主要完成壓力信號(hào)與位移信號(hào)的采集，在此基礎(chǔ)上完成控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。 四、 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 （一）壓力閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù) 1、壓力控制系統(tǒng)原理圖: 圖4．1 液壓控制原理 2、電

27、液比例溢流閥的傳遞函數(shù)[15]： 圖4-2 電液比例溢流閥的傳遞函數(shù)圖 參數(shù)計(jì)算公式如下： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）

28、（4-5） （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） （4-10） （4-11） 3、傳感器增益 由于壓力傳感器

29、的頻寬要比系統(tǒng)頻寬高的多，通?？梢越茷楸壤h(huán)節(jié)。所以，壓力傳感器的傳遞函數(shù)為： （4-12） 4、伺服放大器增益 伺服放大器的頻帶一般較寬，因此，可視為比例環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)為 (5-13) 5、液壓缸傳遞函數(shù) 液壓缸的頻帶一般較寬，因此，可視為比例環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)為 (5-14) 根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以建立如圖所示的系統(tǒng)方框圖4-3。 圖4-3 系統(tǒng)

30、方框圖 根據(jù)圖可以寫(xiě)出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 (4-15) (4-16) 其向前通道傳遞函數(shù) （4-17） 閉環(huán)傳遞函數(shù)： （4-18） （二）位移閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù) 1、位移控制系統(tǒng)原理圖: 圖4．4 液壓控制原理圖 2、電液伺服閥的傳遞函數(shù) 電液伺服閥的傳遞函數(shù)在系統(tǒng)中究竟用什么典型環(huán)節(jié)來(lái)近似表示，可根據(jù)其在系統(tǒng)中使用情況決定。當(dāng)伺服閥的頻寬遠(yuǎn)大于液壓固有頻率時(shí)，可近似看成比例環(huán)節(jié)；當(dāng)伺服閥的頻寬

31、大于液壓固有頻率時(shí)，可近似看成慣性環(huán)節(jié)；當(dāng)伺服閥的頻寬與液壓固有頻率相近時(shí)，一般近似為二階振蕩環(huán)節(jié)。本文選用二階振蕩環(huán)節(jié)表示電液伺服閥的傳遞函數(shù)[16]，即 (4-19) 3、伺服放大器增益 伺服放大器的頻帶一般較寬，因此，可視為比例環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)為： (4-20) 4、位移傳感器增益 由于壓力傳感器的頻寬要比系統(tǒng)頻寬高的多，通常可以近似為比例環(huán)節(jié)。所以，壓力傳感器的傳遞函數(shù)為： (4-21) 5、液壓缸傳

32、遞函數(shù) 液壓缸的頻帶一般較寬，因此，可視為比例環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)為 (4-22) 6、動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)及其簡(jiǎn)化 對(duì)稱閥控非對(duì)稱液壓缸的三個(gè)基本方程分別為： （1）經(jīng)過(guò)線性化處理后的負(fù)載流量特性方程為 (4-23) （2）非對(duì)稱液壓缸的流量連續(xù)性方程為 (4-24) （3）輸出力與負(fù)載力的平衡方程為 （4-25） 他們完全描述了閥控液壓缸的動(dòng)態(tài)特性。三式的Laplace變換式為

33、 （4-26） （4-27） （4-28） 由5-28式解得 （4-29） 將式4代入式4-27和式4-26并整理，可以求得閥芯輸入位移和外負(fù)載力同時(shí)作用時(shí)液壓缸活塞的總輸出位移為 (4-30) 對(duì)該式進(jìn)一步化簡(jiǎn)得： (4-31) 從而，活塞位移對(duì)閥芯位移輸入的傳遞函數(shù)為

34、 (4-32) 活塞位移對(duì)外負(fù)載力輸入的傳遞函數(shù)為 （4-33） 通常，液壓缸以流量為作為輸入。因此，可將式（2.33）改寫(xiě)為活塞位移對(duì)伺服閥的負(fù)載流量的傳遞函數(shù)為 （4-34） 7、位移控制系統(tǒng)傳遞函數(shù) 根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以建立如圖所示的系統(tǒng)方框圖。 圖4-5 系統(tǒng)方框圖 根據(jù)圖可以寫(xiě)出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 （4-35）

35、（4-36） 其向前通道傳遞函數(shù) （4-37） 閉環(huán)傳遞函數(shù)： （4-38） （三）本章小結(jié) 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的目的在于對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行定量分析，以了解系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。本章重點(diǎn)分析比例溢流閥稱缸液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)和比例流量閥稱缸液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)，建立伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型。 參考文獻(xiàn) [1] .馮明德,彭艷菊,劉永強(qiáng),牛海成,李然 .SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究 . 地球物理學(xué)進(jìn)展 . 2006,3(頁(yè)碼:273～278) [2] .常列珍 . SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)注意的幾類問(wèn)題 . 科技

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