【正文】 ，單純比例控制時(shí)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為[7]： （4）式中：——液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的固有頻率；——液壓動(dòng)力結(jié)構(gòu)的阻尼比；——比例控制時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。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。加三狀態(tài)反饋后的控制系統(tǒng)方框圖如下圖32所示[7]。式(5)所示的閉環(huán)傳函中，因而取為二階微分環(huán)節(jié)，對(duì)消環(huán)節(jié)。令，為了保證系統(tǒng)增益不變，取，有： （9） 輸入濾波器的設(shè)計(jì)三狀態(tài)控制器是基于位置閉環(huán)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，而振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)要求進(jìn)行加速度控制，輸入信號(hào)為加速度信號(hào)，因此需要將加速度信號(hào)進(jìn)行二次濾波轉(zhuǎn)換為位置信號(hào)。下圖33中，為前向調(diào)節(jié)系數(shù)，用于調(diào)整輸入信號(hào)的幅值[7]?？芍? （11）至此，X自由度三狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)完成。 壓力鎮(zhèn)定控制器6自由度振動(dòng)臺(tái)有8個(gè)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。壓力鎮(zhèn)定控制器的實(shí)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(gè)反饋值微調(diào)各個(gè)伺服閥的零點(diǎn)，達(dá)到削弱內(nèi)力的目的。為抑制這種差別，盡量減小內(nèi)力，使各個(gè)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。 試驗(yàn)研究試驗(yàn)用6自由度振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)如上圖22所示。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(shí)時(shí)在線測(cè)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。三狀態(tài)控制的主要目的是拓寬系統(tǒng)的加速度頻寬，理論上頻寬可以無(wú)限擴(kuò)展。為驗(yàn)證壓力鎮(zhèn)定控制器的有效性，測(cè)試空載條件下平臺(tái)在工作零位靜止時(shí)各激振器的壓差(工作壓力為21MPa)，如下表3l所示。采用壓力鎮(zhèn)定控制器調(diào)節(jié)后，減小到1MPa左右，表明控制器能夠有效地削弱各激振器之間的內(nèi)力。利用自由度合成及分解矩陣，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)自由度信號(hào)與8個(gè)激振器信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。采用壓力鎮(zhèn)定控制器削弱系統(tǒng)中各激振器之間的內(nèi)力耦合，提高了系統(tǒng)的控制精度。同時(shí)，通過(guò)對(duì)減震模式的相關(guān)設(shè)置，還可以用來(lái)驗(yàn)證各種減振材料或結(jié)構(gòu)的減振效果。本論文將以日本阪神地震作為參考，系統(tǒng)的頻寬及加速度是通過(guò)對(duì)實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)譜特性分析得到的水平X、Y兩個(gè)方向兩組波形(這里只展示水平方向的波形)，如下圖4l所示。從水平振動(dòng)波形的分析可以看出，在日本阪神地震過(guò)程中，其振動(dòng)的主要能量主要集中于0至4Hz的頻率區(qū)間。(a)水平X方向波形圖 (b)水平Y(jié)方向波形圖圖41 阪神地震的波形分析圖 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容和步驟一臺(tái)機(jī)器究竟采用什么樣的傳動(dòng)方式，必須根據(jù)機(jī)器的工作要求，對(duì)機(jī)械、電力、液壓等各種傳動(dòng)方案進(jìn)行全面的方案論證，正確估算應(yīng)用液壓傳動(dòng)的必要性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。這是合理確定液壓執(zhí)行元件的類型、工作范圍、安裝位置和空間尺寸所必須的。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用可參考下表41所示。差動(dòng)連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)，當(dāng)A1=2A2時(shí)往返速度相等柱塞缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造工藝性好單向工作，靠重力和其他外力返回?cái)[動(dòng)缸單葉片式，轉(zhuǎn)角小于360176。