摘要：提出了一种超低速加载液压支架立柱试验台测控系统，以高精度位移传感器作为反馈元件，构建计算机闭环控制系统，液压系统中采用两级比例伺服阀进行流量调节控制。阐述了超低速加载控制系统硬件、软件与仿真设计。实际应用表明，最低加载速度可达 1 mm/min，解决了目前国内液压支架立柱试验台无法按照 GB 25974.2 标准进行 2 mm/min 加载的状况。
关键词：液压支架立柱；超低速加载；高精度位移传感器；模糊-PID
目前我国液压支架立柱安全标志检验主要依据MT 313—1992《液压支架立柱技术条件》进行。国家安全生产北京矿山支护设备检测检验中心作为国家级质检中心，其现有的 12 MN 卧式立柱试验台可实现 20 mm/min 加载速度对被试件进行轴向加载，无法实现 20 mm/min 以下轴向加载速度试验。2011 年6 月 1 日实施的 GB 25974.2—2010《煤矿用液压支架安全性要求 第 2 部分：立柱和千斤顶技术条件》明确提出，对立柱和千斤顶进行 (2±1) mm/min的让压性能试验。由于国家安全生产北京矿山支护设备检测检验中心的立柱与千斤顶试验台不具备这一试验能力，阻碍了该领域国产化新技术和产品应用，也严重束缚了行业技术的可持续化发展，制约着国产化液压支架支护能力和安全性能的全面升级提高。
该中心新设计的立柱液压试验台超低速加载测控系统，可满足 GB 25974.2—2010 对立柱与千斤顶以 (2±1) mm/min 让压性能试验要求，从而提升液压支架立柱、千斤顶试验台超低速慢加载试验能力，使其达到国内领先水平。
1 液压系统设计
依据行标及国标的技术要求，被试立柱在试验中应能进行 2、10、100 mm/min 3 种速度加载。速度控制变化范围比较大，最高速度与最低速度相差 50倍。由于比例伺服阀的流量控制在开度最大和开度最小时，输入电压和输出流量的线性度并不十分理想，应用单个比例伺服阀来进行 3 种速度控制难以达到性能要求。因此，执行元件采用 2 个不同额定流量的比例伺服阀，结合不同泵源选择，实现加载速度调节要求，液压原理如图 1 所示。试验台进行慢加载试验时，启动小流量高压泵，通过溢流阀调节系统所需泵站压力。为保证液压系统的清洁度，采用过滤精度为55 μm 高压过滤器及磁性过滤装置。通过两级比例伺服阀实时动态调节，实现系统对流量控制的要求。比例阀伺服阀 B 为粗调，根据不同加载速度提前设定开口度，比例阀伺服阀 A 开口度则是根据位移反馈与计算机通过智能算法输出模拟信号确定，最终实现立柱超低速加载。
1. 高压泵 2. 溢流阀 3. 远程卸荷阀 4. 高压过滤器5. 比例阀伺服阀 A 6. 比例阀伺服阀 B 7. 加载缸
图 1 液压原理
Fig. 1 Hydraulic principle
2 测控系统硬件
测控系统硬件包括工控机、分布 SSI 信号数据采集卡、高速数据采集卡、高速同步模拟量输出卡、数字量输出卡、磁致伸缩位移传感器和压力传感器等，硬件框图如图 2 所示。
图 2 测控系统硬件框图
Fig. 2 Block diagram of hardware of measuring and control system
2.1 位移传感器
位移传感器的精度、分辨率及频响等参数是直接影响慢加载闭环系统的关键反馈元件。应用现场环境恶劣，对微距测量的信号传输提出了极高的要求，为实现 2 mm/min 的控制要求，采用了美国 MTS 公司 R 系列非接触式磁致伸缩位移传感器，分辨率可达 0.5 μm，同步串行接口 SSI 数据格式采用了 25 位格雷码输出，最大限度地降低了信号干扰。
2.2 分布 SSI 信号数据采集卡
