（机械电子工程专业论文）高频电液伺服振动台的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 振动台是一个集激振系统、测试系统和软件分析系统于一体的完整的现代振动测 试系统。以其优良的性价比在实际的工业应用中获得了广泛的应用，一直是应用研究 领域关注的一个重点。电液伺服振动台的特点是低频时推力太、响应速度快、重量轻、 易安装等等。但是其振动的控制具有相当的难度和复杂性。 对于电液伺服振动系统来说，伺服控制器作为其控制核心尤显重要。目前由计算 机进行控制的电液伺服控制系统由于其结构简单设计容易，且编程方便越来越多的被 广泛采用，但是在高频状态下对于由计算机控制卡所组成的伺服控制器有着与低频电 液控制器所不一样的要求。鉴于此，本文以一个适当的例子来简要说明设计一高频液 压伺服振动台的基本方法和基本思路。再从控制理论的角度出发进行了控制器的设 计，以及不同控制器之间的相互比较。 本文的主要工作包括：从电液伺服控制系统的数学模型入手，对电液伺服控制系 统的动态特性进行了分析根据电液伺服控制系统的上述特点，结合具体的电液式振 动台研究对象，提出了由计算机控制的高频电液伺服振动系统的设计方法和设计要 点。具体研究了控制器的控制策略，设计了两种不同的p d 控制器( 一般的数字p i d 控制器和基于z i e g l e r - - n i c h o l s 参数自整定经验公式的p i d 控制器) 。开发了电液式振 动台伺服控制器，建立了完整的硬件系统平台并完成了相应软件的编写，实现了主要 的控制功能：对控制系统的稳定调节控制和伺服跟踪控制进行了m a t l a b 数字仿真， 对两种不同的p i d 控制器的控制行为分别进行了仿真实验并做了比较。 文章根据高频电液式振动台中电液伺服控制的特点，围绕电液伺服振动系统的组 成、控制方式和工作原理等问题，进行了深入的理论分析和实验研究提出了一些解决 办法，为高性能的高频电液式振动台设计打下良好的理论基础。 关键词：高频电液振动台，伺服控制器，m a t l a b ，计算机控制 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o f d y n a m i cp r o p e r t i e s o f h i g hf r e q u e n c y e l e c t r o - h y d r a u f i cs h a k i n g t a b l e a b s t r a c t s h a k i n g t a b l ei saf u l l ys h a k i n gt e s tm a c h i n e ，w h i c hi sc o m p o s e do fs h a k i n gp a r t s ， t e s t i n gp a r t sa n ds o f t w a r ea n a l y s i sp a r t s e l e c t r o - h y d r a u l i cs h a k i n gt a b l eh a sb e e nw i d e l y a p p l i e d t op r a c t i c a li n d u s t r yf o ri t se m i n e n tp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o ，w h i c hi st h cf o c u so f a t t e n t i o n si n a p p l i c a t i o n r e s e a r c hf i e l d s t h ep r o p e r t i e so fh i g h f r e q u e n c yh y d r a u l i c s h a k i n gt a b l ea r eh i g hs p e e d ，e a s yt oi n s t a l la n dh a v m gh u g ef o r c ei nl o wf r e q u e n c y b u t s o m ec o n s i d e r a t i o ns h o u l db eg i v e na b o u ti t sc o n t r o lp m p e 晚e a , t h a ti s ，i t sc o n t r o l p r o p e r t i e s a r ev e r y c o m p l e x f o rt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs h a k i n gs y s t e m , s e r v o - c o n t r o l l e ra si t sc o n t r o l l i n gc e n t e ri s e s p e c i a l l ys i g n i f i c a n t n o w a d a y s , c o m p u t e rc o n t m lc a r d sh