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浙江工业大学硕士学位论文 单轴地震振动台电液数字伺服系统研究 摘要 地震模拟振动台是进行工程抗震试验的主要设备。传统的地震振动台主要采用模拟控 制技术，随着数字技术的飞速发展，数字技术在地震模拟振动台中己广泛应用，使系统的 稳定性、可靠性和准确性大为提高，克服了模拟控制方式的地震振动台结构庞大，控制复 杂，成本造价高等缺点。本文设计了一种新型电液数字伺服阀并应用于地震模拟振动台， 其阀芯的旋转和滑动双自由度结构实现了普通电液伺服阀的导控级和功率级的功能，具有 结构简单，响应速度快，抗污染能力强等特点。 根据课题的技术指标，以新型电液数字伺服阀作为流体控制元件，设计了一套地震振 动台，对步进电机控制、电液数字伺服阀、激振缸及振动台面进行了数学建模，并根据理 论模型对系统进行了仿真分析，最后对系统进行了实验研究。实验表明，新设计的电液数 字伺服地震模拟振动台能够很好的模拟人工波形和地震波形，跟踪和复现真实地震。本论 文各章内容简述如下： 第一章，首先对本论文研究主题有关的文献进行了综述，阐述了本论文的研究目的、 意义及创新点，并列出了主要的工作量。 第二章，介绍了地震模拟振动台电液数字伺服系统的设计，主要阐述了电液数字伺服 阀的结构和工作原理，以及地震振动台控制系统的原理和设计方案。 第三章，对地震振动台系统各部分进行数学建模，并对系统整体进行了开环和闭环的 综合仿真研究。 第四章，本章建立了地震振动台的实验系统，对其进行了实验研究。 第五章，对论文的研究内容进行了总结与展望。 关键词：地震模拟振动台，数字控制，电液数字伺服阀 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nu n i d i r e c t i o n a le a i 汀h q u a k e s h a n gt a b l ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i c co n t r o ls y s t e m a b s t r a c t e a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e s a r em a j o re q u i p m e n to fs e i s m i ce x p e r i m e n t s t r a d i t i o n a l e a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e sm a i n l yu s ea n a l o gc o n t r o lt e c h n o l o g y , h o w e v e r , w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y , i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e sa n d i m p r o v e st h es y s t e ms t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y d i g i t a lt e c h n o l o g yu s i n go ns h a k i n gt a b l e h a so v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fa n a l o gc o n t r o l ，s u c ha sl a r g es t r u c t u r e ，c o n t r o lc o m p l e x i t ya n d h i g hc o s t s i nt h i st h e s i s an e wt y p eo fd i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v ei sd e s i g n e da n du s e d i ne a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e t h er o t a r ym o t i o na n dl i n e a rm o t i o no ft h es p o o lp e r f o r m sf u l l f u n c t i o n so fg e n e r a le l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e sc o n t r o ll e v e la n dp o w e rl e v e l ，a n dt h ev a l v e i sc h a r a c t e r i z e db ys i m p l es t r u c t u r e ，f a s tr e s p o