【正文】 系統(tǒng)性能驗算完成設計 圖42 設計流程圖 明確設計依據(jù)進行工況分析為了設計出工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性能好、成本低、效率高、維護使用方便的液壓系統(tǒng)，必須進行調(diào)查研究，明確下述幾個方面的問題：(1)全面了解振動臺的結(jié)構(gòu)和總體布局。鑒于此，在本論文研究過程中可以確定地震模擬振動臺的液壓系統(tǒng)頻寬和加速度如下：系統(tǒng)頻寬：5Hz加速度：以上所確定的系統(tǒng)頻寬和加速度值對照相關(guān)地震資料，該地震體驗系統(tǒng)可模擬12級地震的震感。在波形圖中，每一組的第一個曲線表示振動加速的波形，第二個曲線表示功率譜，第三個曲線為第二個曲線的局部放大圖。為達到上述目的，結(jié)合本課題研究的條件，給出如下要求：擬設計制造的地震體驗系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如下：振動位移幅值最大：+100mm；最大速度：；振動的有效質(zhì)量：7000Kg；控制方式：數(shù)字式電液伺服控制；控制測量精度：％；壓力波動： +。第四章 液壓系統(tǒng)功能原理設計 系統(tǒng)性能指標作為本課題的地震體驗系統(tǒng)主要是通過一套激振系統(tǒng)，依靠輸入的各種地震波形和頻率等相關(guān)的地震參數(shù)，在一維方向上把地震效果進行精確模擬，使體驗人員獲得地震發(fā)生時的振動體驗。應用三狀態(tài)控制器拓展系統(tǒng)頻寬，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。表31 工作零位時激振器壓差表激振器初始狀態(tài)壓差（MPa）壓力鎮(zhèn)定調(diào)節(jié)后壓差（MPa）X1X2Y1Y2Z1Z2Z3Z4 本章小結(jié)給出了6自由度液壓振動臺伺服控制原理及實現(xiàn)方式。由數(shù)據(jù)可知，初始狀態(tài)下不采用壓力鎮(zhèn)定控制器時，各激振器在工作零位時的壓差在4MPa左右。但考慮實際液壓系統(tǒng)的伺服閥頻寬、系統(tǒng)的最大輸出功率等因素的限制，系統(tǒng)的頻寬拓展是有限的。由上圖可知，采用三狀態(tài)控制器后，X自由度的加速度幅頻特性在90Hz處的幅值為3dB，表明系統(tǒng)頻寬達到并超過了指標要求的80Hz。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。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?？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。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，嚴重時可能導致振動臺無法運動。其他5個自由度三狀態(tài)控制器的設計方法類同。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。濾波器結(jié)構(gòu)如下圖33所示。設為： （8）公式、中為待定系數(shù)?？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，達到擴展系統(tǒng)頻寬的目的。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=。設三反饋調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （5）一般而言，～。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。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。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。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。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。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。目前多數(shù)振動臺的使用頻率范圍是0～50HZ。 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。 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，抗橫向負載能力強，臺面負載大，多用于大型結(jié)構(gòu)或部件的模型和實物試驗。選剛的儀器設備具體是這樣的，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。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。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。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。 PS1003220/400V 50HZ PS403220/400V 50HZ PS40220V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例如：PS系列單級旋片泵。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。那么就會造成系統(tǒng)其他設備的損壞，所以系統(tǒng)中配有水冷強迫散熱降溫的冷卻系統(tǒng)。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?？刂葡到y(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)任務分派。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)。其外形見下圖26所示。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。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。（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。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。電液伺服閥種類較多。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。該課題液壓缸的設計在第四章將提到。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。實現(xiàn)對作動缸的快速、精確的控制?；緲?gòu)造如下圖24所示。 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。