简易地震模拟振动系统的设计.doc

毕 业 论 文论文题目 简易地震模拟振动系统的设计 系 别 电子信息工程系 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师（签名） 完成时间 年 月摘要本论文提出一套简易地震模拟体验系统的液压系统设计，其设计原型是电液伺服地震模拟振动台，电液伺服地震模拟振动台试验是地震工程重要的研究手段，近几年来得到了迅速发展，已经应用于多个产业部门。振动台主要由台面及支撑系统、液压激振系统、液压油源系统和控制系统四大模块组成，多以位移控制为基础进行地震波形的模拟。 该地震体验系统主要通过一套激振系统，依靠输入的各种地震波形和频率等相关参数，在一维方向上把地震效果进行精确模拟，使体验人员获得类似的振动体验。同时，通过对减震模式的相关设置还可以用来验证各种减振材料或结构的减振效果。 本论文在符合设计要求的基础上提出了合理的液压原理设计，并就部分关键部件进行了相关功能和结构的设计。该地震体验装置的突出特点是采用了以2D数字换向阀为控制阀的电液伺服系统，电液伺服系统的优点是系统刚度大，控制精度高，响应速度快，能高速启动、制动和反向等优点，因而可组成体积小，重量轻，加速能力强，快速动作和控制精度高的伺服系统来控制较大的功率和负载。另外，由于伺服阀等的非线性影响及台架与试件的共同作用，本装置在本质上是一个十分复杂的非线性系统。为了能更清楚的显示其内部控制关系，通过一系列线性化的手段，本论文在分析电液伺服地震模拟振动台的设备构成及其物理机理的基础上，给出了地震体验系统相关的数学模型，并以此进行了SIMULINK的仿真和分析，为进一步调整及优化提出了一系列的设想和展望。关键词：地震 电液伺服控制 2D数字阀The design is of the system of the simple-easyearthquake vibration simulationAbstractThe earthquakeexperienced system discussed here is actually an earthquake shaking table controlled by electrohydraulic servo systemShaking table test is an important earthquake engineering research toolAnd this tool has been achieved a rapid development in recent years，and it is used in various industrial sectors nowThe system mainly composed of four modules：the vibration table and support system，hydraulic vibration system，hydraulic oil system and control systemMost of shaking tables，their seismic wave simulation is based on displacement controlThe earthquake-experienced system relies on the importation of all kinds of seismic wave and frequency，and other relevant parametersIn the direction of the one dimensional，this seismic effect can be accurately simulated by its hydraulic vibration system，So that staff may get a similar experience of earthquakesIn addition，through it can also be used to validate the damping vibration