n s e ，s t r o n ga n t i p o l l u t i o n ，e t c a ne a r t h q u a k es h a k i n gt a b l eu s i n gt h en e w d i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v ea st h ef l u i d c o n t r o lc o m p o n e n t so fs y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a li s s u e s ，a n dm a t h e m a t i c a l m o d e l i n go ft h et h r e ep a r t so fs y s t e ma r ee s t a b l i s h e da n da n a l y z e di ns i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o n f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h en e w l yd e s i g n e de a r t h q u a k e s h a k i n gt a b l es i m u l a t e sw e l lt h ea r t i f i c i a lw a v e sa n dt h es e i s m i cw a v e s t h em a i nt a s k so ft h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： c h a p t e r1m a k e sas u m m a r yo fs o m er e l e v a n ti n f o r m a t i o na b o u tt h eh i s t o r ya n dt r e n do f t h i sr e s e a r c h ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h ep u r p o s e ，m e a n i n ga n dc r e a t i v ep o i n to ft h i st h e s i s c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v e ，a n di n t r o d u c e s s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ev a l v ea n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e c h a p t e r3e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa l lp a r t so fs y s t e m ，a n a l y z e dt h es y s t e mi n 浙江工业人学硕士学位论文 o p e n l o o pa n dc l o s e d - l o o ps i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o n c h a p t e r4e s t a b l i s h e st h et e s t i n gs y s t e mo f t h e e a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e ，a n dt h e e x p e r i m e n t a ls t u d yi sp e r f o r m e d c h a p t e r 5i st h es u m m a r i z a t i o no ft h i st h e s i sa n dp r o s p e c t k e yw o r d s ：e a r t h q u a k es h a k i n gt a b l e ，d i g i t a lc o n t r o l ，d i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v o v a l v e 浙江工业大学硕七学位论文 符号说明 a p 激振缸活塞有效面积，m 2b 系统压力，p a 4 数字阀阀芯敏感腔横截面积，m 2最负载压力，p a 吃活塞等负载粘性阻尼系数，n s mq 流经数字阀高压孔流量，l m i n e 阀芯粘性阻尼系数，n s mq 流经数字阀低压孔流量，l m i n g 流量系数，q 负载流量，l m i n j j l 数字阀阀芯弓形重叠开口高度，mg 系统供油流量，l m i n 阀芯弓形重叠开口初始高度，mr 阀芯台肩半径，m 