【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)等。從性能價格比來看，多數(shù)采用鋼焊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。臺面的自重在多向振動臺中與試件重量之比為1：，單水平向此比例可以大些。臺面要有足夠的剮度，板的第一彎曲頻率應(yīng)在最高使用頻率的壓倍以上。 激振器振動臺的激振器就是液壓伺服作動缸，它是驅(qū)動系統(tǒng)動作的直接執(zhí)行元件。作動缸主要由缸體、活塞頭、活塞桿、力傳感器、行程傳感器等組成?；緲?gòu)造如下圖24所示。伺服閥配置在作動缸的上面，目的是用來控制液壓油的方向和流量。實現(xiàn)對作動缸的快速、精確的控制。作動缸分單出力和雙出力兩種。最大行程為：+250mm，額定載荷為+1000kN，活塞桿兩端的面積相同，帶有LVDT傳感器。有效面積為487m2。該課題液壓缸的設(shè)計在第四章將提到。其他的性能參數(shù)見下表21所示。表21 MTS系列液壓缸的參數(shù)表 （a）作動缸外形圖 （b）作動缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖24 作動缸的基本構(gòu)造示意圖1—活塞頭 2A—進出油口 2B—進出油口 3—活塞桿 4—襯墊 5—活塞密封 6—活塞軸承 7—高壓密封 8—低壓密封 9—高壓密封回油口 10—傳感器 11—密封管 12—固定板 電液伺服閥電液伺服系統(tǒng)是地震模擬振動臺以下簡稱振動臺的重要組成部分具有大振幅、大出力、高精度、響應(yīng)快的特點它采用模擬控制方式為振動臺臺面運動提供可控動力。電液伺服閥是模擬電液伺服系統(tǒng)的核心元件，它是一種能量轉(zhuǎn)換和液壓放大裝置，可以將微弱的電信號成比例地轉(zhuǎn)換成液壓輸出。電液伺服閥種類較多。按放大等級可分為；單級閥、一級閥、三級閥、四級閥等：按前置級結(jié)構(gòu)可分為：滑閥、噴嘴擋板、射流管等；按內(nèi)部反饋形式可分為：位移反饋的一般流量閥、負(fù)載壓力反饋的壓力閥等。實驗室內(nèi)常見的電液伺服閥一般選用噴嘴擋板作為前置級，放大等級為二、三級左右，它的外形及構(gòu)造分別如下圖25(a)、(b)所示。電液伺服閥主要由力矩馬達(dá)、噴嘴擋扳前置級和功率級滑閥所組成，由反饋桿進行力的反饋。（a）電液伺服閥的外觀（b）電液伺服閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖25 電液伺服閥上圖25為電液伺服閥的工作原理。力矩馬達(dá)在線圈中通入電流后產(chǎn)生扭矩，使彈簧管上的擋板在兩噴嘴間移動，移動的距離和方向隨電流的大小和方向而變化。例如擋板向右移近噴嘴時，就在主閥芯兩端面上產(chǎn)生壓力差推動主閥芯左移，使壓力油口P S與載荷1口相通，回油口與載荷口相通。主閥芯左移的同時通過反饋桿對力矩馬達(dá)產(chǎn)生的力矩和擋板的位移進行負(fù)反饋。因此，主閥芯的位移量就能精確地隨著電流的大小和方向而變化，從而控制通向液壓執(zhí)行元件的流量和壓力。 控制器振動臺的控制部分由MTS flex GT控制器來完成。其外形見下圖26所示?？刂破饕杂嬎銠C為平臺，閉環(huán)控制速率為6KHz， ，波形頻率1KHz，通過軟件編程可完成不同實驗方案的加載。另外根據(jù)振動臺實驗的具體情況還可以配置波形發(fā)生器(wave generate)。產(chǎn)生各種波形。控制系統(tǒng)支持8個通道，多站臺控制能力，這樣既可以在一臺計算機上同時管理幾個站臺，也可以每個計算機管理一個站臺，實現(xiàn)任務(wù)分派。 圖26 GT控制器 油路系統(tǒng)油源系統(tǒng)部分主要由液壓泵、液壓管路、單向閥，電磁溢流閥、比例溢流閥、精濾油器、粗濾油器等組成，其作用是為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的液壓動力。在系統(tǒng)運行中可能會因為執(zhí)行元件密封不完善或元件老化等原因帶入污染物，由于電液伺服閥等精密元件對液壓油的要求很高，所以在進油回路和回油回路中都裝有濾油器。