电子信息工程专业毕业设计论文简易地震模拟振动系统的设计

电子信息工程专业毕业设计论文简易地震模拟振动系统的设计内容摘要：

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：，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。 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24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。 最大行程为：+250mm，额定载荷为+1000kN，活塞杆两端的面积相同，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21所示。 表21 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24 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 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25(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25 电液伺服阀上图25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。 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26所示。 控制器以计算机为平台，闭环控制速率为6KHz， ，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26 GT控制器 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。 配有气压载阀。 表22 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 50Hz PS40220V 50Hz PS403220/400V 50HZ PS703220/400V 50HZ PS1003220/400V 50HZ （a）PS20单旋片液压泵外观图1泵体 2旋片 3转子 4弹簧 5排气阀 （b）单旋片液压泵内部结构 图27 液压泵两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成A、B、C三个部分，当转子按图示方向旋转时，与吸气口相通的空间A的容积不断地增大，A空间的压强不断的降低，当A空间内的压强低于被抽容器内的压强，根据气体压强平衡的原理，被抽的气体不断地被抽进吸气腔A，此时正处于吸气过程。 B腔的空间的容积正逐渐减小，压力不断地增大，此时正处于压缩过程。 而与排气口相通的空间C的容积进一步地减小，C空间的压强进一步地升高，当气体的压强大于排气压强时，被压缩的气体推开排气阀，被抽的气体不断地穿过油箱内的油层而排至大气中，在泵的连续运转过程中，不断地进行着吸气、压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的。 排气阀浸在油里以防止大气流入泵中，油通过泵体上的间隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有运动的表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔的密封，同时油还充满了一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。 数据采集及分析系统目前数据的采集都是根据不同的数据信号，利用不同的二次仪表来进行采集的，这种采集的模式对于实验本身来说存在弊端，主要有两点，一是数据格式的不统一，二是数据的采集对于控制信号不同步，这样的实验并不是实时的。 所以在振动台控制试验中，需要将所有的控制信号和采集信号集成，实现数据采集的实时。 在仪器设备的选择上，选刚的是美国的NI设备，它可以同时采集加速度信号、位移信号、应变信号、荷载信号，并且进行调理，先对系统的各种信号进行采集与调理，最终在同一平台上汇总并且分析。 选刚的仪器设备具体是这样的，加速度信号采用CAYD和LC加速度传感器进行采集【2】，位移信号采用LVDT传感器进行采集，应变与荷载信号采用NI的SCXI625I，SCXI1520，SCXI1540，SCXIl125和SCXI4472采集板进行采集与调理。 控制系统为MTS 793软件，采用Wave Generation波形发生器进行波形拟合，数据采集以及分析采用Labview软件，添加了三参量(位移、速度和加速度三个参量)控制软件TVC。 研究的振动台的功能该地震台易于实现低频、大位移、大推力振动激励，结构牢固，抗横向负载能力强，台面负载大，多用于大型结构或部件的模型和实物试验。 6自由度液压振动台结构如上图22所示。 6个自由度分别为X、Y和Z3个平动自由度和Rx、Ry和Rz3个转动自由度，X和Y向各有2个激振器，Z向有4个激振器。 振动台最主要的技术参数是激振力和使用频率范围，这些参数在很大程度上取决于作动器的工作性能，使用频率的选择必须适当过高地要求上限频率就必须加大伺服阀和油泵的流量，从而导致投资增加，合理地选择这两个参数使振动台既满足实验要求又能节省投资是十分重要的。 目前多数振动台的使用频率范围是0～50HZ。 第三章 6自由度振动的控制设计分析 6自由度振动台系统的构造振动台伺服控制系统的主要作用是将对台面的自由度驱动信号转化为对各激振器的驱动信号，通过控制激振器的运动实现平台的运动。 伺服控制系统结构如下图31所示，主要由自由度合成及分解控制器、三状态控制器和压力镇定控制器3部分组成。 三状态反馈控制器自由度分解矩阵输入信号选择三状态输入 控制器自由度分解矩阵自由度分解矩阵自由度分解矩阵单缸速度合成压力镇定控制器激振器1激振器8平台图31 液压伺服控制系统的结构图上图31中，自由度合成及分解矩阵用于位姿信号和激振器信号之间的相互转换。 三状态控制器(包括三输入控制器和三反馈控制器)有两个作用，一是实现振动台的加速度控制，二是拓展系统的频宽，增强系统稳定性。 压力镇定控制器的作用是通过调整控制量U，削弱系统中各激振器间的内力耦合。 单缸速度合成模块作用是通过对位移反馈信号的微分和加速度反馈信号的积分合成单缸速度信号。 自由度的合成方法及分析矩阵 定义振动台6自由度反馈信号为有： (1)公式中，、(i=1，2)和(j=1,...,4)表示8个激振器的反馈信号。 由式(1)可得自由度合成矩阵为： （2）由于方阵，因而自由度分解矩阵可以有多种形式。 按照各激振器间的几何关系，采用零位线性化方法分析()，可得自由度分解矩阵的一种形式为： （3） 三状态控制器以X自由度为例，设计振动台系统的三状态控制器。 X向液压固有频率只有45 Hz左右，而且液压动力机构的阻尼比很小，系统稳定裕量低。 这样的系统要想使频宽达到指标要求的80Hz，必须进行补偿。 为此，用三状态反馈方法来改善系统的稳定性，提高系统的阻尼比，用三状态顺馈方法对消系统闭环传递函数中距离虚轴较近的极点，扩展系统的频宽，再用输入滤波器实现振动台的加速度控制。 三状态控制器设计典型的电液位置伺服系统，不考虑伺服阀的动态特性，单纯比例控制时的开环传递函数为[7]： （4）式中：——液压动力机构的固有频率；——液压动力结构的阻尼比；——比例控制时系统的开环增益。 设三反馈调节后，系统期望的闭环传递函数为： （5）一般而言，～。 由于X向液压固有频率较小，为使系统的频宽达到性能指标要求，考虑系统频带在频宽处的衰减，取为90Hz。 为保证经三状态反馈调节后系统有足够的稳定裕量，取=。 加三状态反馈后的控制系统方框图如下图32所示[7]。 可得： 图32 三反馈控制系统方框图 （6）令式（5）等于式（6），可求得三反馈系数为： （7）三状态顺馈的作用是在三反馈调节完成后的系统中串入，对消闭环传递函数中距离虚轴较近的极点，达到扩展系统频宽的目的。 式(5)所示的闭环传函中，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） 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33所示。 下图33中，为前向调节系数，用于调整输入信号的幅值[7]。 图33 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。 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34所示[7]：8个激振器的压差6自由度平均压差K 图34 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），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)为各激振器压力镇定控制器的增益。 将式(12)、(13)和(14)合并，可将控制量U简化为： (15)公式中： 式(15)所得的控制向量即为图31中压力镇定控制器的调节向量Uo。 试验研究试验用6自由度振动台结构如上图22所示。 振动台X自由度液压固有频率约为45Hz，若不采用三状态控制器，X自由度的加速度频宽不到20Hz。 采用三状态控制策略后，X向的加速度幅频特性如下图35所示：图35 X自由度加速度幅频特性图上图35中频率特性曲线是由Labview软件实时在线测量得出，横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为幅值，单位为dB。 由上图可知，采用三状。