effect of many kinds of material or structureIn order to achieve those required function，some key components of the relevant functional and structural design are selected hereThe earthquake-experienced system uses 2D-digital valve as the control of electro-hydraulic servo system which it has many advantages，like the high precision，fast response，action of high-speed，brake and reverse，etcWhat is more，because of the servo valve，and other components that it have non-linear impact in essence，and the system is a very complicated nonlinear system in essenceIn order to get its internal relationship among complicate parameters，the linearization of electro-hydraulic servo system is neededA simple mathematical model is establishedAnd the result of the simulation shows the earthquake-experienced system is feasibilityKey word：earthquake electro-hydraulic servo control 2D- digital valve目录第一章 绪 论.11.1本课题研究的背景与意义11.2国内外研究发展现状31.3本课题研究方法与内容71.4本章小结8第二章 振动台的组成及工作原理.92.1振动台的工作原理92.2振动台系统的组成102.3 研究的振动台的功能17第三章 6自由度振动的控制设计分析.183.1 6自由度振动台系统的构造183.2 自由度的合成方法及分析矩阵193.3 三状态控制器203.4压力镇定控制器233.5试验研究253.6 本章小结26第四章 液压系统功能原理设计.274.1系统性能指标274.2系统功能设计304.3 本章小结45第五章 振动台机构的设计与分析.465.1 台面设计465.2 水平X向振动连接485.3 垂直Z方向平动连接机构49第六章 总结.51参考文献.52致谢.53附录.54第一章 绪论1.1 本课题研究的背景与意义1.1.1 本课题的研究背景地震就是地球表层的快速振动，在古代又称为地动。它就象刮风、下雨、闪电、山崩、火山爆发一样，是地球上经常发生的一种自然现象。地震时，在地球内部出现的弹性波叫做地震波，地震波主要包含纵波和横波。振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)，来自地下的纵波引起地面上下方向颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)，来自地下的横波能引起地面的水平方向晃动，横波是地震时造成建筑物破坏的主要原因。由于纵波在地球内部传播速度大于横波，所以在地震时，纵波总是先到达地表，而横波总落后一步。这样，发生较大的地震时，人们一般会先感觉到上下颠簸，过数秒到十几秒后才感觉到有很强的水平晃动。地震，如果发生在没有人烟的高山、沙漠或者海底，即使震级再大，也不会造成伤亡或损失。相反，如果地震发生在人口稠密、经济发达、社会财富集中的地区，特别是在大城市，就可能造成巨大的灾害。地震时房屋等建筑物的倒塌和严重破坏，是造成人员伤亡和财产损失最重要的直接原因之一。房屋等建筑物的质量好坏、抗震性能如何，直接影响到受灾的程度。