单轴高频电液振动试验台控制器的研究

单轴高频电液振动试验台控制器的研究 浙江工业大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 单轴高频电液振动试验台控制器的研究 姓名:陆明江 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:李胜 2012-11浙江工业大学硕士学位论文 单轴高频电液振动试验台控制器的研究 摘 要 电液振动试验台作为可靠性试验的关键设备,广泛应用于许多重要的工程领域,如 航天器、车辆、船舶的环境试验;工程材料高频疲劳试验;桥梁、高层建筑等大型工程 的抗震试验等,电液振动试验台性能好坏,技术水平的高低直接影响到各个工业领域技 术的进步和发展,因此,对电液振动试验台的研究是一项非常重要的基础研究。 传统的阀控缸或马达构成的电液振动台,受制于伺服阀的频响性能很难实现 高频振 动。阀的阀芯具有旋转和轴向滑动的双自由度,以阀为核心的阀控电液振动 台能够实现以上的高频振动。 阀控电液振动台的控制分为频率控制、幅值控制和偏置控制三个方面。阀芯的 转速和轴向位移分别用于振动频率和振幅的独立控制。由于阀的转阀结构,阀 控电液振动台不能像一般的电液伺服系统一样通过引入一个偏置信号构成闭环的方式 实现偏置控制。因此采用数字伺服阀和阀、单出杆液压缸并联的方式实现偏置控制。 具体研究内容如下: 第一章,论述了振动试验台的国内外研究现状及其发展趋势,阐述本论文的研究目 的和研究意义。 第二章,建立了阀控电液振动台的数学模型,并采用了阶.方法, 在下仿真振动台的振幅分别和激振频率和轴向阀口开度的关系。 第三章,介绍了阀控电液振动台的偏置控制的原理。 第四章,介绍了基于的振动台控制器软、硬件设计方案。该控制器用于实现 振动台的频率控制、幅值控制以及偏置控制。 第五章,搭建实验平台,通过实验测得当偏置位置控制电压从阶跃到时偏 置控制系统的阶跃响应时间为.、稳态误差为.%。激振器以的频率作偏置振 动时振动中心的稳态误差为.%,以的频率作偏置振动时振动中心稳态误差为 .%。通过控制器控制振动台的激振频率,得到了振动台在、、、摘 要 时的加速度频谱图。通过控制器控制振动台的幅值,得到了振动台在.、 、.轴向阀口开度时的激振位移波形。 第六章,对论文所做的研究工作进行了总结,并对控制器下一步的改进工作 做了展 望。 关键字:电液振动试验台,偏置控制,控制器,永磁同步电机,浙江工业大学硕 士学位论文 ?? : ,?, ,,;,,., . . ? . . . ’ :., ’ . , ,. . :, . . , . . , . ’, . , . , ,. , ’ .%. ,.%, , , .%. ,, , . .. ,., . , , :, 浙汀工业大学硕士学位论文 第章绪 论 .研究背景和研究意义 第二次世界大战中,战斗机等多种军用设备因为振动而损坏,自那时起振动开始受 到人们的重视。为了尽可能精确地模拟产品的真实振动环境,以对产品进行更完美的可 靠性检验。世纪年代起人们便引入了振动试验,此后振动试验在工业领域的地位 日显突出。振动试验的目的主要是在实验室条件下对产品、设备、工程等在运输、使用 等环境中所处的振动环境进行模拟,以检验产品的可靠性和稳定性。振动试验按目的主 要可以分为‘】】】:环境适应性试验:将试验对象置于未来可能承受的振动环境中, 检验其对该振动环境的适应能力。比如汽车上的车载仪器仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ,在装配使用前多需要经 过振动试验检测。动力学强度试验。这类试验主要检验试验对象的动强度。研究试验 对象在给定的试验条件下是否会产生疲劳破坏,或者试验对象在给定周期载荷下达到破 坏的临界循环次数。比如汽车车身的疲劳强度试验,就是由试验台架产生振动给车身加 载,通过试验检测车身的结构强度,找寻结构的薄弱点。动力特性试验。用振动试验 测试得到被测对象的动态特性参数,比如振型、共振频率等等。