幽阀芯弓形重叠开口高度变化量，m屹高、低压小孔半径，m ，步迸电机输出轴转动惯量，k g m 2瓦步进电机静转矩，n m k 流量压力系数，l ( m i n p a )数字阀工作腔面积梯度，m 墨油液体积弹性模量，m p a气数字阀阀芯移动位移，m m 吒负载弹簧刚度，n my e 激振缸活塞移动位移，m m k 流量增益，l ( m i n m m )互转子齿数， 激振缸总行程，m m口阀芯旋转角位移，r a d 厶数字阀敏感腔长度，m m眈旋转磁场角位移信号 m 振动台架等负载质量，k g步进电机旋转磁场角位移控制信号 m ，数字阀阀芯质量，k g万数字阀阀芯和阀套之间的间隙，n l m e 数字阀a 腔压力，p ap 油液密度，k g m 3 乞数字阀b 腔压力，p a数字阀螺旋槽升角，r a d 数字阀敏感腔压力，p a 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：力少年r 月爿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：黼日期：卯刁年r 月 r ，日 刷磁轹飞切l 醐嘶年刚册 浙江工业大学硕十学位论文 第一章绪论 【内容提要】本章内容主要介绍了地震模拟振动台结构、发展历史和 趋势，介绍了地震振动台电液伺服数字控制技术及其研究现状。阐述 了本论文的背景、选题意义及完成的工作。 1 1 地震模拟振动台简介 地震模拟振动台是地震工程研究工作的重要设备。将各种结构模型等试验对象放在一 个足够刚性的台面上，振动台按照人们的需要模拟地震的再现，或者进行某种特定的振动， 使试验对象随之产生类似振动，并将测试结果经换算后作为原型在真实地震下的反应。所 以，模拟地震振动台是一个集激振系统、测试系统和分析系统于一体的现代振动试验系统。 地震模拟振动台技术是包括振动、土建、机械、液压、电子、控制和计算机等在内的 多学科综合性技术。模拟地震振动台不仅负载量大，而且能模拟天然地震波和人工地震波。 现有的地震模拟振动台主要有电液伺服振动台和电磁式振动刽1 1 。电磁式振动台的特点是 可以进行高频控制，波形失真小，但是要进行大位移试验难度较大，大出力需要的设备庞 大，最大出力+ 2 0 0 k n ，因而只能用作小型地震模拟振动台【2 - 3 。与电磁式振动台相比，电 液伺服振动台的主要优点是精度高、大位移、大推力，以反馈控制为主体的基于经典控制 理论的电液伺服控制系统的发展，使电液伺服驱动的地震模拟振动台不仅可以模拟正弦 波，也可以模拟其他规则波和地震波，可称作是真正意义上的地震模拟振动台。目的绝大 部分地震模拟振动台都是采用电液伺服控制技术。 跟据地震模拟振动台的承载能力和台面尺寸，振动台基本上可以分成三种规模，即小 型的实验荷载为1 0 吨以下，台面尺寸在2 m 2 m 之内，中型的一般实验荷载在2 0 吨左右， 台面尺寸在6 mx6 m 之内，而大型地震模拟振动台的实验荷载可达数百吨以上。由于投资 较大，除要做核反应堆这类实物试验时，需要建造1 5 m 1 5 m 大规模的振动台外，一般以建 造中型为宜，建造中型规模的地震模拟振动台从投资、日常维护和能源消耗三方面考虑都 是比较合理的，如果进行桥梁和管道这类大跨度结构试验，则多采用多台阵方式【l 】。目前， 我国已建造成的最大振动台台面为6 m 6 m 。 浙江工业大学硕士学位论文 目前从激振方向来看，单向的和两向的较多，由于三向六自由度振动台造价太高，另 外试验对象可能只是其中一个分量或几个分量，所以在地震模拟振动台建设中，单向地震 模拟振动台占有较大比例。据不完全统计，日本从1 9 6 6 年到2 0 0 6 年，共建设地震模拟振 动台约5 0 台，其中单向地震模拟振动台为3 0 台左右，比例超过5 0 ，美国m t s 公司在 1 9 6 8 年到2 0 0 5 年为全世界制作的6 0 台振动台中，单向振动台超过2 0 台，占总量的近 4 0 t 1 1 。 但是随着科学技术的发展和抗震研究水平的提高，三向的地震模拟振动台有不断增多 的趋势【4 】。其中，有一部分是将原有的单向或两向振动台改造成三向振动台，例如：同济 大学将原有的双向振动台改造升级成三项六自由度地震模拟振动台，美国的海军建筑工程 研究实验室( u s a c e r l ) 将3 6 5 m x3 6 5 m 的地震模拟振动台更新成三向的，中国国家地震局 工程力学研究所将水平两向改造成三向的5 m 5 m 地震模拟振动台，北京工业大学也拟将 单向地震振动台升级成水平双向振动台，华南建设学院( 西院) 直接从美国m t s 公司引进了 3 m x 3 m 三向地震模拟振动台【4 5 】。 控制方式是地震模拟振动台进行可控运动的核心，就模拟控制来说，目前主要有两种， 一种是以位移控制为基础的p i d 控制方式，另一种是以位移、速度和加速度组成的三参量 反馈控制方式【l 】。电液伺服控制基本上采用基于工作点附近的增量线性化模型对系统进行 综合分析，以位移控制为基础的p i d 控制技术因其控制规律简单而被广泛运用【4 1 。振动台 的数字控制方式主要还是采用开环迭代进行台面的地震波再现【5 1 。