液壓油系統(tǒng)中損失的油流量主要是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，液壓油在工作過程中溫度會不斷地升高，如果液壓油溫度超過系統(tǒng)設(shè)定的限定溫度。那么就會造成系統(tǒng)其他設(shè)備的損壞，所以系統(tǒng)中配有水冷強迫散熱降溫的冷卻系統(tǒng)。為了節(jié)約能源，提供瞬時流量，在系統(tǒng)中添加了蓄能器。系統(tǒng)采用的蓄能器組包括370升壓力蓄能器和92升同油蓄能器。蓄能器的作用有三個方面：一是儲存液壓能，作短期的恒壓油源；二是維持系統(tǒng)的壓力；三是消除或者減弱系統(tǒng)中的壓力脈動，吸收壓力沖擊，保持壓力穩(wěn)定。例如：PS系列單級旋片泵。配有氣壓載閥。表22 各種型號單旋片液壓泵參數(shù)表型號電壓最終壓力Mbar抽吸速度m3/h L/min重量KgPS20220V 50Hz PS40220V 50Hz PS403220/400V 50HZ PS703220/400V 50HZ PS1003220/400V 50HZ （a）PS20單旋片液壓泵外觀圖1泵體 2旋片 3轉(zhuǎn)子 4彈簧 5排氣閥 （b）單旋片液壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖27 液壓泵兩個旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個部分，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時，與吸氣口相通的空間A的容積不斷地增大，A空間的壓強不斷的降低，當(dāng)A空間內(nèi)的壓強低于被抽容器內(nèi)的壓強，根據(jù)氣體壓強平衡的原理，被抽的氣體不斷地被抽進吸氣腔A，此時正處于吸氣過程。B腔的空間的容積正逐漸減小，壓力不斷地增大，此時正處于壓縮過程。而與排氣口相通的空間C的容積進一步地減小，C空間的壓強進一步地升高，當(dāng)氣體的壓強大于排氣壓強時，被壓縮的氣體推開排氣閥，被抽的氣體不斷地穿過油箱內(nèi)的油層而排至大氣中，在泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中，不斷地進行著吸氣、壓縮、排氣過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。排氣閥浸在油里以防止大氣流入泵中，油通過泵體上的間隙、油孔及排氣閥進入泵腔，使泵腔內(nèi)所有運動的表面被油覆蓋，形成了吸氣腔與排氣腔的密封，同時油還充滿了一切有害空間，以消除它們對極限真空的影響。 數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)目前數(shù)據(jù)的采集都是根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信號，利用不同的二次儀表來進行采集的，這種采集的模式對于實驗本身來說存在弊端，主要有兩點，一是數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一，二是數(shù)據(jù)的采集對于控制信號不同步，這樣的實驗并不是實時的。所以在振動臺控制試驗中，需要將所有的控制信號和采集信號集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實時。在儀器設(shè)備的選擇上，選剛的是美國的NI設(shè)備，它可以同時采集加速度信號、位移信號、應(yīng)變信號、荷載信號，并且進行調(diào)理，先對系統(tǒng)的各種信號進行采集與調(diào)理，最終在同一平臺上匯總并且分析。選剛的儀器設(shè)備具體是這樣的，加速度信號采用CAYD和LC加速度傳感器進行采集【2】，位移信號采用LVDT傳感器進行采集，應(yīng)變與荷載信號采用NI的SCXI625I，SCXI1520，SCXI1540，SCXIl125和SCXI4472采集板進行采集與調(diào)理。