同样以汽车车身为例, 通过单点或多点激振的振动试验,可以得到车身的固有频率,保证车身的固有频率避开 外界激励的频率范围,保证车辆的工作性能。同时避免车辆在日常使用中有使人体感觉 不适的振动传入车厢,提高车辆的乘坐舒适性。其他试验:比如振动筛选试验,其目 的是对生产线上的元器件、组建、整机进行振动筛选。选出工艺中的薄弱环节,剔出低 质量的产品从而提高整个产品的可靠性。振动试验在机械加工中也有重要应用,通过振 动试验对锻件、铸件、以及焊接件进行振动时效处理,可以缩短处理时间,同时消除构 件%以上的内应力。在铸造、切削、压力成形等加工工艺中,振动可以提高加工工艺 性。 为了在越来越复杂的应用环境里更加真实地模拟被试对象的工作环境,自年日 本建成第一台正弦波振动试验台以来,振动试验台在激振装置、振动控制器以及控制算 法个方面有了飞速的发展。同时,由于振动试验台的应用场合多涉及航空航天、军事论 第章绪 工业等高科技、涉密领域。很多国家对高频响大吨位的振动台实施禁运政策。因此对振 动试验台的研究是世界各国都相对重视的一项基础研究。 .振动试验台国内外研究现状 ..振动试验台概述 振动试验台】【通常是指用于产生及控制振动的设备,并能将这种振动加到其他结 构、零部件或产品上的设备。一般由振动台台体振动台、监控系统振动控制器及传 感器以及辅助设备夹具等构成。振动试验台通常也可简称振动台。按激振的 方式 分类振动台主要可分为类,分别是:机械式振动台、电动式振动台以及电液式振动台。 .机械式振动台 机械式振动台按其工作原理又可分为直接驱动式又称运动学式和离心式又称 动力学式两大类。 一 /,一 、】 ?一。乡 图.直接作用式振动台的原理 图.离心式振动台的原理 图.是几种直接驱动式振动台的原理图。其共同点是台面由主轴通过一个运动机 构直接驱动。例如图中使用的是曲柄连杆机构,图中使用的曲柄滑块机构、图中 使用的凸轮顶杆机构。台面的运动完全取决于机构的运动学关系,因此也称之为运动学 式振动台。其特点是振幅较大,工作的频率范围在~。图.为离心式振动台的原 理图,两根转轴通过一对齿轮啮合以保证两根转轴具有相同的角速度,每根旋转轴上有 一质量为,偏心距为的偏心块。当转轴以的角速度带动偏心块以相反的旋向转动, 每个偏心块分别有一个离心力作用于主轴,而水平方向的分量会相互抵消。垂 直方向的合力为 。其特点是频率和幅值都可调,工作频率范围为浙江工业大学硕士学位论文 ,推力可达几万牛顿,但波形失真严重。由于上述局限,机械式振动台主要应 用于频率较低且对振动波形要求不高的场合。 .电动式振动台 电动式振动台原理类似于扬声器,基于通电导线在磁场中受到电磁力这一物理现象 工作。按其磁场产生方式的不同分为永磁式和励磁式。图.是永磁式电动振动台的原 理图。通过永磁体在动圈周围的小气隙内形成一个强大的恒定磁场。动圈通过线 圈架与芯杠刚性联接。当信号发生器的交变信号通过接线柱进入功率放大器放大并 一顶杠;一簧片组;一永磁体;动圈;.接线柱;一芯杠 图?电动式振动台原理图 最终输入到动圈,线圈在恒定磁场中受到交变力的作用,假设线圈中的电流呈正弦变 化,即, ,则力的大小为: 脱, 式中为环形气隙中的磁感应强度/,为动圈导线的有效长度,为动 圈中的电流。该激振力由动圈通过芯杆和项杠传给试件。簧片组主要负责可动部 分的支承。由式.可以看到激振力的大小和频率的控制可以通过控制线圈电流以及信 号频率实现。因此很容易实现控制。其工作频率范围宽,小型振动台频率范围为~ ,大型振动台的频率范围为~。波形失真度小。但受固有磁饱和、发热等因 素的影响,不易获得大的激振力。因此比较适合应用于高频、小推力、对波形失真要求 高的场合。同时由于其在工作过程中台面上有不可避免的漏磁,对某些军用产品的振动 试验也是不适用的。 .电液式振动台 电液式振动台主要由液压油源、电液伺服阀、控制器、执行元件和支架等组成如第章绪 论 图.所示。与前二者机械式振动台和电动式振动台相比,具有激振功率大、推力 大、振幅大、台面无磁场干扰、易实现多点激振的优点,主要应用在重载、大功率的场 合。在汽车、船舶、工程机械、军工等行业有比较光明的应用前景。