a v e b e e nw i d e l yu s e db e c a u s e o ft h e i rc h e a pa n dc o n v e n i e n tt oc o m p i l ep r o g r a m b u ti nt h es i t u a t i o no f h i g hf r e q u e n c y , t h e r ea l es o m ed i f f e r e n tp r o p e r t i e sw i t ht h es i t u a t i o no f l o w 自e q u c 弘i nv i e w o f t h i s ，t h i s p i p 盯i n t r o d u c e st h ed e s i g no f ah y d r a u l i cs h a k i n g t a b l ea n dc o m p a r e sd i f f e r e n tc o n t r o l l e r s w i t he a c ho t h e r t h ee f f o r t st ob es h o w ni nt h ep a p e r i n c l u d e ：b u i l d i n go n t h em a t h e m a t i c sm o d e lo f e l e c t r o - h y d r a u l i cs l 】龇t a b l e ，a r e rt h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s o m e c o n c l u s i o nh a v eb e e nd r a w na b o u tc o m p u t e rc o n t r 0 1 d u et ot h er e s e a r c ho b j e c tw e p r a c t i c a l l y w o r ko v e rt w oc o n t r o l s m s e g i e s a n dc o r r e s p o n d i n g l ys c h e m eo u tt w o c o n t r o l l e r s ，n o r m a ld i 幽lp i d c o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e rw h i c hi s b a s e do n z i e g l e r - n i c h o l sp a r a m e t e r s - a d j u s te m p i r i cf o r m u l a ；c o n s t i t u t e e n t i r eh 趁瞳h s y s t e m p l a t f o r m a n d a c c o m p l i s h t h ec o r r e s p o n dc o d e so ft h es o f t w a r ew h i c hc o m b i n et o c o m p l e m e n t i t sm o s tf u n c t i o n s ；t h es i m u l a t i o no f t h e a d j u s ts t a b i l i t yo fc o n t r o l l i n gs y s t e m a n ds c t v ot r a i l i n gc o n t r o lh a sb e e nm a d eb ym a t l a b ，w h i c hc o m p a r e st h es i m u l a t i o n r e s u l t so f t h eb e h a v i o ro f p i dc o n t r o l l e ra n do t h e rc o n n d l l e r s - 2 沈阳工业大学硕士学位论文 t h e p a p e rp o i n t st ot h em a t t e ro fc o m p o s i t i o no fe l e c t r o h y d r a u l i cs h a k i n gs y s t e m ， c o n t r o l m e t l l o d s ，w o r k i n gt h e o r y a n dp r e s e n ts o m er e s o l v e s ，i na c c o r d a n c et ot h e r e q u i r e m e n t s o f e l e c t r o - h y d r a u l i cs h a k i n g t a b l es e r v o - c o n t r o l l e r t h a tw i l lb et h e t h e o r e t i c a lb a s ef o rt h eh i g l lp e r f o r m a n