因此，必须做好建筑物的抗震设防工作。破坏性地震发生之前，人们对地震有没有防御，防御工作做得好与否将会大大影响到经济损失的大小和人员伤亡的多少。防御工作做得好，就可以有效地减轻地震带来的灾害损失。到目前为止，地震预测仍然是世界难题。这种状况由三方面因素所决定：第一，地球的不可入性。正所谓上天容易入地难，我们对地下发生的变化，只能通过对地表现象的观测来推测。第二，地震孕育规律的复杂性。相关专家通过多年的研究，现在逐渐认识到地震孕育、发生、发展的过程十分复杂，在不同的地理构造环境、不同的时间阶段，不同震级的地震都显示出相当复杂的孕育规律过程。第三，地震发生的小概率性。这一点我们可能都能感觉到，全球每年都有地震发生，有些还是比较大的地震。但是对于某一个地区来说，地震发生的重复性时间是很长的，几十年、几百年、上千年，而进行科学研究的话，都有统计样本，而这个样本的获取，在有生之年都有可能非常困难。由上面三种原因决定，地震预报到目前仍是世界难题。可是随着现代高科技的迅猛发展，人们对高层建筑、大坝等工程的安全问题越来越重视。为了减少损失，对于地震多发地带，特别是对学校、车站以及中高层建筑这些人员密集场所来说，对它们的抗震试验尤为重要。通过对过去一些地震的研究分析，发现绝大部分的人员伤亡来自于建筑物的坍塌，不少人还因为没有经历过类似的地震体验，没有相应的心理准备，故而在地震来临时惊慌失措，从而导致人身伤害。另外，虽然目前对地震机理的理论研究很多，但是通常需要到模拟试验台上对模型进行验证和优化。如今这种运用地震模拟振动台对模型和理论进行验证和优化的形式是被公认为最能模拟真实的地动环境的措施之一。地震模拟振动台是包括土建、振动、电子、机械液压传动、自动控制和计算机技术等在内的多学科综合性技术。就驱动方式而言可以分为电液伺服方式和电动式，由于电液伺服方式具有低频时推力大，位移大，而且系统刚度大，控制精度高，响应速度快，能高速启动、制动和反向等特点，因而可组成体积小，重量轻，易于搬运安装，加速能力强，快速动作和控制精度高的伺服系统来控制较大功率和负载。故而在目前被广泛应用。1.1.2 本课题的选题意义在对地震机理的理论研究过程中，通常需要到模拟试验台上验证和优化，地震模拟振动台就为我们提供了一种很好的方法和手段。地震模拟振动台作为振动试验的标准设备，其性能直接影响到试验的结果，其水平在很大程度上影响到对地震防范工作的展开，因而在国民经济发展中占有相当重要的地位。从另一方面来说，它的发展水平在某种程度上也反映了一个国家的工业发展水平。因此，世界各国都很重视地震振动试验技术和地震振动试验系统的研究开发工作。我国是一个多地震的国家，处在环太平洋地震带和喜马拉雅地中海地震带上，目前我国又处于地震活跃期，地震发生较为频繁。而普及地震知识、掌握避震抗震技巧是预防地震灾害的重要手段，与每个人息息相关，地震体验可以寓教于乐，提高全民防震抗震意识。地震体验装置广泛应用于大型科学馆，教学实验室，地震预防馆，建筑材料研究展览馆。地震模拟振动台是通过台面的运动对试体或结构模型输入地面运动，模拟地震对试体或结构模型作用的全过程，进行结构或模型的动力特性和动力反应的试验。其特点是可以再现各种形式的地震波形，可以在实验室条件下直接观测和了解被试验试体或结构模型的受震损害情况和破坏现象等。振动台试验较好地体现了模型的抗震性能，但是在由模型的试验结果来推算原型结构的抗震性能，这方面尚未形成非常一致的结论，还存在一定的误差，有待于进一步提高精度。对液压装置而言，它易于实现快速响应，易于执行频繁启动、制动和换向等动作，易于实现自动化、过载保护和直线运动，输出力大。鉴于液压装置有如此的优点，所以目前地震模拟振动台大都采用液压驱动方式。液压驱动属于力封闭控制，在多电机驱动时，能够通过液压缸中液体的自身弹性达到同步控制的目的。本论文将要研究设计的地震体验装置，是采用电液伺服控制方式，对于帮助人们获得地震方面的感性认识，显现“地动山摇”的场景，试验相关建筑模型是非常合适的，因而也最适于教学及研究成果的示范和检验，这就为这套地震体验系统的提出奠定了应用基础。本课题所研究设计的是整个地震体验装置的液压系统子课题。