目前新的自适应控制方 法已经在电液伺服控制中有所应用【6 】，在振动台方面的应用主要有三种方式：一种是在p i d 控制基础上进行的连续校正【2 7 】，另外两种是在三参量反馈控制的基础上建立的自适应逆控 制方法和联机迭代方法 6 , 8 - 1 2 】。 1 2 地震模拟振动台的组成结构 目前广泛使用的电液伺服地震模拟振动台，主要由液压动力源、激振器、电液伺服控 制器、振动台面、计算机控制系统组成【2 】，如图1 1 所示。其中电液伺服控制器是以电液 伺服阀为核心的控制器，负责控制整个系统的精确运行，其性能的好坏对整个系统起决定 性作用，是整个控制系统的核心部分【i3 1 。液压动力源主要是向系统提供动力，包括液压泵 站、蓄能器、过滤器、冷却器等，液压泵的流量是根据地震波的最大速度值来设计的，为 了节省能源，都会在系统中设置大容量的蓄能器来提供激振器所需的瞬时巨大能量；另外， 2 浙江工业大学硕七学位论文 为了保证油液的纯度和温度，系统分别设置了过滤器和冷却器，地震模拟振动系统一般都 配有油液阻塞、油温过热报警机制。振动台面是试验材料放置的平台，台面要有足够的刚 度，承载能力足够大，目前地震模拟振动台的台面般采用钢筋混凝土结构、钢焊接结构 和铝合金( 或镁铝合金) 铸造结构等三种材质，由于钢焊接结构具有重量轻、台面弯曲频 率高等优点，所以大部分的地震模拟振动台都采用钢焊接结构台面【1 1 。计算机控制系统作 为系统的上位机，负责地震模拟振动台整个系统的参数配置( 主要包括模拟地震的选择、 控制策略的选择等) ，以及试验样品的数据采集和结果分析，必要时将结果存储在专门的 数据库中，以便以后进行查询和打印。 图1 1电液伺服地震模拟振动台的组成结构 1 3 地震模拟振动台的国内外发展历史和趋势 早期的抗震试验最初是采用野外原型试验，将强震观测仪器设置在房屋等结构物上， 等待地震的到来，测量房屋的动力特性，但是由于强震较少，所以试验周期长，满足不了 抗震研究的要求【2 】。后来又采用大型起振机等方式在原型结构物上进行振动来获得数据， 但是起振机的振动和地震振动还是有很大的差别。也有学者提出直接利用计算分析方法进 行研究，但是由于结构的非线性数学模型很难给出而没有推行【l4 1 。最后提出在试验室内建 造地震模拟振动台，将在现场的试验搬到试验室来做，可以获得所需的大量数据，并且取 得数据的周期可以大大缩短【1 4 】。 地震模拟振动台始建于6 0 年代末，首先是美国加州大学b e r k e l e y 分校建成了 6 1 m x 6 1 m 的水平和垂直两向振动台，随后日本国立防灾科学技术中心建成了世界上最大 的1 5 m x l 5 m 水平或垂直单独工作的振动台，还大力发展了3 向6 自由度振动台。到目前为 止，据有关资料的不完全统计【l l ，国际上已经建成了近百座振动台，主要分布在日本、中 国和美国三个国家，其余的一部分振动台分布在其它有地震的国家，如墨西哥、加拿大、 3 浙江工业大学硕十学位论文 法国、英国、葡萄牙和德国等，其中日本拥有的振动台规模最大数量最多，在日本，已建 成3 m x 3 m 以上的振动台已超过3 0 座，可以说在多地震国家里，振动台技术的应用，标志 着一个国家的工业发展水平【1 5 1 。 国内的相关研究开始于2 0 世纪7 0 年代中期，2 0 世纪8 0 年代以来发展迅速，除自行 研制了一批振动台外，还引进了许多国外振动台，来满足抗震研究的需要。中国建筑科学 研究院研制了3 m x 3 m 单水平向振动台，甘肃天水红山试验机厂、国家地震局和机电部抗 震研究室联合研制了3 m x3 m 双激振器单水平向振动台，并与1 9 8 8 年在哈尔滨建成了 5 m 5 m 双水平向地震模拟振动台【l6 1 ，上海同济大学从美国m t s 公司引进4 m x 4 m 单水平 向振动台，随后改造为六自由度，水科院从德国s c h e n c k 公司引进了5 m x 5 m 但水平向 振动台【1 0 】。 9 0 年代中期以前，地震模拟振动台控制系统由模拟控制和数字控制两部分混合控制， 模拟控制是控制系统的基础，数字控制是模拟控制的补充和完善。随着数字控制技术的发 展，在9 0 年代中后期开发了全数字控制技术，即在地震模拟振动台液压伺服控制系统中， 除了反馈传感器在进入闭环系统前采用模拟电路放大归一信号，伺服阀的阀控器采用模拟 信号外，其他部分全部采用数字信号束实现【 】。美国m t s 系统公司已推出4 6 9 d 全数字控 制器，使试验的过程简单，易于操作【l8 1 。数字控制技术可以消除模拟控制中电子元器件受 温度、湿度等环境变化影响等缺陷，可以进一步提高系统的稳定性、可靠性和准确性。全 数字控制技术完全代替模拟控制技术是发展的必然趋势【2 1 。 1 4 电液伺服数字控制技术 计算机技术的发展日新月异，正改变着人们的日常生活和生产方式，电液伺服控制技 术在过去的二、三十年间，悄悄经历了一场由模拟控制方式向数字控制方式的转变【1 9 】。电 液伺服数字控制的实现方法一般有两种【1 】：间接数字控制技术和直接数字控制技术【2 0 1 。全 数字控制技术一般指直接数字控制技术。 