控制系統(tǒng)為MTS 793軟件，采用Wave Generation波形發(fā)生器進行波形擬合，數(shù)據(jù)采集以及分析采用Labview軟件，添加了三參量(位移、速度和加速度三個參量)控制軟件TVC。 研究的振動臺的功能該地震臺易于實現(xiàn)低頻、大位移、大推力振動激勵，結(jié)構(gòu)牢固，抗橫向負(fù)載能力強，臺面負(fù)載大，多用于大型結(jié)構(gòu)或部件的模型和實物試驗。6自由度液壓振動臺結(jié)構(gòu)如上圖22所示。 6個自由度分別為X、Y和Z3個平動自由度和Rx、Ry和Rz3個轉(zhuǎn)動自由度，X和Y向各有2個激振器，Z向有4個激振器。振動臺最主要的技術(shù)參數(shù)是激振力和使用頻率范圍，這些參數(shù)在很大程度上取決于作動器的工作性能，使用頻率的選擇必須適當(dāng)過高地要求上限頻率就必須加大伺服閥和油泵的流量，從而導(dǎo)致投資增加，合理地選擇這兩個參數(shù)使振動臺既滿足實驗要求又能節(jié)省投資是十分重要的。目前多數(shù)振動臺的使用頻率范圍是0～50HZ。第三章 6自由度振動的控制設(shè)計分析 6自由度振動臺系統(tǒng)的構(gòu)造振動臺伺服控制系統(tǒng)的主要作用是將對臺面的自由度驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為對各激振器的驅(qū)動信號，通過控制激振器的運動實現(xiàn)平臺的運動。伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖31所示，主要由自由度合成及分解控制器、三狀態(tài)控制器和壓力鎮(zhèn)定控制器3部分組成。三狀態(tài)反饋控制器自由度分解矩陣輸入信號選擇三狀態(tài)輸入 控制器自由度分解矩陣自由度分解矩陣自由度分解矩陣單缸速度合成壓力鎮(zhèn)定控制器激振器1激振器8平臺圖31 液壓伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖上圖31中，自由度合成及分解矩陣用于位姿信號和激振器信號之間的相互轉(zhuǎn)換。三狀態(tài)控制器(包括三輸入控制器和三反饋控制器)有兩個作用，一是實現(xiàn)振動臺的加速度控制，二是拓展系統(tǒng)的頻寬，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。壓力鎮(zhèn)定控制器的作用是通過調(diào)整控制量U，削弱系統(tǒng)中各激振器間的內(nèi)力耦合。單缸速度合成模塊作用是通過對位移反饋信號的微分和加速度反饋信號的積分合成單缸速度信號。 自由度的合成方法及分析矩陣 定義振動臺6自由度反饋信號為有： (1)公式中，、(i=1，2)和(j=1,...,4)表示8個激振器的反饋信號。由式(1)可得自由度合成矩陣為： （2）由于方陣，因而自由度分解矩陣可以有多種形式。按照各激振器間的幾何關(guān)系，采用零位線性化方法分析()，可得自由度分解矩陣的一種形式為： （3） 三狀態(tài)控制器以X自由度為例，設(shè)計振動臺系統(tǒng)的三狀態(tài)控制器。X向液壓固有頻率只有45 Hz左右，而且液壓動力機構(gòu)的阻尼比很小，系統(tǒng)穩(wěn)定裕量低。這樣的系統(tǒng)要想使頻寬達(dá)到指標(biāo)要求的80Hz，必須進行補償。為此，用三狀態(tài)反饋方法來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的阻尼比，用三狀態(tài)順饋方法對消系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)中距離虛軸較近的極點，擴展系統(tǒng)的頻寬，再用輸入濾波器實現(xiàn)振動臺的加速度控制。 三狀態(tài)控制器設(shè)計典型的電液位置伺服系統(tǒng)，不考慮伺服閥的動態(tài)特性，單純比例控制時的開環(huán)傳遞函數(shù)為[7]： （4）式中：——液壓動力機構(gòu)的固有頻率；——液壓動力結(jié)構(gòu)的阻尼比；——比例控制時系統(tǒng)的開環(huán)增益。