1.2 国内外研究发展现状1.2.1 国内外振动台的发展以前，抗震试验主要是采用野外原型试验。其方法是将强震观测仪器设置在地震区的房屋建筑等结构之上，然后等待地震的到来，以测取房屋的动力特性，将获得的固有频率、阻尼、振型等参数提供给抗震理论分析使用。但是由于强震较少而且受到地震预报的约束，故而用该方法取得数据的机会较少，试验周期较长，远远满足不了抗震研究工作的需要。为了解决这种矛盾，到了六十年代，采用了大型起振机等方式在原型结构上进行振动破坏试验，以获取所需数据，但是，要模拟地震破坏是很困难的，而且做一个这样的试验，投资相当大，试验周期也很长，因而探索将房屋结构放到实验室来进行试验，以求花较少的钱，以最快的速度，获得更多的数据，从而使地震模拟振动台在六十年代末应运而生。目前，世界上已建成上百座模拟地震振动台，其中以日本拥有的数量为最多，规模最大。我国一方面自行研制，另一方面引进，目前全国范围内的振动台的数量和规模也相当可观。振动台主要可以分成三大类：机械式、电动式及电液式。综合比较来看，电液式振动台有很强的优越性能。国内目前主要研究及应用现状：(1)同济大学地震模拟振动台在朱伯龙教授的领导下于1983年7月建成，原来为X、Y两向振动台，90年代进行了多次改造，主要改造内容为：双向振动台升级至三向六自由度；模型质量由15吨升级至25吨；控制系统和数据采集系统的升级等。目前，该振动台的主要技术参数如下：台面尺寸：4m4m；频率范围：0.150Hz；最大模型质量：25t；最大位移：x向：+100mm，Y向：+50mm，Z向：+50mm；最大速度：X向：1000mm/s；Y向和Z向：600mm/s最大加速度：X向：4.0g(空载)，1.2g(负载15t)；Y向：2.0g(空载)，0.8g(负载15t)；Z向：4.0g(空载)，0.7g(负载15t)；最大重心高度：台面以上3000mm；最大偏心：距台面中心600mm。该振动台实验室是土木工程防灾国家重点实验室的一部分，技术负责人为吕西林教授，目前已经完成试验项目数量近500项。据统计，在世界上已经运行的大型振动台中，该振动台的运行效率名列前茅。(2)中国水利水电科学研究院拥有5m5m电液伺服式三向六自由度宽频域模拟地震振动台。中国水利水电科学研究院1987年从德国Schenck公司引进了全套振动台，由陈厚群院士主持，考虑水工结构模型的大缩比，该振动台的工作频率上限达到了120Hz，为目前国内工作频率最高的振动台。目前，该振动台的主要技术参数如下：台面尺寸：5m5m；频率范围：0120Hz；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：1.0g；Y向：1.0g；Z向：0.7g；最大倾覆力矩：35t*m。(3)中国建筑科学研究院拥有目前国内最大的振动台。采用4台油源并列供油；流量2000L/min，设置蓄能器阵；台面尺寸为6.1m6.1m；竖向采用4台MTS作动器，两个水平向分别采用4台作动器。目前，该振动台的主要技术参数如下：台面尺寸：6.1m6.1m；频率范围：050Hz；最大模型重量：60t；最大位移：X向：+150mm，Y向：+250mm，Z向：+100mm；最大速度：X向：1000mm/s；Y向：1200mm/s；Z向：800mm/s；最大加速度：X向：1.5g；Y向：1.0g；Z向：O.8g；最大倾覆力矩：180tm。(4)重庆交通科研设计院桥梁结构动力实验室的地震模拟试验台阵系统，它是目前国内外唯一的由一个固定台和一个移动台组成台阵的大型高性能三轴向地震模拟试验台阵系统。系统的总体技术水平和性能指标处于国际先进水平，台阵组合工作模式及台子轨道移动方式均属世界首创。采用了目前国际上最先进的数字控制系统和软件。配套数据采集、振动测试分析系统也是目前国际上最先进的。该系统的建成，为广泛领域内的振动和抗震试验研究提供了条件，特别是为大跨度结构的抗震试验研究提供了必要的条件，从而使得大跨度结构抗震动力学的一些基本问题的试验研究成为可能。(5)中国地震局工程力学研究所1986年采用国产设备自行研制了双向振动台，1997年升级成三向振动台。