1 4 1 电液间接数字控制技术 目前国内外液压与气动数字控制的传统方法是，采用传统的比例阀或伺服阀等模拟信号 控制元件构成的系统，一般通过d a 接口实现数字控制。这是一种间接数字控制方法，这 种方法存在如下缺点【2 1 】： 4 浙江工业大学硕十学位论文 ( 1 ) 由于控制器中存在着模拟电路，易于产生温飘和零飘，这不仅使得系统易受温度变 化的影响；同时，也使得控制器对阀本身的非线性因素的如死区、滞环等难以实现彻底补偿。 ( 2 ) 增加了d a 接口电路，增加了成本和故障发生几率。 ( 3 ) 用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁滞现象，导致阀 的外控特性表现出2 8 的滞环，控制特性较差。采用阀芯位置检测和反馈等闭环控制的 方法可以基本消除比例阀的滞环，但却使阀的造价大大增加。 ( 4 ) 由于结构特点所决定，比例电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构成，在高频 信号作用下，由铁损而引起的温升较为严重。 由于间接数字控制技术的上述缺点，人们采用了直接数字控制技术来消除这些技术问 题，间接数字控制技术也正逐渐被直接数字控制技术所替代。 1 4 2电液直接数字控制技术 电液直接数字控制技术主要有两种方法备受人们关注： 其一，高速丌关阀的p w m ( 脉宽调制) 控制技术。通过控制开关元件的通断时间比， 来获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制【2 2 1 。在流体动力系 统中，这种控制方式的控制信号是丌关量，因而本质上是直接数字控制。该思想源于电机的 p w m 控制，流体动力的p w m 控制最早开始于5 0 年代末对电液伺服阀的开关特性的研究。 1 9 5 9 年，首次报道了m u r t a u g h 在p w m 技术上的研究。从那时起特别是自8 0 年代以后，人 们对电液( 气) 控制系统p w m 控制的性能提高及工程实际应用做了大量的工作。例如 e 1 一i b i a r y 、u k r a i n e t z 和n i k i f o m k ( 1 9 7 8 ) ，t s a i 和u k r a i n e t z ( 1 9 7 9 ) ，t a f t 和h a m e d ( 1 9 8 0 ) ， l e e 和w o r m a l e y ( 1 9 8 0 ) ，t a f t 、h e r r i c k a n d 和b u k r k e ( 1 9 8 1 ) ，u s m a n 和p a r k e r ( 1 9 8 4 ) ，t a n a k a ( 1 9 8 6 ) 等人。该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。但是存在以下缺点： ( 1 ) 由于高速开关阀的p w m 控制最终表现为一种机械信号的调制，易于诱发管路中压 力脉冲和冲击，从而影响元件自身和系统的寿面及工作的可靠性。 ( 2 ) 元件的输入与输出之间没有严格的比例关系，一般不能用于开环控制。 ( 3 ) 控制特性受机械调制频率不易提高的限制。 其二，利用数字执行元件步进电机，加上适当的旋转一直线运动转换机构驱动阀 芯，来实现直接数字控制【2 3 - 2 4 1 。由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作，因而常称 为步进式数字阀或离散式比例阀。1 9 8 5 年，r a m c h a n d r a n 等发明了利用步进电机驱动的带 机械反馈的二阶数字阀；阮健教授等在1 9 8 9 1 9 9 6 年期间利用阀芯的双运动自由度发明了 浙江工业大学硕士学位论文 流量压力控制的复合型数字阀；h e n k e 在1 9 8 9 年的研究表明，通过合理的设计，用步进 电机驱动的离散式比例阀具有重复精度高及无滞环的优点。然而，步进式数字阀是通过阀 芯的步进运动将输入的信号量化为相应的步数( 脉冲数) ，因而存在着量化误差，通过增 加阀的工作步数可以减少量化误差，但却使阀的响应速度大大降低，因而这类元件设计时 存在着量化误差和响应速度慢等致命弱点。本课题研究改进该形式数字伺服阀，并引入了 一种特殊的控制算法消除传统的步进式数字阀所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾， 同时设计基于该数字伺服阀的电液伺服数字控制系统，应用于地震模拟振动台。 1 4 3 电液数字伺服阀 传统的电液式地震模拟振动台，一般使用电液伺服阀作为系统的核心，电液伺服阀性 能的好坏对整个系统起着决定性作用。常用的伺服阀有力矩马达驱动的喷嘴挡板式二级伺 服阀和力马达驱动的滑阀式一级伺服阀。需要大流量时，由喷嘴挡板先导级伺服阀和功率 阀组成三级乃至四级伺服阀，或由滑阀先导级伺服阀与功率级组成二级伺服阀，带有功率 级的大流量伺服阀需要形成伺服阀自身的闭环控制。这两种伺服阀驱动功率低，结构复杂， 油液清洁度要求高，价格昂贵【2 i 】。 