传统的 电液式振动 台工作原理是用激励信号控制电液伺服阀,进而由电液伺服阀控制液压执行元件液压 缸或液压马达输出往复的直线或者扭转运动。这种工作方式使得电液式振动台的工作 频率受制于电液伺服阀的频宽。难于实现高频振动,且波形失真较大。三类振动台之间 性能的比较如表.所示。 图.电液振动台原理图 表.振动台性能比较 浙江工业大学硕士学位论文 综上所述,机械式振动台由于其性能局限、其应用的量会日渐减少。电动式振动台 若想获得较大的激振力,需要复杂的辅助冷却装置,相对于电液振动台没有成本优势。 并且台面上不可避免的会有漏磁。随着控制技术的发展、电液伺服阀等关键技术的发展。 电液伺服阀的频率范围有了很大的提高,同时波形失真也减小。目前推力以上的 。 电液式振动台工作频率已达到 ..振动试验台国外研究现状 作为产品可靠性试验的关键设备,振动试验台在现代工业中被广泛使用。在国外, 振动试验台已经成为一门利润丰厚规模庞大的高科技产业。在该领域比较著名的公司和 研究机构有美国的实验室【、公司、公司、伊利诺斯大学,德国的 公司、/公司、公司,英国的公司,日本的三菱、日立、石川岛 重工业公司、公司、东京大学和电力中央研究所等。 在振动试验台诸多应用 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 中,地震模拟试验是最具代表性的一种。传统地震试验 有以下三种】:拟静力试验、拟动力试验、振动台试验。其中振动台试验是研究结构抗 震性能的最直接的方法,目前在结构抗震试验中有着垄断性的地位。并且由于实验对象 都是大型的土木结构,属于重载环境,大型的地震模拟试验台全是电液式的。作为一个 处在环太平洋地震带上的国家,日本在地震模拟试验台的研究上一直处于先进行列。 世纪年代末三菱重工为日本国家防灾中心研制了第一台大型地震模拟台,也是当时世 界上最大的单向大型地震模拟台。台面尺寸为×。年,日本技术厅 和国立防灾技术研究所历时年建造的世界最大的地震模拟台.】【竣工如图 .所示。其全称为三维原型地震试验设备. ,不仅可以模拟 正弦波、随机波、也可以复现地震波。而在美国,公司拥有地震模拟台研究 的先进 技术和经验,图是为中国建筑科学研究院建造的目前中国国内最大的地震模 拟 试验台。此外,加州大学圣地亚哥分校鲍威尔实验室建立了世界上最大的室 外单向振动 台。其台面尺寸为.×.,最大荷载,其特点是建造在户外,对模型高度没限 制。第章绪 论 参数 技术指标 驱动方式 患:;瞧照驱动 台面尺寸 × 最大承载力 : 作动器配置数量 和: 工作频率范围 、和向均为.卜 :. 和:. 最大加速度曲 最大位移 和:?;:? 加速度波形失真 : 平口:? ,矗 图 .地震模拟试验台及其参数 参数 技术指标 驱动方式 曳濂司峨驱动 .×. 台面尺寸 最大承载力 工作频率范围 :. :. :. 最大加速度蓟 :?;:? 最大位移 :? : :.; 最大速度‘ : 图 公司承建中国建筑科学研究院地震台及其参数 图. 高周疲劳试验台 图 系统自由度电液伺服振动台 而在机械制造领域,需要对单个零件作拉玉、弯曲等疲劳试验时,结构相对简 单的 单轴式振动台应用较普遍。典型的高周疲劳测试需要试验台有相当高的工作频率,比如 完成一个次循环的疲劳试验,一个传统的工作频率为的振动试验台需要个月浙汀工业大学硕上学位论文 以上的试验时问。而公司的电液伺服高剧疲劳试验台?如图.,完成 相同的测试仅仅需要天。其最大静负载能力为,最大位移为平衡位置上下? .。随着模拟精度要求的提升,以及模拟环境的复杂化,特别是像整车疲劳试验这 样的涉及多体动力学的复杂问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,单轴激振的试验台显然满足不了需求。图.所示为 自由度电液伺服振动台【 。采用无摩擦力静压轴承作动器, 公司研制的 静压支撑球铰,工作频率为~,能够产生最大的激振力,最大位移为。 可以实现正弦、随机、正弦加随机、锯齿、冲击等各种波形的振动试验。 值得一提的是,电动式振动台由于易于实现高频振动,而且加速度波形失真小,在 轻载环境下,仍具有很大的应用价值。比如公司研制的.】如图 .自由度电动式振动台。