该振动台的主要技术参数如下：台面尺寸：5m5m；频率范围：0.540Hz；最大模型重量：30t；最大位移：水平：+80mm，竖向：+50mm；最大速度：水平：+600mm/s，竖向：+300mm/s；最大加速度：水平：+1.0g，竖向：+0.7g；最大倾覆力矩：75tm。该振动台由工程力学研究所依靠国内技术力量建设完成，全部机械和液压系统由国内制造，控制系统由工程力学研究所自行研制。数据采集系统也集合了国内多家厂家的动态测试设备。国外目前主要研究发展现状：自50年代中期以来，国外就对电液式振动台进行了研究。60年代末期美国加州大学伯克利分校建立了第一台水平和垂直同时工作的6.1m6.1m双向地震模拟振动台。日本国立防灾科学技术中心建立了当时世界上最大的15ml5m台面，垂直或水平单独工作的大型地震模拟工作台。现在国外一些大公司，如美国MTS、英国的Instron、瑞士的Amsler、德国的Schenck、日本的岛津等先后生产了各种系列的电液式振动台，以美国MTS公司的振动台技术最具有特色，可实现多种试验波形(包括组合波形)的加载试验，硬件集成度高，体积比较小，MTS系统公司是全球最大的力学性能测试及模拟系统供应商，首创把液压伺服闭环控制概念引入力学测试系统。同济大学拥有的振动台其油源部分的核心部件就由MTS提供，作动器均采用MTS产品，整个系统由MTS总承包；中国建筑科学研究院的振动台也是由美国MTS公司总承包建设。目前MTS振动台控制器已升级为全数字469D控制器，使振动台试验过程变得简单、易于操纵，大大地节约了时间和成本，为开展更多的试验研究提供了可能。研制生产振动台或振动台部件的公司也越来越多，其中有MTS公司、SHOREWEST公司、SD公司、IST公司、JAGUAR公司、SERVOTEST公司等等，这也促进了振动台本身的发展。2004年，加州大学圣地亚哥分校建成了全美最大的室外模拟振动台，台面面积25英尺40英尺，能够测试的结构重量可达2200吨，高100英尺。日本于2005年安装了台面尺寸为20ml5m的三向六自由度振动台。水平最大加速度、速度和位移分别是0.9g，2m/s和11m；竖向的最大加速度、速度和位移分别为1.5g，0.7m/s和10.5m，台面最大承载能力为1200吨。基于以上分析可以看出，地震模拟振动台的三个发展趋势：即向大型足尺试验发展、向地震模拟振动台台阵发展、以及在控制技术方面向全数字发展。与其相适应，其液压系统的发展大致有以下两个趋势：(1)从单个作动器发展到多个作动器同步作用；(2)从单向水平发展到双向、三向加转动共计六个自由度的运动圆。1.2.2 液压系统国内外发展现状目前国外生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动化生产线都采用了液压传动技术。液压技术的应用对机电产品质量和水平的提高起到了极大的促进和保证作用，世界上先进的工业国家均对液压技术的发展给予了高度重视，采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志。我国特别是20世纪80年代到90年代对液压行业进行了重点改造，有计划地加速对国外先进液压元件和技术的引进、消化、吸收工作，追赶世界先进水平。但由于起步较晚和一些相关技术的影响，我国液压传动技术与国外先进水平相比还存在一些差距，主要表现在：产品质量不稳定，可靠性差，寿命短；一些新的应用领域如航空航天等新型液压技术和元件研究开发工作还不能满足需要。70年代末80年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术为电子技术和液压技术的结合奠定了基础，大大提高了液压控制系统的功能与完成复杂控制的能力。计算机的日益发展和普及，对液压元件的发展产生了前所未有的促进作用，各种功用的数字化液压元件不断出现，液压行业的数字化和微机化己成为发展潮流。液压伺服控制可以说是一门新兴的科学技术，其发展的历史并不长，直到二十世纪50年代至60年代以后才逐渐发展起来，但是由于电气系统优越性的影响，一直未有大的发展。