小于360176。的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)代液壓機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。由上綜合分析，現(xiàn)在就采用雙活塞桿液壓缸。例如了解及其工作負(fù)載的類型是阻力負(fù)載還是超越負(fù)載；恒值、變值負(fù)載還是沖擊負(fù)載，以及這些負(fù)載的大小。精度要求包括定位精度、同步精度等[6]。需要了解原動(dòng)機(jī)的類型、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性等。系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的動(dòng)作順序、動(dòng)作時(shí)間及相互關(guān)系。需要了解機(jī)構(gòu)設(shè)置場(chǎng)所是室內(nèi)還是室外；工作時(shí)間；環(huán)境的溫度、濕度、污染物以及防爆、振動(dòng)、噪聲的限制情況；維護(hù)周期、維護(hù)空間等情況。(5)了解、搜集同類型機(jī)構(gòu)的有關(guān)資料進(jìn)行分析。振動(dòng)臺(tái)液壓缸結(jié)構(gòu)是做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以必須克服的外負(fù)載為： F=Fe+Ff+Fi式中：Fe——工作負(fù)載；Ff——摩擦負(fù)載；Fi——慣性負(fù)載。工作負(fù)載還可以分為阻力負(fù)載和超越負(fù)載，阻止液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)載稱為阻力負(fù)載，又稱為正值負(fù)載；助長(zhǎng)液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)載稱為超越負(fù)載，又稱為負(fù)值負(fù)載。：慣性負(fù)載為運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的慣性力，其平均慣性力可按下式進(jìn)行計(jì)算：式中：——慣性力； G——運(yùn)動(dòng)部件所受的重力； g——重力加速度； ——時(shí)間內(nèi)的速度變化值；——啟動(dòng)和制動(dòng)的時(shí)間。詳細(xì)計(jì)算比較繁瑣，一般將它算入液壓缸的機(jī)械效率中考慮[6]。 （一）位移循環(huán)圖 圖是： 圖43 位移循環(huán)圖其縱坐標(biāo)L表示活塞位移，橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，曲線斜率表示了活塞移動(dòng)速度。 （二）速度循環(huán)圖（vt圖） 圖44 速度循環(huán)圖上圖44中，第一種，液壓缸開(kāi)始作勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻速運(yùn)動(dòng)，最后勻減速到終點(diǎn)；第二種，液壓缸在總行程的一半作勻加速運(yùn)動(dòng)，另一半行程作勻減速運(yùn)動(dòng)，且加速度和減速度在數(shù)值上相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半上，以較少的加速度做勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻減速至行程終點(diǎn)。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算和選擇液壓元件、輔件和原動(dòng)機(jī)的規(guī)格型號(hào)。 系統(tǒng)壓力選定的是否合理，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理程度。例如，飛機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力從21MPa提高到28MPa，則其重量下降約5%，所占的體積將減少到13%。一般認(rèn)為取壓力為35MPa左右最為經(jīng)濟(jì)，～2倍。表42 幾類機(jī)器常用的系統(tǒng)壓力參數(shù)對(duì)比表設(shè)備類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械。工程機(jī)械的輔助機(jī)構(gòu)。中、大型挖掘機(jī)。起重運(yùn)輸機(jī)械等。為了使快進(jìn)、快退速度相等并使系統(tǒng)油源所需最大流量減小1/2倍，選用A1=A2液壓缸。慢進(jìn)時(shí)為防止前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔應(yīng)該有背壓。 雙桿活塞液壓缸[6]，見(jiàn)下圖45所示： A1=A2=A A（p1p2）=F/ηcm 圖45 雙桿活塞液壓缸式中：——液壓缸的工作腔壓力； ——液壓缸的回油腔壓力； ——液壓缸左桿腔的有效面積，； ——液壓缸右桿腔的有效面積； D——液壓缸內(nèi)徑和活塞直徑； d——活塞桿直徑； ——液壓缸的最大工作力，； F——液壓缸的最大外負(fù)載；——液壓缸的機(jī)械效率，～。