c e s h a k i n g t a b l ed e s i g n k e yw o r d s ：h i g hf r e q u e n c ye l e c t r o - h i ，d r a u h cs h a k i n gt a b l e ，c o n t r o l l e r , m a t l a b ， c o m p u t e r c o n t r 0 1 3 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 高频电液伺服振动台的应用发展与国内外研究现状 1 1 1 高频电液伺服振动台的应用与发展 众所周知，工业生产中的各种材料、零部件、构件以至整机或整个建筑物都需要 经过振动试验才能确定它们的力学性能。在了解这些性能之后才能使设计更加合理， 使用更加可靠，也只有经过试验，才能确定产品性能的优劣。振动台作为一种在实验 室内提供典型振动条件或模拟再现环境，用以检验和评价各类工程装置或设备机械力 学性能的标准试验设各，在国民经济发展中占有相当重要的地位，它的发展水平在某 种程度上反映了一个国家的工业发展水平，因而世界各国都很重视结构试验技术和试 验系统的研究开发工作。 第二次世界大战前，由于航空、航天方丽对振动试验的要求，以前的材料试验机 已经不能满足需要，这时才开始进行振动台的研制。最初的振动台是机械式的，负载 重量只有几十千克频率为o 8 一l o h z 左右。以后随着航空、航天、原子能、建筑、 机电设备、兵器、轻工等各方面的需要，小到几千克重的饼干糙，大到成千吨的原子 能反应堆、建筑模型等，都要在振动台上进行试验。这样，各种形式的振动台越来越 多，机械式振动台，电动式振动台和电液式振动台都有所开发和应用。由于这三种振 动台的工作原理不同，它们的性能也各不相同。表l ，1 对三种类型振动台的主要性能 进行了比较，图1 1 对三种类型振动台频率、振幅的常用区域进行了比较。 通过比较，我们可以看出，机械式的振动台由于出力小、结构复杂而且不能结合 计算机进行自动编程，一旦制造以后就无法根据具体要求进行更改，因此在实际应用 中受到很大的限制，很少使用。电液式振动台的作用力大，既可以在较低频、较长幸亍 程下工作，也可以在较高频、较短行程下工作，而且配合计算机进行控制能任意改变 其试验波形而方便的实现自动化控制；在需要很大作用力的时候，由于体积较小、结 构紧凑，还可以用几个液压缸并联进行工作，但它的频率范围比电动式振动台略低， 波形失真也比电动式振动台略大些。尽管如此，它还是以其优良的性价比在实际应 用中拥有压倒性的优势。 沈阳工业大学硕士学位论文 振动频率( h z ) 图1 1 三种类型振动频率、振幅常用区域比较 1 1 2 电液振动台的国内外研究现状 自5 0 年代中期以来国外就先后生产了各种系列的电液式振动台产品，如美国的 m t s 、英国的i n s t r o n 、瑞士的a m s l e r 、德国的s c h e n e h 、弱本的岛津及鹭宫株式会社 ill昌v姆馨臀蜷 沈阳工业大学硕士学位论文 等。6 0 年代末期美国的加州大学伯克利分校建成了第一台水平和垂直同时工作的 6 i m x 6 1 m 双向地震模拟振动台。日本国立防灾科学技术中心建成了当时世界上最 大的1 5 r e x1 5 m 台面、载重i 1 0 6 k g 的垂直或水平单独工作的大型地震模拟振动台； 这些产品主要是采用p i d 控制器控制加载试验的，控制器结构简单，控制可靠，速度 快，鲁棒性强，较好的满足了结构试验系统快速性和可靠性的要求。为新型结构研制 和产品试验发挥了重要的作用。从整体性能看，技术处于领先水平的当数m t s 公司 的产品，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，体积小。 但由于控制方法仍采用传统的p i d 组合方法，其缺点是控制参数的选取较强的依赖于 系统的模型，适应性差。与不同的试验对象。参数设置和操作者的经验有关，调试相 当麻烦。同一对象在不同的试验阶段，参数调整就更加困难，在工程试验中有时是不 允许的。控制效果受到系统特性变化和其他不确定性因素的影响很大，精度一般较差， 疲劳加载精度一般在1 0 左右，对耦合严重的结构，多通道加载试验常常无法保证 控制精度【l 】。 在我国5 0 年代，应用比较广泛的是机械式振动台6 0 年代电动式振动台由于工作 频率高而得到飞跃的发展，成为振动环境模拟的主要设备电动式振动台虽然频率晌 应较高，但承载能力小，使用寿命也不尽人意，不能承担一些大型结构件( 如飞机油 箱等) 的振动实验任务因此具有直接承载能力强，推力大，结实耐用等特点的电液 式振动台便应运而生，并优先在国防工业，特别是航空航天工业领域中锝到广泛应用 和发展1 9 6 6 年开始至1 9 6 9 年由机械部和电子部合作，研制出我国第台国防系统专用 的2 0 0 0 k n 电液式振动台，此后国内很多高等院校也开始了电液式振动台的研究园。 上海同济大学从美国m t s 公司引进了4 m x 4 m 的双向水平地震模拟振动台，随后改 造为三向六自由度团。中国水科院从德国s c h e n c k 公司引进了5 r e x 5 m 三向六自由 度地震模拟台。