近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在军事上和航空与宇航技术上所应用的伺服控制系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，液压伺服控制所具有的反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚性大等优点再次受到重视。因此，液压伺服控制作为一种新兴的技术学科迅速地发展起来。一般来说，各种液压伺服系统均可由指令元件、反馈检测元件、放大元件、转换元件、控制元件、比较元件、执行元件、控制对象等组成。此外，还可能有各种校正装置以及不包括在控制回路内的能源装置以及其它辅助装置等。同样，数字化液压元件的良好使用性能一方面满足了用户们的需要，另一方面也对液压元件的研制提出了全新的理念。现代飞机与导弹的飞行控制正是由于采用了电液伺服控制，从而提高了飞行控制系统的灵活性与适应性，保证了飞行器在飞行状态下所需要的稳定性与控制性(操纵性)，改善了飞行器气动性能与布局，保证了舵面颤振的安全性。在民用工业方面的应用也得到了广泛的重视，如机床、冶炼、铸锻、轧钢、动力、车辆工程、矿山机械、海底作业、建筑、石油等，甚至在人们的日常生活中也被采用，如液压电梯。现在，液压伺服控制已在自动化领域占有重要位置，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已采用了液压伺服控制。本论文所研究的液压系统就是采用的液压伺服控制。1.3 本课题的研究方法与研究内容本课题根据具体功能要求和应用环境要求，在一维方向上，输入地震波信号(或正弦阶跃信号等)，经过控制系统产生位移信号，与台面反馈的位移一起进入伺服控制器产生控制信号，经伺服阀在液压油源高压液流的推动下，推动活塞运动，从而带动振动台台面运动，形成闭环控制，从而实现波形的在线控制。并且为该地震体验装置设计了一套符合要求同时节能的液压系统。基于本装置的应用环境，在实现规定功能外，该液压系统要求轻污染、低噪声、节能并且方便故障检测。目前国内外对地震模拟振动台的相关研究成果很多，它们的液压系统设计方案的核心思想也基本上一致，振动台主要由台面及支撑系统、液压激振系统、液压油源系统和控制系统四大模块组成。地震体验系统的基本构成如下图l-1所示。控制系统液压激振系统台面及支撑系统液压油源系统图1-1 地震模拟系统的基本构成本论文内容主要是对地震体验装置的液压系统和运动机构进行相关功能和结构设计进行研究。研究的具体工作概括如下：1)液压系统的参数化设计；2)6自由度振动的控制；3)激振液压缸和系统的设计；4)振动机构的设计和分析；5)真实地震数据加载测试。1.4 本章小结本章首先介绍了该课题的研究背景与研究意义，以说明课题研究的必要性。接着介绍了地震模拟振动台与液压控制在国内外研究、发展及其应用现状，指出了研究的现状与一些不足之处。最后结合本课题目标，提出了本论文的研究方法与研究内容。第二章 振动台的组成及工作原理2.1 振动台的工作原理地震模拟振动台(以下简称振动台)的工作原理是，把试验对象放在一个足够刚性的台面上，通过动力加载设备使台面实现各种类型的地震波，使得试验对象随之产生类似地震作用下的振动。振动台系统是一个闭环控制系统，具体的工作流程可以简单描述成这样：首先由计算机程序发出指令信号。通过D/A转换器将数字量转换成模拟量，再通过专用接口输入到电液伺服控制器，电液伺服控制器接收到模拟信号后，传到电液伺服阀，电液伺服阀将电信号成比例地转换成液压输出，驱动执行机构也就是液压伺服作动器进行动作【1】。与此同时电液伺服作动器的内、外传感器，包括内部行程传感器，力传感器，外部试件上的位移传感器等，将不同的电信号反馈到电液伺服控制器，电液伺服控制器将反馈信号与开始的输出指令作比较，比较后的差值信号通过伺服放大器驱动作动器动作，直到反馈信号与输出指令的比较差值小于规定的允许误差。另一方面A/D转换器按照控制软件设定的采样频率通过专用接口不停地从电液伺服控制器中采集模拟信号，并将其转化成数字信号传到计算机终端。计算机终端根据采集到的信号实时地进行监控，并调整决定下一步加载的方案，于是整个系统就形成了一个闭环系统，从而实现结构加载试验的自动化，如下图2-1所示。