原則具體如下：1)在組合基本回路時(shí)，要注意防止回路間的相互干擾，保證正常的工作循環(huán)。例如功率小，可用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)；功率大，最好用容積調(diào)速系統(tǒng)；經(jīng)常停車制動(dòng)，應(yīng)使泵能夠及時(shí)地卸荷；在每一工作循環(huán)中耗油率差別很大的系統(tǒng)，應(yīng)考慮用蓄能器或壓力補(bǔ)償變量泵等效率高的回路。對(duì)于高壓大流量的液壓系統(tǒng)，應(yīng)考慮用液壓換向閥代替電磁換向閥，從而減慢換向速度；采用蓄能器或增設(shè)緩沖回路，以便消除液壓沖擊。要保證系統(tǒng)安全可靠，對(duì)于做垂直運(yùn)動(dòng)，提升重物的執(zhí)行元件來(lái)說(shuō)應(yīng)該設(shè)有平衡回路；而對(duì)于有嚴(yán)格順序動(dòng)作要求的執(zhí)行元件來(lái)說(shuō)應(yīng)采用行程控制的順序動(dòng)作回路。5)盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，減少專用件設(shè)計(jì)。擬定液壓系統(tǒng)原理圖如附錄中圖3所示。控制模塊接受輸入的信號(hào)，可以是地震信號(hào)，也可以是正弦等其他測(cè)試信號(hào)。選擇的液壓泵的性能曲線如下圖47所示，控制原理如下圖48所示，在圖中B為壓力油口，S為進(jìn)油口，L、(堵死)為殼體泄油口。 圖47 恒壓控制靜態(tài)工作曲線圖 圖48 DR型液壓泵工作原理圖由于當(dāng)前工況只需要用到恒壓控制這一種變量控制方式，因此把流量控制閥關(guān)閉就可以了。由該功率和轉(zhuǎn)速，選用的電機(jī)為Y315S4型，其額定功率為110kW，轉(zhuǎn)速1490r/min。在該地震體驗(yàn)裝置中，激振液壓缸固定在激振缸支架上，采用雙出桿對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中一桿與下臺(tái)架剛性連接，以推動(dòng)下臺(tái)架及其他相關(guān)部分位移發(fā)生變化，模擬地震振動(dòng)。由實(shí)際工況，決定自行設(shè)計(jì)激振液壓缸，其三維結(jié)構(gòu)如下圖49所示，其二維結(jié)構(gòu)如下圖410所示[11]。通過(guò)查表得到液壓缸壁厚=，外徑=121mm。額定工作壓力滿足： （51） （52）額定工作壓力滿足完全塑性變形壓力一定比例范圍：式中，—缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力。通過(guò)廠家產(chǎn)品規(guī)格可以得知，在該工作壓力下其不會(huì)超過(guò)密封圈允許范圍，一般不需要驗(yàn)算。取為15mm。輸入地震波信號(hào)(或正弦波信號(hào))，經(jīng)三參量發(fā)生器，與臺(tái)面反饋的位移和加速度經(jīng)三參量反饋進(jìn)入伺服控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，控制液壓系統(tǒng)的高油交替進(jìn)入激振器的油腔，利用油壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。 三參量發(fā)生器伺服控制器加速度計(jì)作動(dòng)器伺服閥速度發(fā)生電路試件模擬振動(dòng)臺(tái)位移復(fù)合偏差信號(hào)加速度速度輸入圖411 電液伺服控制原理圖液壓伺服系統(tǒng)是利用電液閥控制高壓油流入工作油缸的流量和方向，從而使活塞帶動(dòng)臺(tái)面和其上的試件做相應(yīng)的振動(dòng)。電液控制閥的可動(dòng)系統(tǒng)與控制閥內(nèi)的一個(gè)滑閥相連，控制閥有多個(gè)出入油孔，分別與振動(dòng)臺(tái)的油缸、來(lái)自油水泵的高壓油管和去油箱的回油管相連。當(dāng)有信號(hào)進(jìn)入動(dòng)圈時(shí)，情況就不同了，如上圖412(b)所示，動(dòng)圈帶有滑閥一起向上移動(dòng)，打開(kāi)了控制閥的有關(guān)出入油孔，高壓油按圖中箭頭方向經(jīng)控制閥流入油缸下方，推動(dòng)活塞和振動(dòng)臺(tái)向上移動(dòng)，活塞上方的低壓油按虛線箭頭方向經(jīng)控制閥的另一個(gè)室流回油箱。振動(dòng)臺(tái)上還帶有一個(gè)位移傳感器，提供一個(gè)反饋信號(hào)給控制電路，以提高振動(dòng)臺(tái)的控制精度。在該液壓系統(tǒng)原理圖中，包括液壓油源控制部分，它主要向激振液壓缸提供液壓動(dòng)力；包括蓄能器、過(guò)濾器和其他的液壓輔助裝置；包括由三位四通換向閥控制的鎖緊缸，主要實(shí)現(xiàn)減振模式和非減振模式的控制：包括由數(shù)字換向閥作為電液伺服閥來(lái)控制的液壓激振缸；后者也是本論文研究工作的重點(diǎn)所在。相比節(jié)流調(diào)速，容積調(diào)速可負(fù)載功率大，運(yùn)動(dòng)速度高。另外，容積調(diào)速雖然成本較高，但是功率消耗小，效率高，而且發(fā)熱和泄漏較少。激振模塊主要由電液數(shù)字閥、伺服油缸、位移傳感器及油缸支架等構(gòu)成，如下圖413所示。 