由于计算机没有 SSI 接口，无法实现对 SSI 信号的直接采集，系统采用了阿尔泰公司 SSI-2335S 分布 SSI 信号数据采集卡。该卡具有 2 路基于 SSI 信号接口的采集通道，可将接收的串行信号经过同步时钟脉冲处理，然后通过板卡上的 RS485、RS232 和以太网接口连接到计算机。
3 测控系统软件
测控系统基于 Windows XP 操作平台，开发软件为 Visual Basic6.0，采用 Access 数据库存储试验数据，软件编制采用了模块化的设计思想，降低了程序的重复编写，提高了代码的利用率，主要包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、数据存储模块、模糊 PID 算法模块及数据查询打印模块等。
3.1 基于模糊自适应 PID 的控制算法
所设计的模糊自适应 PID 控制器结构如图 3 所示，给定信号与反馈信号的差值作为偏差信号，系统运行时通过不断检测偏差 e 及偏差变化率 ec，根据事先设定好的模糊控制规则对 KP、KI、KD进行在线调整，满足不同偏差 e 及偏差变化率 ec 对 3 个参数的不同要求[1]。
图 3 模糊自适应整定 PID 控制器结构
Fig. 3 Structure of fuzzy adaptive tuning PID controller
3.2 SIMUlink 仿真
利用 MATLAB 中 SIMUlink 模块，构建模糊PID 控制器，结构如图 4 所示。以单位阶跃信号作为控制器的信号源，系统采样时间为 10 s，为验证控制器对干扰信号的控制性能，在 4 s 时，控制器输出加入幅值为 0.1 (10%) 的阶跃扰动，用示波器观察输出情况。仿真曲线如图 5 所示。
图 4 模糊自适应 PID 仿真程序
Fig. 4 Simulation program of fuzzy adaptive PID
图 5 仿真曲线
Fig. 5 Simulation curve
由图 5 可知，模糊自适应 PID 控制在系统响应的快速性、稳态误差以及抑制和消除干扰等方面均优于传统 PID 控制。
3.3 测控系统主界面
界面设计主要包括传感器零点校正界面、参数设计界面、运行界面、数据分析界面、历史数据查询界面及打印界面等。主界面设计如图 6 所示。
图 6 主界面
Fig. 6 Main interface
4 抗干扰设计
由于检验室布置有多台大功率电动机，电磁环境比较恶劣，测控系统前端传感器信号易受干扰。为使测控系统能稳定可靠地运行，采取了无源低通滤波，抑制噪声频率的通过。同时分别从安全接地、工作接地与屏蔽接地 3 方面减少与抑制系统干扰信号，通过软件数字滤波程序，实现对低频干扰信号的滤波[2]。
5 加载速度曲线分析
图 7 双伸缩液压支架立柱
Fig. 7 Leg of dual telescopic hydraulic support
被试件为液压支架双伸缩立柱，型号为
420/
290，如图 7 所示，加载速度曲线如图 8 所示。从图8 可知，外加载液压缸在超低速运行情况下，初始阶段加载速度波动比较明显，主要原因为机械部分需克服摩擦阻力，以及被试立柱内部有气体残留，在 180 s 以后，外加载液压缸速度趋于稳定，控制在 (2+0.5) mm/min。
图 8 加载速度曲线
Fig. 8 Curve of loading speed
6 结语
应用基于模糊-PID 结合电液比例伺服技术，研制了 12 MN 液压支架立柱试验台超低速加载系统，并对采用的模糊自适应 PID 算法进行了 MATLAB 仿真分析。该系统经 6 个月的试运行，实际结果表明，其软、硬件运行稳定可靠，达到了预期的设计目标，解决了目前国内液压支架立柱试验台无法按照 GB 25974.2 中进行 2 mm/min加载的状况，提高了国内相关产品的检验检测能力和水平。