其实振动台系统的控制比这里说的还要复杂，有内部循环系统和外部循环系统之分。 图2-1 振动台闭环控制系统2.2 振动台系统的组成地震模拟振动台系统由基础、台面、油源系统、激振器、电液伺服阀与控制器、数据采集与分析系统和计算机与控制软件等7部分组成，如下图2-2所示为地震模拟振动台的模型。下面将阐述一下7部分的组成结构和原理。Y2Y1X1X2Z1Z2Z3Z4图2-2 振动台外观图图2-3 振动台系统分布图2.2.1 振动台基础振动台基础作为一种动力基础，它是振动台工作时的提供反力装置，对振动台能否正常工作及使用寿命都会产生重要影响。基础是振动台系统的重要组成部分。基础的性能直接影响到系统的正常运行。比较常见的振动台基础有整体式开口箱形基础、水平和垂直分离型基础等。动力基础的形式一般有三种：实体式基础、构架式基础和墙式基础。(1)实体式基础实体式基础在动力机器中用得最为广泛，因为它的设计、施工都较简便，适合于多种机器基础。例如曲柄连杆类(活塞式压缩机等)，旋转式(汽轮机、发电机等)机器，滚筒式(磨机、转窑等)机器，冲击(锻锤、落锥等)机器等均可用块体式基础。此类基础本身刚度大，地基弹性变形引起机器的振动，基础一般当作是刚体，振动幅值主要受地基的刚度(地基基床系数)的影响。因此在设计时，地基的刚度系数确定得正确与否，对基础的振动影响很大。(2)构架式基础构架(亦称框架)式基础，由底板、柱子和顶板(包括顶板、纵横梁)系统所构成，汽轮机、发电机等机器的基础常用这种型式。构架式基础的振动由两部分组成：一是地基弹性变形引起的振动；二是基础本身构架(板、梁、杆系统)变形引起的振动。因此在设计时不仅要控制地基的刚度，还需要使构架有合理的刚度。 (3)墙式基础墙式基础以横墙代替构架式基础的横向框架；因而刚度较构架式基础为大。在动力计算中有时可按块体式，设计此类基础时，如墙高不超过墙厚的4倍，可近似地认为基础是刚体，按块体式基础计算。如墙高超过墙厚的4倍时，则基础本身刚度不足，变形较大，则应按构架式基础计算，同时考虑地基及基础的弹性变形。2.2.2 台面目前在台面材料上有钢筋混凝土结构，钢焊结构和铝合金结构等。从性能价格比来看，多数采用钢焊网格结构。台面的自重在多向振动台中与试件重量之比为1：1.5以内，单水平向此比例可以大些。台面要有足够的剐度，板的第一弯曲频率应在最高使用频率的压倍以上。2.2.3 激振器振动台的激振器就是液压伺服作动缸，它是驱动系统动作的直接执行元件。作动缸主要由缸体、活塞头、活塞杆、力传感器、行程传感器等组成。基本构造如下图2-4所示。伺服阀配置在作动缸的上面，目的是用来控制液压油的方向和流量。实现对作动缸的快速、精确的控制。作动缸分单出力和双出力两种。例如MTS244.51型号是双出杆方式作动缸。最大行程为：+250mm，额定载荷为+1000kN，活塞杆两端的面积相同，带有3.8升紧耦合蓄能器，带有LVDT传感器。有效面积为487m2。该课题液压缸的设计在第四章将提到。其他的性能参数见下表2-1所示。表2-1 MTS系列液压缸的参数表 （a）作动缸外形图 （b）作动缸内部结构图图2-4 作动缸的基本构造示意图1活塞头 2A进出油口 2B进出油口 3活塞杆 4衬垫 5活塞密封 6活塞轴承 7高压密封 8低压密封 9高压密封回油口 10传感器 11密封管 12固定板 2.2.4 电液伺服阀电液伺服系统是地震模拟振动台以下简称振动台的重要组成部分具有大振幅、大出力、高精度、响应快的特点它采用模拟控制方式为振动台台面运动提供可控动力。电液伺服阀是模拟电液伺服系统的核心元件，它是一种能量转换和液压放大装置，可以将微弱的电信号成比例地转换成液压输出。电液伺服阀种类较多。按放大等级可分为；单级阀、一级阀、三级阀、四级阀等：按前置级结构可分为：滑阀、喷嘴挡板、射流管等；按内部反馈形式可分为：位移反馈的一般流量阀、负载压力反馈的压力阀等。实验室内常见的电液伺服阀一般选用喷嘴挡板作为前置级，放大等级为二、三级左右，它的外形及构造分别如下图2-5(a)、(b)所示。电液伺服阀主要由力矩马达、喷嘴挡扳前置级和功率级滑阀所组成，由反馈杆进行力的反馈。（a）电液伺服阀的外观（b）电液伺服阀的内部结构图2-5 电液伺服阀上图2-5为电液伺服阀的工作原理。