圖413 激振模塊工作原理圖蓄能器在液壓系統(tǒng)中是用來(lái)儲(chǔ)存、釋放能量的裝置，在這里設(shè)置一個(gè)蓄能器，可以作為輔助液壓源在短時(shí)間里提供一定流量，用來(lái)滿足系統(tǒng)對(duì)速度、壓力的要求。如下圖414在蓄能器前設(shè)置一截止閥作安全閥使用。其中：溢流閥10應(yīng)按小流量泵的額定流量選取，但由于規(guī)格限制，選用Y10B型；調(diào)速閥4選用Q6B型。 （3）油箱容積：按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算油箱容積 液壓系統(tǒng)主要性能的驗(yàn)算計(jì)算系統(tǒng)壓力損失，必須知道管道的直徑和管道長(zhǎng)度。（1）判斷流動(dòng)狀態(tài)由雷諾數(shù)，可知，在油液粘度、管道內(nèi)徑d一定條件下，Re的大小與q成正比。因?yàn)樽畲蟮腞e就小于臨界雷諾數(shù)（2000），故可推論出：各工況下的油液的流動(dòng)狀態(tài)為層流。接著對(duì)液壓執(zhí)行器進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)分析，給出了液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。第五章 振動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面、鏈接與振動(dòng)機(jī)構(gòu)的外形圖，如附錄中圖22所示。下面將介紹他們的鏈接和運(yùn)動(dòng)形式。用滾珠，能減小摩擦。如下圖55和圖56所示為上下臺(tái)的平動(dòng)配合。 導(dǎo)軌界面如下圖所示，其受到滑動(dòng)摩擦、壓力和拉力的作用。上臺(tái)上導(dǎo)軌下導(dǎo)軌下臺(tái) 圖55 上下臺(tái)配合的主視圖下臺(tái)上軌下軌上臺(tái) 圖56 上下臺(tái)配合的右視圖 水平X向振動(dòng)連接 水平X方向的平動(dòng)，由液壓缸XX2帶動(dòng)，兩個(gè)液壓缸的進(jìn)油量相等，這要靠電液數(shù)字伺服閥油量控制。其連接如下圖57所示。球面鏈接，主要是為了實(shí)現(xiàn)后面的其他運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備，在一定范圍內(nèi)，它能夠任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而三角導(dǎo)軌也是為后面的臺(tái)面垂直運(yùn)動(dòng)而作的。 垂直Z方向平動(dòng)連接機(jī)構(gòu) 臺(tái)面沿Z方向能上下振動(dòng)，是靠激振器ZZZZ4帶動(dòng)，他們的進(jìn)油量相等。如下圖58所示?；钊麠U受到的主要是推力。其他的振動(dòng)在第三章已經(jīng)進(jìn)行了控制分析。我國(guó)清華大學(xué)和大連工學(xué)院也自行開(kāi)發(fā)研制過(guò)小型電磁振動(dòng)臺(tái)。25mm，大出力需要設(shè)備龐大，最大出力177。電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)以反饋控制為主體，是基于經(jīng)典控制理論的電液伺服控制系統(tǒng)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是精度高、響應(yīng)快、大功率。電液伺服控制基本原理是以液壓組件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)負(fù)反饋原理，使系統(tǒng)的輸出能快速、準(zhǔn)確地跟蹤給定的命令信號(hào)，運(yùn)用此技術(shù)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)具有出力大、行程大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。目前絕大部分地震模擬振動(dòng)臺(tái)都是采用電液伺服控制技術(shù)。以目前普遍使用的電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)為例，系統(tǒng)主要由液壓源系統(tǒng)、激振器、伺服模擬控制器、臺(tái)面、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。液壓源系統(tǒng)主要是提供動(dòng)力，包括液壓泵站、蓄能器組、冷卻系統(tǒng)等，液壓泵的流量是根據(jù)地震波的最大速度值來(lái)設(shè)計(jì)的，為了節(jié)省能源，目前都是設(shè)置大容量的蓄能器組來(lái)提供作動(dòng)器瞬時(shí)的巨大能量。地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面是試驗(yàn)的平臺(tái)，臺(tái)面的基本要求是要有足夠的剛度，承載能力要求足夠大。由于鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面具有重量輕，臺(tái)面彎曲頻率高等優(yōu)點(diǎn)，所以大部分的地震模擬振動(dòng)臺(tái)都采用鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面