用数字信息直接控制的电液伺服阀，称为电液数字伺服阀，简称数字阀。在计算机技 术日益得到广泛应用的情况下，引入计算机控制系统，用计算机对电液伺服控制系统进行 实时控制，是今后液压技术发展的重要趋向。 数字阀可直接与计算机连接，不需要d a 转换器。它与比例阀或伺服阀相比，具有 结构简单、工艺性好、价格低廉、抗干扰及抗污染能力强、重复性好、工作稳定可靠、功 率小等优点。因此数字阀的研究正在受到国内外液压、气动界的广泛关注，他们正相继开 展这方面的研究。在国内有些数字阀已成为系列产品投入生产。在微机实时控制的电( 气) 液系统中，数字阀可部分取代比例阀或伺服阀工作。 随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，流体控制元件的数字化成为一种必然 趋势。国内外同类产品研究也十分广泛，但是大都研究的直动式数字阀结构比较复杂。目 前国内为流行的液压与气动数字控制方法是对于传统的比例阀或伺服阀的模拟信号，一般 通过d a 接口实现数字控制。但这种方法存在如温漂零漂，磁滞，高频信号下由铁损而引 起温升严重等缺点。为解决比例阀所固有的缺点如由磁滞及摩擦力所引起的非线性，通常 采用阀芯位置检测和反馈等闭环控制方法，虽然可以基本消除比例阀非线性，但使阀的造 价大大增加。 6 浙江t 业人学硕+ 学位论文 除了上述的比例阀外，有些研究机构也采用了步进电机作为驱动机构，由于步进电机 的独特的工作方式，使得它不能很好的控制阀芯的开度，因此往往需要对步进电机进行细 分，但是我们知道进行细分的代价就是降低系统的响应速度。本文采用的是步进电机连续 跟踪控制，消除了传统的步进式数字阀所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾。 1 5 论文选题的意义和课题任务 地震是地球上主要自然灾害之一，地震造成的人员伤亡和财产损失是难以估量的。我 国是一个多地震的国家，随着现代化城市的发展，地震造成的经济损失将更加巨大，经济 损失平均每十年翻一番，个别地震灾害造成的人员伤亡和经济损失会严重影响到整个国家 国民经济的j 下常运行。2 0 0 8 年5 月1 2 日发生的四川汶川大地震，震级达8 0 级，直接遇 难6 9 万多人，失踪1 8 万多人，直接经济损失8 千多亿元( 人民日报2 0 0 8 年9 月5 日 第9 版) 。 地震发生的时间往往很短，只有数十秒钟，多数人并不能冷静地应对以便采取正确的 避震措施，错失了在地震发生前期的宝贵时间，以至于受到人身伤亡。大地震发生后很长 时间内，造成全国人民的恐震心理，为了消除人们的恐慌心理和减轻生命财产损失，普及 防震抗震知识，教育国民地震发生时采取正确的应对措施尤为重要。 我们提出一种基于伺服螺旋机构的电液伺服阀作为激振器的核心，其独特的阀芯双自 由度运动，实现了伺服阀中先导级和主控级两者的作用；使用步进电机作为电一机械转换 器，采用步进电机连续跟踪控制，具有控制精度高、响应速度快、抗污染能力强、直接数 字控制和生产成本低等优点【2 l 】。使用该数字伺服阀替代传统伺服阀，采用直接数字控制技 术满足了地震模拟振动台发展的要求，也可使地震模拟振动台走出实验室，作为广大人民 群众体验地震，学习防震、避震知识的有效载体，具有十分积极的意义。 本课题以地震模拟振动台激振器、控制系统等软硬件为研究对象，以研制供人体验为 主，兼顾材料振动试验的地震模拟振动台系统( 或称为地震体验系统) 为研究目标。采用 基于伺服螺旋机构的电液伺服阀作为振动台激振器核心，并利用电液伺服控制器进行全数 字控制，精确控制地震模拟振动台的位移波形，实现天然地震波、人工地震波的加载和复 现，工控机实时显示采集的地震波形并根据地震烈度选择合适的地震视频和音频播放，营 造真实的地震发生环境，实现整个系统的数字化、智能化。在造价成本上，由于核心器件 的国产化，成本较普通电液伺服地震模拟台低廉，非常适合普及和推广。 7 浙江工业人学硕+ 学位论文 具体的课题工作量有以下几个方面： ( 1 ) 新型电液伺服数字阀的设计； ( 2 ) 地震模拟振动台电液数字伺服系统下位机软、硬件设计； ( 3 ) 地震模拟振动台电液数字伺服系统上位机控制软件设计； ( 4 ) 地震模拟振动台电液伺服直接数字控制系统的设计； ( 5 ) 建立地震模拟振动台电液数字伺服系统的数学模型，进行大闭环下的仿真分析； ( 6 ) 对地震模拟振动台电液数字伺服系统进行实验研究，验证仿真分析结果，并提出 进一步改进方案。 论文希望通过对上述问题的研究后，对数字伺服阀的设计有一个全面的认识，对基于 数字伺服阀的电液数字伺服系统有一个整体的把握，对于运用m a t l a b 软件进行建模和仿真 分析有深刻的理解，学习如何进行控制电路硬件设计和软件编程，学习如何使用高级语言 编写专业化工控软件，同时亲身经历了实际工程项目的设计和调试过程，为今后的学习和 工作打下扎实的基础。 1 6 本章小结 本章首先介绍了地震模拟振动台的基础知识、发展历史和趋势，指明电液伺服数字控 制技术是地震模拟振动台控制系统的发展方向；在此基础上介绍了电液伺服数字控制的发 展状况和数字阀的优缺点，接着提出了本课题的研究对象和创新点；最后介绍了本课题的 选题意义和主要工作量。