大连理工大学从美国m t s 公司引进3 m x 3 m 单向水平振动台。哈尔 滨建筑大学利用从德国进口的激振器配套研制成功3 m 4 m 单向水平振动台。到8 0 年代末期，国内已经研制出适会我国军工系统中导弹、卫星、飞机及武器装置等振动 环境模拟的高频大推力电液式振动台。早期研制的电液式振动台工作频率上限一般在 2 0 0 h z 左右，目前国内外大推力( 5 0 k n 以上) 电液式振动台的上限工作频率已经达 到1 0 0 0 h z 以上。例如中国航空工业总公司3 0 3 研究所研制的y z p 一1 0 c 电液式振动 沈阳工业大学硕士学位论文 台上限工作频率已达到1 0 0 0 h z ，在2 0 - - 1 0 0 0 h z 频率范围内的宽频带随机振动控制精 度已经达到2 0 d b 。进入9 0 年代以来，我国国内加强了结构试验系统的研究，并将 自适应控制引入结构试验系统中，出现了自适应同步加载系统和多通道协调加载系 统，在一定程度上提高了系统的适应能力和控制精度，如静力同步加载精度可达o 5 但功能单一，仅适用于小位移的结构静力或协调加载试验，对具有大位移、大变形 的结构试验，尚不能保证控制精度。而且对时变不确定非线性系统，仍有很大的局限 性，难以满足日益发展的各种试验规范的需要。另外，在试验过程中，上述产品均未 实现控制和测试分析一体化，不能做到试验数据的实时采集与处理还有，实际工程 结构大都工作在复杂的环境中，不仅存在静力作用，还面临疲劳破坏，其自身特性和 工作状态均千差万别。此外，结构在试验过程中会产生塑性变形、刚度突变，且结构 的弹塑变形会造成多通道间的耦合干扰，使系统具有严重不确定性，要满足各种实验 对象和实验规范的需要，并有效处理结构实验中不确定非线性因素的影响，确保实验 精度，结构实验系统就必须朝智能化方向发展1 2 , 3 近几年来电液式振动台的研制工作有以下新的的发展趋势： 第一、向着高频电液伺服系统的方向发展。 高频电液伺服系统的发展是为了满足工程实际的需要。对航天、航空等新技术产 品进行振动环境模拟实验时，需要大吨位( 1 0 0 0 k n 以上) 、高工作频率( 1 0 0 0 h z 以 上) 的液压振动台特别希望液压振动台的上限工作频率能够达到2 0 0 0 h z ，这样就可 以在一个液压振动台上完成整个频段的振动环境模拟实验。而不是低频段实验在液压 振动台上进行，高频段实验在电磁振动台上进行。电液伺服系统的工作频率的高低， 主要取决于伺服阀频宽的高低。因此，提高电液伺服阀频宽的研究从来停止过。 第二、智能控制及智能材料技术的发展。 随着智能控制及智能材料技术的发展，利用机敏材料作为传感元件和制动元件的 智能结构振动控制得到了长足的发展。 1 2 电液伺服控制技术的发展与国内外研究现状 电液伺服系统具有响应速度快、控制精度高、抗负载的剐度高、控制方式灵活等 优点，其应用范围广，特别是在各类环境模拟实验装置，材料试验机等领域应用十分 广泛，是目前响应速度和控制精度都很高的一类伺服系统。电液伺服控制技术最先产 沈阳工业大学硕士学位论文 生于美国的m i t ，后来因为其响应速度快，精度高很快在工业界得到了普及。电液伺 服系统是以液压动力元件作为执行机构，根据负反馈原理，使系统的输出跟踪给定信 号的控制系统。它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变化规律，而且可对 输入量进行变换与放大，作为控制领域的一个重要研究对象，电液伺服系统的设计理 论和方法一直受到控制学科的指导和启发，经历了从线性控制到非线性智能控制的发 展历程例。 自从2 0 世纪5 0 年代麻省理工学院开始研究电液伺服系统的经典控制方法至以后 的几十年电液伺服控制设计基本上采用基于工作点附近的增量线性化模型对系统进 行综合与分析p i d 控制也因为其控制律简单和易于理解，受到工程界的普遍欢迎。然 而随着人们对控制品质要求的提高，电液伺服系统中p i d 控制的地位发生了动摇，这 主要是由电液伺服系统的特性所决定的；首先，电液伺服系统是一个严重不确定非线 性系统，环境和任务复杂，普遍存在参数变化，外干扰和交叉耦合干扰 6 1 。其次电液 伺服系统对频带和跟踪精度都有很高的要求，如航空航天领域的系统频宽可达1 0 0 h z 已经接近甚至超过液压动力机构的固有频率 另外，在高精度快速跟踪条件下，电渡系统中的非线性作用已不容忽视。因此， 这是一类典型的未知不确定非线性系统，这类系统扰动大，工作范围宽，时交参量多， 难以精确建模。这些特点对系统的稳定性、动态特性和精度将产生严重的影响，特别 是控制精度受负载特性的影响而难以预测。例如在材料试验机上，一般的动态加载多 采用p i d 方式，对不同的试件，必须更改不同的p i d 参数。尤其是在材料变形的塑 性区域，p i d 控制难以满足人们日益精细的控制要求再比如，在板簧动态加载系统 中，板簧刚度是动态变化的。这样p i d 控制的鲁棒性和自适应能力受到挑战。在这种 情况下，仅采用传统豹液压控制技术已难以满足上述应用场合的要求，机、电、液一 体化正是在这种背景下产生的。 