岩石力学试验机的智能控制理论与试验研究

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在建筑、地质、水力水电工程、采矿等很多行业中,大量接触岩石,要经常用到岩石的力学性能参数,其中岩石的“应力.应变”全过程曲线是一项最基本、最重要、应用最多的性能参数,它是岩石结构刚性和弹性全过程分析、抗震结构以及变形等问题研究的基础。这种全曲线主要是通过岩石力学试验机来获得的。因此,岩石力学试验机在上述行业中显得尤为重要,它为工程设计、施工提供科学的依据。而岩石这种材料具有特殊复杂的天然结构,利用国内普通实验机往往容易引起岩样突然破坏(压崩),造成试验失败而很难获得全面而真实的性能参数。其主要原因是试验机控制系统响应慢、性能低,刚度差。 目前国内获得岩石全曲线的方法大多是加大普通试验机的刚度,还有些部门引进国外的电液伺服机。我们知道高刚性试验机制造很困难,而引进国外的设备又非常昂贵。更主要的是国外的电液伺服机采用的都是模拟控制,其主要是采用了不变的控制器参数,这种控制方式很难与岩石力学试验的要求相适应。岩石试件具有两个显著的特点:一是不同岩石的力学特性相差很远,二是同一个试件在试验过程中力学性能在不断的变化。以峰值强度点为分界的前区和后区特性更是截然不同,因此采用不变的控制器参数难以保证试验机始终保持良好的动、静态特性。 为了解决上述问题,本论文研究了一种集计算机技术、机电一体化技术、液压技术为一体的用计算机智能控制的电液伺服试验机。本机主要采用的智能控制方法是模糊白适应PID控制。这样试验机随着控制对象参数的变化,而不断改变控制器的参数,使系统总是处于一种最优控制状态,与不变的控制器参数相比,具有更良好的动态特性。这是模糊自适应PID控制在岩石力学试验机方面新的应用。 综上本文的主要内容有以下几个方面: (1)对电液伺服系统进行建模,分为线性系统和非线性系统两种情况,利用MicrosoftVisual C++语言编程对该电液伺服系统进行动态仿真。 (2)对典型砂岩的循环载荷下的全应力-应变特性曲线进行分析,并建立特性曲线的数学模型。 (3)根据仿真结果,总结出控制器PID参数的变化规律,并找出外负载岩石刚度对系统PID的变化规律,为智能控制提供可靠的控制策略。 (4)使用智能控制中模糊自适应PID算法控制岩石力学试验机系统,并进行仿真,最后仿真出岩石的“应力-应变”全过程曲线。
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