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章地震模拟振动台电液数字伺服系统设计 【内容提要】奉章内容主要介绍了地震模拟振动台电液数宁伺服系统 的设讣，主要阐述了电液数字伺服阀的结构和工作原理，以及地震振 动台控制系统的原理和设计方案。 2 t 地震模拟振动台系统要求及主要参数 奉地震模拟振动台是一套激振系统，主要模拟各种地震波和人工波，供人们体验地震， 同时兼顾材料振动试验，并验证特殊建筑结构房崖的减振效果。按照地震模拟振动台建造 标准，拟设计制造的振动台主要技术指标如下： 控制方式采用目前广泛应用的电液伺服控制，采用独屯研发设计的电液数字伺服阀和 馓振缸作为电液伺服系统的激振器，进行全数字大闭环控制。 振动台最大速度受到液压泵站的限制，取5 0 e r r d s 。 最大位移在地震i 己录中往往较大，且体现在很低的频率此位移对建筑物小易引起破 坏，对人体影响很小阱1 。考虑到设备造价以及性能的保证，故取最大位移为1 0 c m 。 振动台的有效质量设置为7 0 0 0 k g o 目。 一一“一s s 一 。 鬈一一”j 一j 一一一，。r 一一一 j 5 。5 一l o 芦万万1 丁4 0 5 “一一塑 一 f2 l 一 一 j 瑙 ! 二一 一n“-。-k。一一 1 0 1 52 02 5 频率f ( h z ) 嚣2 f_ _ h， 一 蕞， 蛳黼1 a j 壮奠，半糌羔著醉。产： ( a ) x 方向加速度波形及谱分析 等一 - f ji ， 矿i p 吁非 罂苷 爨一三 浙江工业大学硕士学位论文 争j 滚瓣量。二三二二二立一1 ：j 气i fr1 0 2 r 一2 5 面犷面一飞 。3x 吐 一月塑生一一 黪兰：二三二三三三 主，! c 一，一一塑塑生，一 ( b ) y 方向加速度波形夏谱分析 j l = = = = = = _ = _ ：= j 二_ = - f - q ，”一。一 1 “嘲 时闽t 钕时 一。j ，。一一i _ ! 望! ! 卫：! i 堕丛型堑五区趣捌 3 4 顿率如幻6 789 ( c ) z 方向加速度波形段谱分析 圈2 1日本阪神地艘加速度波形及其谱分析 以1 9 9 3 年日本敝神地震为侧，对其进行谱特性分析。图2 一l 是r 本阪神地震水平x 、 y 及竖直z 三个方向的三组波形。每一组的第一个曲线表示振动加速度的波形，第二个曲 线表示功率谱，第j 个曲线为第二个曲线的局部放大图。从图2 - 1 分析可咀看出阪神地震 振动的能量主要集f 1 于0 至5 h z 的频率区问，加速度最大值约为0 6 个重力加速度。依据 io 一一 j 矗 _i篓_：_m 一昔 一 _ _ o _ ：_ 鬟! | 旷：o小。 一n，山一t趟趟层 爿 | j 浯 盈 汪磐 h 寸一：雄 浙江丁业大学硕+ 学位论文 人体能忍受的振动加速度极限，以及对周围建筑物的影响，在本设计中确定系统频宽5 h z 和加速度0 7 9 ( g 为重力加速度，l g = 9 8 m s 2 ，下同) 。 按照加速度0 7 9 进行设计的地震模拟振动台可以模拟度烈度地震。 地震模拟振动台设计的其他要求还有，油液温度控制采用手动自动，自动控制时冷却 温度可调；采用水冷方式冷却油温。 2 2 地震模拟振动台电液伺服系统组成及工作原理 根据系统要求和主要技术参数，我们设计了地震模拟振动台电液伺服系统，其结构由 四大部分组成，如图2 2 所示，主要包括：( 1 ) 振动台架模块，( 2 ) 电液激振模块，( 3 ) 液 压动力源模块，( 4 ) 测量控制模块。 f ：么叁“7 1 液压动力源2 轻轨3 下台架4 上台架5 地震体验房6 视频播放器7 液压锁紧缸 8 液压激振缸9 位移传感器1 0 电液伺服阀1 1 电磁换向阀1 2 电液伺服控制器1 3 一工控机 图2 - 2 地震模拟振动台电液伺服系统结构图 2 2 1 振动台架模块 振动台架主要由轻轨、上台架、下台架、地震体验房及电磁换向阀、液压锁紧缸组成。 l l 浙江工业大学硕士学位论文 上台架 下台塑 轻轨 图2 - 3 振动台架模块 轻轨及上、下台架结构如图2 - 3 所示，轻轨出地脚螺栓安装固定在坑道地基上，下台 架在液压激振缸驱动的驱动下，通过轮子在轻轨上沿轨道方向运动，下台架上端也安装有 运动轨道，卜台架通过轮子可以沿下台架安装的轨道自由运动，上台架上端与地震体验房 连接，地震体验房为4 m 4 m 试验台，体验房内有视频、音频播放嚣，供参观者体验地震 时，模拟真实地震的场景和声音，阻期在视觉、听觉、触觉上感受到地震的发生。 上、下台架之问设胃锁紧机构( 电磁换向阀、液压锁紧缸、限位块) 和缓冲机构( 弹 簧) ，用于锁紧或松开上台架，分别实现非减震、减震两种体验模式l 。 液压锁紧缸固定在下台架上，而限位块、弹簧分别固定在上、下台架前后两端遥相 对应，如图2 _ 4 所示。