7 0 年代末至8 0 年代初，计算机技术的发展为电子技术和液压技术的结合奠定了 基础。随后计算机控制在电液伺服系统中得到应用，使复杂控制策略的实现成为可能， 自适应控制的引入在一定程度上提高了系统的鲁棒性和控制精度，并在解决许多工程 问题上发挥了积极的作用。文献【l ，3 】采用这种方法开展了板簧电液伺服系统的自适 应控制研究，取得了良好的效果，但在大扰动下，或系统存在严重不确定性时，自适 沈阳工业大学硕士学位论文 应算法将趋向复杂，造成实现上的困难。此外，自适应控制对非线性因素的处理能力 还不尽人意。 近年来，控制学科的发展推动了电液伺服系统智能控制的研究。文献【7 研究了 电液伺服系统自适应恒力加载和神经网络恒力加载，这也是国内电液伺服神经网络控 制技术的较早应用。对非对称缸系统，国内早期在试验机系统上有过研究，国外也进 行了非对称缸系统建模和r o b u s t 控制的研究，如使用双函数边界法，将阀口流量， 缸体运动的非线性由线性不确定方程来描述，将非线性问题转化为参数摄动问题来处 理。文献【4 】则研究了不对称缸的，h 2 鲁棒控制和自校正控制，精确反馈线性化是一 种很好的非线性控制方法。近年来在电液伺服系统中也展开了应用研究。文献【8 】针 对对称缸电液伺服系统阀口流量的非线性影响，研究了精确反馈线性化控制策略，取 得了一些有益的结论。此外，模糊控制、变结构控制、迭代学习控制等非线性控制技 术也都在电液伺服系统中取得了一席用武之地，尤其是在模糊控制方面，经过多年的 研究和实践，已由最初的技术应用研究，逐步形成了系统化的模糊控制设计理论和方 法，并在电液速度伺服系统中取得成功应用。文献【l o 】针对电液伺服结构试验系统的 复杂特性，设计了基于模糊控制表的自适应模糊控制器，较好的解决了系统的动态跟 踪问题，控制精度也得到了明显改善。文献阴将神经网络引入变结构控制中，利用 神经网络辩识切换函数的实际偏差，也较好地实现了一些经典加载波形的再现。 此外，在电液伺服控制系统的智能控制方面，西安交通大学的何玉彬、李新忠将 神经网络控制与电液伺服控制技术结合起来进行了研究1 9 ，并进行了大量的工程应用 实践，在电液伺服系统的非线性控制方面得出了一些很有用得结论。熏庆大学的李祖 枢、王珏从智能控制的基本思想出发，提出了一种多模态智能控制方法【i l 】。并且以一 类典型的电液伺服系统作为对象进行设计，进行了数字仿真试验，考察了系统跟踪各 种信号的能力和鲁棒性，并和p i d 控制进行了比较，结果表明。多模态控制的方法， 具有不依赖对象模型，控制策略灵活，算法简单的特点不仅伺服跟踪能力强，而且对 系统参数变化不敏感，鲁棒性强，控制效果好，为实现计算机对伺服系统的直接数字 控制提供了一种有效的方法。文献【l l 】还从仿人智能控制的基本思想出发，以一类典 型的电液伺服系统的伺服跟踪问题为背景，研究了仿人智能控制在快速伺服系统中的 应用问题，设计了一种多层结构，具有参数适应和任务适应策略的多模态电液伺服系 沈阳工业大学硕士学位论文 统仿人智能控制器，并就其跟踪能力、鲁棒性、适应性进行了数字仿真试验研究和实 时性分析。 由此可见，电液伺服系统非线性智能控制研究的前景是非常广阔的。目前存在的 问题是，缺乏应用方面的非线性系统理论，对诸如控制策略设计，稳定性分析以及非 线性和智能控制理论方法在实际应用中存在的局限性进行有针对性的研究。另外，值 得指出的是，虽然电液伺服系统中的非线性因素，如温度、黏度、死区、库仑摩擦等 会对控制系统的设计产生一定的影响，但是这些非线性因素的影响在多数条件下远不 如负载干扰的影响大，而且对死区、库仑摩擦的分析和处理，目前已有比较成熟的处 理方法和结果，如相平面法，描述函数法等。在控制器的鲁棒作用下，这些影响可以 在一定程度上得到削弱【l ”另外电液伺服系统的空载特性和负载特性差别很大，因 此在进行电液伺服系统的结构设计和控制器设计时，必须考虑负载特性的影响。以往 人们多停留在对线性弹簧质量负载的研究和分析中，丽对非线性负载较少有人从整 个非线性闭环系统的角度进行分析和综合的研究。有些文献即使涉及了这方面的研 究，也大都是针对具体闻题进行的。并没有为电液伺服控翩这一类系统建立较为完整 和规范化的非线性设计理论和方法。 l - 3 计算机控制系统的采用 虽然电液式振动台最早研制在7 0 年代，虽然其机械部分经过了几次大的改进但 其的控制系统部分大多数仍然是仪器式的，这显然不能满足当今数字化的要求而目前 工业自动化的趋势所需要韵是基于p c 机的屯液式何服控制振动试验平台的控制系 统，由计算机的输出来控制振动台的系统 仪器仪表式控制系统与计算机控制系统相比，它的主要缺点表现在以下几点： ( 1 ) 计算机的普及。由于一台计算机的成本急剧下降和广泛应用，以至于在控 制系统中各个厂家都纷纷采用计算机控制，采用计算机控制系统有一定的普遍意义。 而仪器仪表式的则显的有些脱节。 ( 2 ) 数据处理不方便比如在产生要跟踪的俺单波形如正弦波，由单片机产生 时复杂烦琐，很不好做，而在计算机上可以用高级语言很方便的做出。 ( 3 ) 人机界面不友好。仪器仪表式控制系统的数据显示简单但不直观，操作也 不方便，在原来的系统中显示一般靠l e d 或l c d 显示，操作则靠各个按钮，开关实 沈阳工业大学硕士学位论文 现，而计算机控制系统的人机界面对波形、数据等的显示非常方便，通过画面的切换， 能包含丰富的内容。 ( 4 ) 历史数据的记录不方便。对于基于虚拟仪器技术，结构的计算机控制系统 来说历史记录只是举手之劳。而原来的仪器仪表式控制系统由于其存储容量有限，不 可能有太多的历史记录。 ( 5 ) 系统功能不便修改和扩展。如果采用计算机控制系统，软件采用模块化的 方法，其修改和扩展就非常方便，而原来的系统完全由电路加汇编组成，往往牵发 而动全身，对其维护都很困难，更不用说加以修改和扩展。因此，振动平台控制系统 采用计算机控制有一定意义。 1 4 本课题的背景研究、研究意义及主要内容 本文的所有研究工作都是基于实际的科研课题。课题研究的目的是设计并制造一 个用于进行金属材料疲劳试验所使用的高频电液伺服振动台，充分利用电液振动台出 力大、响应快的优点。本课题是中科院沈阳金属研究所委托沈阳工业大学机械工程学 院进行开发和设计的，整个过程包括设计、安装、编程和调试。 在该课题中我们建立的实际系统是单自由度垂直往复运动的电液式伺服振动台， 相对于大型多自由度电液式振动台而言，虽然它的结构相对简单，但却是大型系统研 制的基础，对实际研究有重大的意义。从目前我国的情况来看电液式振动台主要依 靠进口，国内的研究进展则主要体现在机械和液压部分。在激振器及其控制器的研究 方面取得进展不大即使有也大都处于试验阶段，能实际成熟运用的还很少，更谈不上 工业量产，因此我们这个课题就是立足于建立一个成熟的、能稳定运行的振动台试验 平台，重点集中在控制器的研制和计算机控制系统的设计开发上。依靠这个平台，我 们就可以进行大量的后续研究，从而为研究更复杂的振动台和伺服控制器奠定良好的 基础。 论文可以分成这样几个部分，首先，详细叙述了在实际应用中的该振动台的结构、 设计方法以及工作原理，系统组成等等。然后，着重介绍并分析计算机控制部分设计 的具体思路和方法，并结合这个实际问题给出了由t u r b o c 语言编写的振动控制程 序。最后，对振动台系统进行了系统的建模与仿真，并在此基础上对系统的动态特性 进行了分析：给出了提高系统性能的两种系统校正控制器设计方法，并就它们的优缺 沈阳工业大学硕士学位论文 点进行了比较和归纳总结。 就研究方法而论，本文主要采用的是经典线性控制理论，对非线性系统进行某种 线性近似，从而简化系统的分析与设计。运用理论分析( 充分运用已有的先验信息和 专业知识) 和仿真研究相结合的方法进行研究也是本文内容的一个主要特点。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 结构及工作原理 2 1 液压振动台的结构和主要技术参数 本液压振动台用于材料试验系统的激振。主要包括主动力源、控制动力源、油箱 及附件、蓄能过滤部件组、伺服阀控制液压缸、工控机及附件和电控柜。 主要技术参数如下： ( 1 ) 本系统激振频率为3 0 - 1 0 0 h z ，其中3 0 - - 6 0 h z 为等幅( 1 2 r a m ) ，6 0 - - 1 0 0 h z 为等最大速度( 4 m s ) 。 ( 2 ) 系统激振器连接的殴盘呻8 0 ，平均厚度1 0 r n m ，上有0 8 小球7 6 个约重 1 6 0 9 。 ( 3 ) 主电动机功率为4 5 k w ，额定电压3 8 0 v ，满载电流8 4 2 a 。 ( 4 ) 位移传感器量程+ 2 0 m m ，频宽2 0 0 i - i z 。 2 2 动力机构的静态设计 系统静态设计的基本目的是使系统有效地驱动负载即不仅要有足够地力克服负 载阻力，而且要保证负载她运动速度并且又不至于过大造成浪费，也叫做负载与输出 间存在着一个匹配。匹配可以有效地利用能源功率，提高系统的性能。根据上- - d 节 系统的工作性能指标，在本节我们就根据这些指标设计动力机构，选用伺服阀。 2 2 1 负载特性 根据系统的性能要求，我们可以知道系统的负载主要是惯性负载，由此可以列出 系统的负载力平衡方剥2 1 f = m i d v ( 2 1 ) 而v = v 。s i n c o t 这里考虑到最大的振动速度为1 0 0 h z ，因此取t o = 6 2 8 r a d l s 。因 此负载力平衡方程化成一个椭圆方程f 】3 j ( 生) 2 + ( 二) 2 ：1( 2 2 ) 甜气 所以负载的功率为 n c = f v = m 警v _ s i n c o t s 洲n c o t( 2 3 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 带入数值，得到负载曲线的最大功率为= 6 3 5 8 5w ，在此最大功率点处的负载 力和负载速度为f = 2 8 2 6 x o 7 0 7 = 1 9 9 8 n ，v = 4 5 x 0 7 0 7 = 3 2 m l s 2 2 2 伺服阀的流量特性 伺服阀的流量方程q 上= c d o ) x ，坂耳= 百f 历，对其进行坐标变换，令纽= a p v ， 置= f a 。可以得到变换后的流量方程 缈= 触莎j 4 ， 其中：a p 一液压缸的活塞面积，m 2 。 伺服阀的输出功率 m l = p l q l = p l c d 碳。