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。 臺面目前在臺面材料上有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼焊結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)等。在動力計算中有時可按塊體式，設計此類基礎時，如墻高不超過墻厚的4倍，可近似地認為基礎是剛體，按塊體式基礎計算。因此在設計時不僅要控制地基的剛度，還需要使構(gòu)架有合理的剛度。(2)構(gòu)架式基礎構(gòu)架(亦稱框架)式基礎，由底板、柱子和頂板(包括頂板、縱橫梁)系統(tǒng)所構(gòu)成，汽輪機、發(fā)電機等機器的基礎常用這種型式。此類基礎本身剛度大，地基彈性變形引起機器的振動，基礎一般當作是剛體，振動幅值主要受地基的剛度(地基基床系數(shù))的影響。(1)實體式基礎實體式基礎在動力機器中用得最為廣泛，因為它的設計、施工都較簡便，適合于多種機器基礎。比較常見的振動臺基礎有整體式開口箱形基礎、水平和垂直分離型基礎等?；A是振動臺系統(tǒng)的重要組成部分。下面將闡述一下7部分的組成結(jié)構(gòu)和原理。其實振動臺系統(tǒng)的控制比這里說的還要復雜，有內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)和外部循環(huán)系統(tǒng)之分。另一方面A/D轉(zhuǎn)換器按照控制軟件設定的采樣頻率通過專用接口不停地從電液伺服控制器中采集模擬信號，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳到計算機終端。通過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過專用接口輸入到電液伺服控制器，電液伺服控制器接收到模擬信號后，傳到電液伺服閥，電液伺服閥將電信號成比例地轉(zhuǎn)換成液壓輸出，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)也就是液壓伺服作動器進行動作【1】。第二章 振動臺的組成及工作原理 振動臺的工作原理地震模擬振動臺(以下簡稱振動臺)的工作原理是，把試驗對象放在一個足夠剛性的臺面上，通過動力加載設備使臺面實現(xiàn)各種類型的地震波，使得試驗對象隨之產(chǎn)生類似地震作用下的振動。接著介紹了地震模擬振動臺與液壓控制在國內(nèi)外研究、發(fā)展及其應用現(xiàn)狀，指出了研究的現(xiàn)狀與一些不足之處。研究的具體工作概括如下：1)液壓系統(tǒng)的參數(shù)化設計；2)6自由度振動的控制；3)激振液壓缸和系統(tǒng)的設計；4)振動機構(gòu)的設計和分析；5)真實地震數(shù)據(jù)加載測試。地震體驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成如下圖l1所示?；诒狙b置的應用環(huán)境，在實現(xiàn)規(guī)定功能外，該液壓系統(tǒng)要求輕污染、低噪聲、節(jié)能并且方便故障檢測。 本課題的研究方法與研究內(nèi)容本課題根據(jù)具體功能要求和應用環(huán)境要求，在一維方向上，輸入地震波信號(或正弦階躍信號等)，經(jīng)過控制系統(tǒng)產(chǎn)生位移信號，與臺面反饋的位移一起進入伺服控制器產(chǎn)生控制信號，經(jīng)伺服閥在液壓油源高壓液流的推動下，推動活塞運動，從而帶動振動臺臺面運動，形成閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)波形的在線控制。現(xiàn)在，液壓伺服控制已在自動化領(lǐng)域占有重要位置，凡是需要大功率、快速、精確反應的控制系統(tǒng)，都已采用了液壓伺服控制?，F(xiàn)代飛機與導彈的飛行控制正是由于采用了電液伺服控制，從而提高了飛行控制系統(tǒng)的靈活性與適應性，保證了飛行器在飛行狀態(tài)下所需要的穩(wěn)定性與控制性(操縱性)，改善了飛行器氣動性能與布局，保證了舵面顫振的安全性。此外，還可能有各種校正裝置以及不包括在控制回路內(nèi)的能源裝置以及其它輔助裝置等。因此，液壓伺服控制作為一種新興的技術(shù)學科迅速地發(fā)展起來。液壓伺服控制可以說是一門新興的科學技術(shù)，其發(fā)展的歷史并不長，直到二十世紀50年代至60年代以后才逐漸發(fā)展起來，但是由于電氣系統(tǒng)優(yōu)越性的影響，一直未有大的發(fā)展。70年代末80年代初逐漸完善和普及的計算機控制技術(shù)為電子技術(shù)和液壓技術(shù)的結(jié)合奠定了基礎，大大提高了液壓控制系統(tǒng)的功能與完成復雜控制的能力。我國特別是20世紀80年代到90年代對液壓行業(yè)進行了重點改造，有計劃地加速對國外先進液壓元件和技術(shù)的引進、消化、吸收工作，追趕世界先進水平。 液壓系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前國外生產(chǎn)的95%的工程機械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動化生產(chǎn)線都采用了液壓傳動技術(shù)?；谝陨戏治隹梢钥闯?，地震模擬振動臺的三個發(fā)展趨勢：即向大型足尺試驗發(fā)展、向地震模擬振動臺臺陣發(fā)展、以及在控制技術(shù)方面向全數(shù)字發(fā)展。日本于2005年安裝了臺面尺寸為20ml5m的三向六自由度振動臺。研制生產(chǎn)振動臺或振動臺部件的公司也越來越多，其中有MTS公司、SHOREWEST公司、SD公司、IST公司、JAGUAR公司、SERVOTEST公司等等，這也促進了振動臺本身的發(fā)展。同濟大學擁有的振動臺其油源部分的核心部件就由MTS提供，作動器均采用MTS產(chǎn)品，整個系統(tǒng)由MTS總承包；中國建筑科學研究院的振動臺也是由美國MTS公司總承包建設。日本國立防災科學技術(shù)中心建立了當時世界上最大的15ml5m臺面，垂直或水平單獨工作的大型地震模擬工作臺。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也集合了國內(nèi)多家廠家的動態(tài)測試設備。m。(5)中國地震局工程力學研究所1986年采用國產(chǎn)設備自行研制了雙向振動臺，1997年升級成三向振動臺。配套數(shù)據(jù)采集、振動測試分析系統(tǒng)也是目前國際上最先進的。系統(tǒng)的總體技術(shù)水平和性能指標處于國際先進水平，臺陣組合工作模式及臺子軌道移動方式均屬世界首創(chuàng)。m。采用4臺油源并列供油；流量2000L/min，設置蓄能器陣；；豎向采用4臺MTS作動器，兩個水平向分別采用4臺作動器。目前，該振動臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺面尺寸：5m5m；頻率范圍：0～120Hz；最大模型重量：20t；最大位移：X向：+40mm，Y向：+40ram，Z向：+30mm；最大速度：X向：400mm/s；Y向：400mm/s；Z向：300mm/s；最大加速度：X向：；Y向：；Z向：；最大傾覆力矩：35t