结合圉2 - 2 ，锁紧机构的工作原理是：处于非减震模式时，电磁换向 褥位于右侧工作位置，油液进入液压锁紧缸左腔，液压锁紧缸活塞伸出，顶住右侧限位块， 而左侧限位块压紧弹簧而固定，上下台架连成一体，在液压激振缸驱动下一起运动，如图 2 - 4 ( a ) ；处于减震模式时，电磁换向阀处于左侧工作位曼，油液进入液压锁紧缸右腔，锁 紧缸缩回将上台架松开，下台架在液压缸驱动下运动，而上台架在下台架上面自由运动， 从而减轻了地震强度，故称为减震体验模式，如图2 - 4 ( b ) 所示。 3 2 45 ：x 一。：矗 三三主三奎刘 ( a ) 非减震模式 环i 尹。面j i 厂一厂一 ( b ) 减震模式 弹簧：2 f 台架；3 一限位块；4 - 台架；5 液压锁紧缸 囤2 4 地震体验模式示意图 浙江工业人学硕士学位论文 2 2 2 电液激振模块 电液激振模块主要由电液伺服阀、液压激振缸组成。电液数字伺服阀是整个系统的核 心，它是一个基于伺服螺旋机构的快速换向剐2 1 2 7 1 ，这种阀虽然只有一个阀芯，但却是双 级阀，阀的导控级由高低压孔及螺旋槽之间的阻力半桥构成，阀腔内的压力差推动阀芯的 轴向位移来实现主阀的开口，p 口、t 口分别交替和a 口、b 口贯通，而a 口、b 口分别 接液压激振缸两腔，实现液压激振缸的伸出和缩回。我们将在下一节具体介绍电液数字伺 服阀的结构和原理，电液数字伺服阀的性能由伺服螺旋机构所决定，主要具有以下特点【2 1 】： ( 1 ) 与传统两级阀相比，伺服螺旋机构构成的快速换向阀具有结构简单、无弹簧、尺 寸小等优点。 ( 2 ) 响应速度快且无超调。在电液伺服地震体验系统中，伺服螺旋机构的设计选择较 大的高低压孔径，保证高响应速度；位置反馈由阀芯的轴向位移直接实现，无须其他环节， 这也确保了阀的快速响应。 ( 3 ) 静态精度高。伺服螺旋机构的静态轴向刚度很大，确保摩擦等干扰力对阀芯的轴 向位置精度影响很小。 ( 4 ) 抗污染能力强。当油液中的大颗粒污染物阻塞高压孔( 或低压孔) 和螺旋槽之间 的重叠面积时，敏感腔压力会突然减小( 或增大) ，阀芯失去平衡而左移( 或右移) ，从而 使阻塞孔与螺旋槽重叠面积增大，大颗粒污染物随即通过，不会阻碍油液的流道。 基于伺服螺旋机构的特点，采用电液伺服阀作为系统的激振阀，产生实时变化的流量， 来驱动液压激振缸的活塞及其刚性连接的下台架按照地震的振动波形做往复运动。电液伺 服阀上高低压孔与螺旋槽重叠的弓形可看成薄刃孔口，根据薄刃孔口的流量公式 q = q 4 2 卸p ，c a 为流量系数取定值；a p 为两端压差，与系统负载有关，而在瞬态系 统负载可认为无变化，故卸也为定值；p 为流体密度为定值；由此可知，流量q 由阀口的 开启面积a ，即阀口开度惟一决定，只要精确控制数字伺服阀阀口开度，即可控制油液流 量，进而可控制液压缸活塞和振动台架位移。 液压激振缸是一双出杆缸，伸出杆和下台架刚性连接，用于带动地震模拟振动台台架。 液压激振缸必须保证液压缸能输出足够大的力克服台架运动的惯性力，还应保证液压缸与 台架构成的液压动力机构的液压固有频率大于最高激振频率的三倍以上【2 8 1 。 由于水平方向为平面导轨且有润滑，取导轨和滚轮之间的滚动摩擦系数伤= 0 0 5 ，机 械效率r 。= 0 9 ，容积效率r y = l 。活塞杆达到最大加速度时，液压缸工作负载达到最大， 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 由公式 得到。5 7 k n 。 f ：j u dm g + m a m a , , r l m 7 7 y ( 2 1 ) 由经验拟定e s = 1 6 m p a ，取工作压力最= i o m p a ，考虑到回油路较短且直接回油箱， 所以背压忽略不计。液压缸有效工作面积由下式求出【1 】： 彳：三垒( 2 - 2 ) 2 得到a = 5 3 c m 2 。对液压缸内径d 和活塞杆外径d 进行标准化处理，当取d o 5 d ，由 a ：；( d 2 一d 2 ) ( 2 3 ) 4 、 得到d 9 5 r a m ，根据g b t 2 3 4 8 9 3 得到圆整后的d = 1 0 0 m m ，d = 5 0 r a m 。这时算 得液压缸的实际有效面积为a = 5 8 8 8 c m 2 ，确定激振液压缸的活塞行程为2 0 0 m m ，最大流 量为： g 。：a xy m a x ( 2 一4 ) g v 喇2 l 。j | | v 其中。为活塞运动最大线速度由设计要求给出，因为预备采用弹性体密封圈，所以 r ，= l ，得至0 q ，m 。= 1 7 6 6 4 l m i n 。 由上面的分析，系统最大流量出现在速度最大为0 5 m s 的时候，考虑到管路较短，取 泄漏系数k = 1 1 ，算得液压泵最大流量为 q | p k ( g ) 一= 1 1 x1 7 6 6 4 = 1 9 5 4 l m i n ( 2 5 ) 系统液压固有频率【2 1 】： 驴李= 7 6 0h z( 2 。6 ) 此时保证了液压缸与台架构成的液压动力机构的液压固有频率哆大于最高激振频率 ( = 5 h z ) 的三倍以上，式中： a 激振缸活塞的有效面积； k 油液的体积弹性模量； 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 三