小_ 丽q s ) 对只求偏导数，可以得到伺服阀最大输出功率时的输出压力 筹= 。蹦专( 只一日) 一去毋c 一硝，扣f 币历 ( 2 6 ) v f 1 所以得到异一3p s 带入流量方程后得到姥2 、| | ；珐m v 其中：统。一伺服阀的空载最大流量，m 3 。 根据最大功率点负载匹配的原则，令负载最大功率点的负载力和负载速度分别等 于伺服阀最大输出功率点的输出力和输出速度，即最大功率点相切1 13 1 。 j 雩= 詈只 【3 2 a p = q ，3 如果选择伺服阀的最大空载流量为1 0 0 l r a i n ，则可以设计出液压缸的活塞面积 和所需要的供油压力a 。= 0 3 9 1 0 。m 2 以及只= l o m p a 2 3 电液伺服阀及其伺服放大器的选用和主要性能参数 q d y 4 系列电液伺服阀为动圈式双滑阀结构，分为先导级和功率级：先导级为动 圈式磁力马达推动的弹簧对中式四凸肩四通滑阀，功率级采用四凸肩四通滑阀接位移 沈阳工业大学硕士学位论文 传感器的结构，采用伺服放大器进行位置闭环控制，保证伺服阀功率级阀芯位移与 伺服放大器输入信号成正比。 先导级阀采用分级供油方式，管式连接，p 口和r 口接口螺纹m 1 8 1 5 ，p 口 接压力油，r 口接回油，l 口接口螺纹m 1 0 x1 ，接泄漏油管直接流回油箱。先导级 阀供油压力7 m p a ，流量约为6 l r a i n 。功率级阀采用板式连接，p 口接高压油，r 口 接回油，a 、b 两口接执行元件( 油缸或马达) ，额定压力2 5 m p a ，额定流量为1 0 0 l r a i n 。 频宽1 0 0 h z 。 伺服阀的结构原理图如图2 i 所示： brap 图2 1q d y 4 伺服阀结构原理图 与该伺服阀相配套使用的是s v f 4 系列饲服控制嚣，这种控制器可与q d y 系 列以及k q d y 系列伺服阀配套使用。如果再配上油缸活塞系统或液动机系统及相应 的传感器可以构成各种用途的高精度、快速响应的随动系统。若传感器是检测位置状 态的，则为一位置控制系统。若用的是速度或压力传感器，则构成相应的速度或压力 控制系统。现在此伺服控制器已经广泛应用于振动台、材料试验机、轧钢机、测力机、 沈阳工业大学硕士学位论文 压力机、模拟试验台、水电调速装置、液压机器人及许多其他的系统中。本振动台正 是这种使用位置传感器构成的位置控制系统。 s v 卜4 系列伺服控制器由精密稳压电源，放大通道，差动变压器的调制解调电 路组成。其中有两个可以调节的增益( 加法器调节增益和功率级调节增益) ；加法器 由通用组件m c 7 4 1 构成。闭环电压增益连续可调。若用户认为范围不合适，可自行 改变反馈电阻值达到所需要的增益值。1 5 v 电源供电的加法器由组件7 4 1 构成。其 他电源电压值大于1 5 v 的功率放大器则由6 0 v 高压运算放大器带电流扩展构成。 各种功率放大器都有限流保护装景，输出端短路不至于造成损坏。 伺服放大器的主要性能指标如下所示： ( 1 ) 电源 表2 1s 、僵一4 系列伺服放大器性能参数 控制器型号 输出电压 输出频率 输出最大电流 励磁电流 6 0 v ，1 5 v 1 0 0 h z 3 a 0 7 a 表2 1 列处了s v 卜_ 4 系列伺服放大器的主要性能参数。对于s v f 4 型伺服控 制器，内有供功放的电压源6 0 v ，供加法嚣的士1 5 v 电源，力马达的励磁恒流源 o 7 a 。其负载为励磁线圈电阻，阻值5 6 q 。 ( 2 ) 放大通道 在用户未加入别的环节时，放大通道由加法器和功放组成。加法器及功放增益都 连续可调。 ( 3 ) 面板显示说明 前面板：4 - 6 0 v 电源，1 5 v 电源，励磁电流o 7 a 手动输入：1 0 m a 对应l a 电流，可用于手动调零。 解调器：1 0 0 pa 对应最大位移，用于输出幅度调节。 增益1 ：用于加法器增益调节。 沈阳工业大学硕士学位论文 增益2 ：用于功率级增益调节。 后面板：2 2 0 v 电源，( 1 0 a 保险管) _ 6 0 v ( 3 a 保险管) ，4 芯插头接伺服阀， 5 芯插头接励磁，7 芯接传感器，输入为1 0 v 外输入，用于位置输出检测。 图2 2 a 为伺服控制器前面板示意图，图2 2 b 为后面板示意图。 图2 3 为伺服控制器的结构原理图。 ( a ) 伺服阀放大器前面板 ( b ) 伺服阀放大器后面板 图2 2 伺服阀放大嚣前后面板图 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 匦剐鹫稚器掰苍荜n“匿 o ljl lj、j、 l嚣嘲翘翳 n 辱稿磬 h 靼唔耀辫 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 液压系统工作原理 液压系统包括主动力源、控制动力源、油箱及附件、蓄能过滤部件组和伺服阀控 制液压缸。其工作原理如图2 4 所示。 