設(shè)三反饋調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （5）一般而言，～。由于X向液壓固有頻率較小，為使系統(tǒng)的頻寬達(dá)到性能指標(biāo)要求，考慮系統(tǒng)頻帶在頻寬處的衰減，取為90Hz。為保證經(jīng)三狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)后系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕量，取=。加三狀態(tài)反饋后的控制系統(tǒng)方框圖如下圖32所示[7]?？傻茫? 圖32 三反饋控制系統(tǒng)方框圖 （6）令式（5）等于式（6），可求得三反饋系數(shù)為： （7）三狀態(tài)順饋的作用是在三反饋調(diào)節(jié)完成后的系統(tǒng)中串入，對消閉環(huán)傳遞函數(shù)中距離虛軸較近的極點，達(dá)到擴展系統(tǒng)頻寬的目的。式(5)所示的閉環(huán)傳函中，因而取為二階微分環(huán)節(jié)，對消環(huán)節(jié)。設(shè)為： （8）公式、中為待定系數(shù)。令，為了保證系統(tǒng)增益不變，取，有： （9） 輸入濾波器的設(shè)計三狀態(tài)控制器是基于位置閉環(huán)控制系統(tǒng)而設(shè)計的，而振動臺系統(tǒng)要求進行加速度控制，輸入信號為加速度信號，因此需要將加速度信號進行二次濾波轉(zhuǎn)換為位置信號。濾波器結(jié)構(gòu)如下圖33所示。下圖33中，為前向調(diào)節(jié)系數(shù)，用于調(diào)整輸入信號的幅值[7]。圖33 輸入濾波器結(jié)構(gòu)圖由圖可得輸入濾波器傳遞函數(shù)為： （10）式中：——振動臺等加速度控制的起點頻率； ——阻尼比?？芍? （11）至此，X自由度三狀態(tài)控制器設(shè)計完成。其他5個自由度三狀態(tài)控制器的設(shè)計方法類同。 壓力鎮(zhèn)定控制器6自由度振動臺有8個激振器，激振器數(shù)多于自由度數(shù)，這種結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)控制策略上的復(fù)雜性，使系統(tǒng)中各激振器間出現(xiàn)較大的內(nèi)力耦合。如果不采用壓力鎮(zhèn)定控制器削弱內(nèi)力，將過多的消耗系統(tǒng)能量，降低控制精度，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致振動臺無法運動。壓力鎮(zhèn)定控制器的實現(xiàn)方法，是取各激振器的出力與各自由度平均力的差為反饋值，依據(jù)這個反饋值微調(diào)各個伺服閥的零點，達(dá)到削弱內(nèi)力的目的?？刂破鞯脑砣缦聢D34所示[7]：8個激振器的壓差6自由度平均壓差K 圖34 壓力鎮(zhèn)定控制器原理圖 設(shè)某一時刻8個激振器出力為，可得各自由度的平均力為： （12）令表示各激振器內(nèi)力，由各激振器間的幾何關(guān)系可得： （13），X、Y激振器伸長量之比。為抑制這種差別，盡量減小內(nèi)力，使各個激振器的出力向平均力逼近，引入控制量 有： (14)式中：、(i=l，2)和(j=l，...，4)為各激振器壓力鎮(zhèn)定控制器的增益。將式(12)、(13)和(14)合并，可將控制量U簡化為： (15)公式中： 式(15)所得的控制向量即為圖31中壓力鎮(zhèn)定控制器的調(diào)節(jié)向量Uo。 試驗研究試驗用6自由度振動臺結(jié)構(gòu)如上圖22所示。振動臺X自由度液壓固有頻率約為45Hz，若不采用三狀態(tài)控制器，X自由度的加速度頻寬不到20Hz。采用三狀態(tài)控制策略后，X向的加速度幅頻特性如下圖35所示：圖35 X自由度加速度幅頻特性圖上圖35中頻率特性曲線是由Labview軟件實時在線測量得出，橫坐標(biāo)為頻率，單位為Hz，縱坐標(biāo)為幅值，單位為dB。由上圖可知，采用三狀