力矩马达在线圈中通入电流后产生扭矩，使弹簧管上的挡板在两喷嘴间移动，移动的距离和方向随电流的大小和方向而变化。例如挡板向右移近喷嘴时，就在主阀芯两端面上产生压力差推动主阀芯左移，使压力油口P S与载荷1口相通，回油口与载荷口相通。主阀芯左移的同时通过反馈杆对力矩马达产生的力矩和挡板的位移进行负反馈。因此，主阀芯的位移量就能精确地随着电流的大小和方向而变化，从而控制通向液压执行元件的流量和压力。2.2.5 控制器振动台的控制部分由MTS flex GT控制器来完成。其外形见下图2-6所示。控制器以计算机为平台，闭环控制速率为6KHz， 42.9KHz高峰数采样，波形频率1KHz，通过软件编程可完成不同实验方案的加载。另外根据振动台实验的具体情况还可以配置波形发生器(wave generate)。产生各种波形。控制系统支持8个通道，多站台控制能力，这样既可以在一台计算机上同时管理几个站台，也可以每个计算机管理一个站台，实现任务分派。 图2-6 GT控制器2.2.6 油路系统油源系统部分主要由液压泵、液压管路、单向阀，电磁溢流阀、比例溢流阀、精滤油器、粗滤油器等组成，其作用是为整个系统提供稳定的液压动力。在系统运行中可能会因为执行元件密封不完善或元件老化等原因带入污染物，由于电液伺服阀等精密元件对液压油的要求很高，所以在进油回路和回油回路中都装有滤油器。液压油系统中损失的油流量主要是转变为热能，液压油在工作过程中温度会不断地升高，如果液压油温度超过系统设定的限定温度。那么就会造成系统其他设备的损坏，所以系统中配有水冷强迫散热降温的冷却系统。为了节约能源，提供瞬时流量，在系统中添加了蓄能器。系统采用的蓄能器组包括370升压力蓄能器和92升同油蓄能器。蓄能器的作用有三个方面：一是储存液压能，作短期的恒压油源；二是维持系统的压力；三是消除或者减弱系统中的压力脉动，吸收压力冲击，保持压力稳定。例如：PS系列单级旋片泵其最终压力为0.5mbar或1mbar。流速为18.0m3/h-630.0m3/h。配有气压载阀。表2-2 各种型号单旋片液压泵参数表型号电压最终压力Mbar抽吸速度m3/h L/min重量KgPS20220V 50Hz1.018.0 300.020.0PS40220V 50Hz1.040.0 666.038.0PS403220/400V 50HZ1.040.0 666.038.0PS703220/400V 50HZ0.5 70.0 1166.065.0PS1003220/400V 50HZ，因而取为二阶微分环节，对消环节。设为： （8）公式、中为待定系数。令，为了保证系统增益不变，取，有： （9）3.3.2 输入滤波器的设计三状态控制器是基于位置闭环控制系统而设计的，而振动台系统要求进行加速度控制，输入信号为加速度信号，因此需要将加速度信号进行二次滤波转换为位置信号。滤波器结构如下图3-3所示。下图3-3中，为前向调节系数，用于调整输入信号的幅值7。图3-3 输入滤波器结构图由图可得输入滤波器传递函数为： （10）式中：振动台等加速度控制的起点频率； 阻尼比。可知： （11）至此，X自由度三状态控制器设计完成。其他5个自由度三状态控制器的设计方法类同。3.4 压力镇定控制器6自由度振动台有8个激振器，激振器数多于自由度数，这种结构增加了系统控制策略上的复杂性，使系统中各激振器间出现较大的内力耦合。如果不采用压力镇定控制器削弱内力，将过多的消耗系统能量，降低控制精度，严重时可能导致振动台无法运动。压力镇定控制器的实现方法，是取各激振器的出力与各自由度平均力的差为反馈值，依据这个反馈值微调各个伺服阀的零点，达到削弱内力的目的。控制器的原理如下图3-4所示7：8个激振器的压差6自由度平均压差K 图3-4 压力镇定控制器原理图 设某一时刻8个激振器出力为，可得各自由度的平均力为： （12）令表示各激振器内力，由各激振器间的几何关系可得： （13）式中1.87是向运动时，X、Y激振器伸长量之比。为抑制这种差别，尽量减小内力，使各个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)为各激振器压力