1 、1 1 、1 7 、2 2 过滤器；2 、6 、9 、1 8 截止阀；3 、2 0 电动机；4 、2 1 液压泵；5 、1 5 单向阀；7 压力表：8 电磁溢流阀：1 0 蓄能器：1 2 伺服阀：1 3 液压缸；1 4 位移传感器i1 6 冷却器；1 9 电磁 水阀：2 3 溢流阀；2 4 、2 5 加热器：2 6 液位计；2 7 、2 8 电接点温度计；2 9 空气滤清器：3 0 油箱： 圈2 4 液压系统工作原理 主动力源采用变量轴相柱塞泵，主油路液压油经单向阀、压力管路滤油器进入四 通电液伺服阀。伺服阀在电信号的控制下，按照要求的频率切换进入液压缸的液流方 向，使液压缸活塞带动运动部件进行振动。从液压缸排出的油液经伺服阀后，再经过 单向阀、冷却器和回油滤油器返回油箱。蓄能器的作用使在执行机构需要较小流量的 时候储存多余的油液，而在需要较大流量时，与液压泵进行同时供油。 电磁溢流阀控制系统的最高压力。在电磁铁2 d t 断电的时候，液压泵卸荷。以 电动机、液压泵、溢流阀荷压力管路滤油器组成的辅助供油系统用于控制伺服阀主阀。 沈阳工业大学硕士学位论文 加热器和冷却器是为控制油箱内油液的温度丽设置的。在冷却水截至阀打开，且电磁 铁i d t 通电的时候，冷却水通过冷却器使油液冷却。 2 5 电气系统工作原理 电气系统分为强电和弱电两个部分。强电部分的作用是提供系统动力和控制电气 元件动作。弱电部分的作用是对液压缸的振动进行闭环控制。 强电部分的主要功能如下： ( 1 ) 电机一泵启动停止控制 按“泵启动”按钮，主电机通电启动。“泵运行”指示灯亮，时间继电器s j l 动 作，延时时间约1 7 秒，为y 一转换时间。延时时闯到时辅助电动机通电启动，为 系统加压开始。按下“泵停止”按钮，电动机断电停止。“泵运行”指示灯熄灭，电 动机过载，自动停机( 由热继电器l u 控制，手动复位) 。按下“急停”按钮，“急停” 指示灯亮，切断整个系统电源，电动机停止运行。急停后，旋起“急停”按钮可重新 开始工作。 ( 2 ) 主油踌的加压和卸压 按“泵启动”按钮后，时间继电器s j 2 动作，延时时间大约为2 7 秒。延时的时 时间到了以后，主油路方可以加载。按“加压”按钮“加压”指示灯亮，电磁铁2 d t 通电，主油路可以加压。按“卸压”按钮，电磁铁2 d t 断电，“加压”指示灯熄灭， 液压泵卸载压力。 ( 3 ) 油液的加热和冷却 油箱内油液的温度可以选择自控和手控制两种。 在选择自控时，油液的温度可以控制在3 0 。5 0 。c 之间。临界温度点由电接 点温度计发讯。油温低于3 0 。c 的时候，电加热器启动，“加热”指示灯亮。油温高 于5 0 。c 时，电磁铁1 d t 通电，冷却器工作。这时“冷却”指示灯亮。正常温度时， 加热器断电，电磁铁1 d t 断电。 在选择手动控制时，按“加热”按钮，加热器启动，“加热”指示灯亮。按“加 热停”按钮，加热器断电。按“冷却”按钮，电磁铁i d t 通电，冷却器工作。“冷却” 指示灯亮。按“冷却停”按钮，电磁铁1 d t 断电，冷却停止。 ( 4 ) 滤油器堵塞显示 沈阳工业大学硕士学位论文 用“j 且滤堵”和“前滤堵”以及“回滤堵”三个指示灯分别显示泵吸油滤油器、 伺服阀前滤油器和回油滤油器堵塞。 弱电部分的主要功能如下： ( 1 ) 接受位移传感器反馈信号，并进行a d 转换。 ( 2 ) 发生0 - - 1 0 0 h z 的振动控制信号。 ( 3 ) 将反馈信号与控制信号进行比较后，实现p i d 调节。 ( 4 ) 将调节好的信号d a 转换后加于伺服放大器。 ( 5 )伺服阀放大器将放大和转换后的信号加于伺服阀先导级。 2 6 使用步骤及注意事项 ( 1 ) 使用前，向油箱内加l h m 6 8 抗磨液压油8 0 0 l 。加油时，必须同时过滤， 液压油必须每年更换一次。 ( 2 ) 开机前，首先接通电源。将大、小空气开关s 0 和s 1 置“o n ”位置，电压 表指示3 8 0 v 。 ( 3 ) 检查位移传感器是否处在正常状态下，输出信号得零点应当对应于液压缸 活塞得中位。 ( 4 ) 调节好液压泵的流量。用调压手柄将电磁溢流阀和另普通溢流阀调至低 压，然后按“泵启动”按钮，启动主电机，1 7 秒后辅助电动机自动启动。 ( 5 ) 按“泵启动”按钮2 7 秒后，延时指示灯停止。如无异常则可按“加压”按 钮，“加压”指示灯亮后，用电磁溢流阀的调压手柄使主油路压力逐渐升高，直至满 足要求为止。用另外一普通溢流阀的调压手柄使辅助油路压力达到要求的数值。 ( 6 ) 接通伺服阀放大器电源。打开开关后，伺服阀放大器仪表指示应如图3 3 a 所示；特剐注意不能在供压前接通伺服阀放大器的电源。 ( 7 ) 向工控机输入控制参数。启动运行程序，将控制信号加于伺服阀的先导级， 液压缸活塞然后开始振动。 ( 8 ) 在工作过程中，注意观察油温是否正常，冷却和加热控制是否准确。应保 持油温在4 0 。c 以下，因为油温过商会导致伺服系统液压部分的开环增益增大，造 成整个系统的不稳定。 ( 9 ) 停机时，先关闭伺服阎放大器( 十分重要) ，然后挺液压系统，最后关闭工 沈阳工业大学硕士学位论文 控机。 ( 1 0 ) 每周应检查一次各个连接部分螺钉螺母是否松动，如发现松动现象，应及 时拧紧。 ( 1 1 ) 注意液压管路和液压元件是否发生泄漏现象，如果发生泄漏，泄漏点应及 时排除。 ( 1 2 ) 在使用过程中应定器更换滤油器滤芯，一般为