工作频率范围为~,正弦振动以及随机振动能产 生的最大激振力为,最大加速度达到,最大位移为.,冷却方式为油冷。 图 公司的 电动式振动台 ..振动试验台国内研究现状 中国在振动试验领域有积极投入,自上世纪年代以来全球建成的上百台振动设 备,主要就分布在日本、美国和中国【 。国内对电液伺服高性能振动台的研究起步仍较 晚,始于上世纪年代中期,多通过进口国外的产品来满足国内振动试验研究的需要。 但振动台的应用多涉及航空航天、军事等重要领域,中国一直面临着国外对高性能振动 台特别是高性能电液伺服振动台的禁运政策。因而年代以后国内自主研制振动台的水 平有了高速的发展。国内有电液振动台研究经验的科研单位及企业有:中国地震局工程 力学研究所、中国水科院、航空所、哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究 所、浙江大学、北京工业大学、西安交通大学、同济大学、浙江工业大学流体传动与控第章绪 论 制研究所、红山试验机厂、长春试验机厂、济南试验机厂等。 参数 技术指标 驱动方式 电液伺服驱动台面尺寸幻 最大承载力母 .. 工作频率范围珏 :;: : 最大加速度 :? :?; 最大位移 :? : : 最大速度 : 图? 同济大学振动试验台及其参数 同济大学地震模拟试验刽图.在朱伯龙教授带领下于年月建成, 起初为、两向振动台,年代经过多次改造,升级为向自由度振动台,模型 的最大重量从升级至,并升级了控制系统和数据采集系统。该振动台控制部 分、 数据采集部分、作动器、油源核心组件全由公司生产,钢结构台面亦由公司 设计,目前为止已完成近项试验。 参数 技术指标 驱动方式 电液伺服驱动 台面尺寸 最大承载力 肛 工作频率范围 . 最大加速度曲 最大位移 水平? 最大速度。 图? 哈尔滨工业大学振动试验台及参数 哈尔滨工业大学地震模拟试验台【图.建成于年,为单向水平振动台。 该振动台由哈尔滨工业大学采用德国公司的作动器以及拟动力油源自行研制完 成。台面自重仅,台面支撑系统采用国内唯一的交叉十字形钢板弹簧铰,由潘景龙 教授设计。控制系统由哈尔滨工业大学实验室自行研制。数据采集系统也整合了国内多 个厂家的动态测试设备。浙汀:工业大学颁上学位论文 中国地震局工程力学研究所于年采用国产设备自行研制了双向振动刽 ,并于 年升级为三向振动台。该振动台全部机械和液压系统主要由天水红山试验机厂研制, 其控制系统由工程力学研究所自行研制,数据采集系统亦采用国内厂商的产品。 参数 技术指标 驱动方式 电液伺服驱动 台面尺寸 × 最大承载力 .? 工作频率范围 : :. 最大加速度曲 :? :? 最大位移衄 : : 最大速度 图. 中国地震局工程力学研究所振动台及参数 图.北京工业大学振动试验台 图.浙江工业大学研制的地震台 浙江工业大学阮健教授所在的课题组为浙江宝业集团研制了×的单自由度 电 。其最高荷载重量为,采用控制算法实现加速度波形的 液激振地震模拟台【 再现。可以输出方波、正弦波和随机地震波形,取得了较好的模拟效果。北 京工业大学 于年在黄浩华教授的负责下建造了一台×的振动台图.,后升级为水 平双向振动台。其油源、作动器都采用美国公司的产品,控制器亦选用 .型号的控制器。其工作频率范用为.,最大模型重量,最大加速度 为。 ..振动试验台控制器研究进展 世纪年代末,随着随机振动理论及设备的发展,模拟式的随机振动试验设备 开始出现。其振动控制由模拟式随机均衡器完成,其频率分辨力由中心频率 相异的带通第章绪 论 滤波器的个数决定。控制精度差功率谱密度容差达,维修量大,且调试困难。 图?数字式振动控制系统 年代中期开始国外出现了以小型机为核心的数字式随机振动控制系统图., 其功率谱密度容差为~?.。典型的产品有英国的,美国公司的 。年代国外推出了例如美国公司的.、.这样性能更强的 控制系统。随着多轴振动以及多点激振研究的深入,以及振动频率的提高, 传统的微机 已难以应付越来越大的计算量。年代中期美国公司研制的基于公司 芯片的振动控制系统,具有里程碑意义,标志着开始在振动控制中应用。 强大的运算能力,使得之前不能实现的复杂的控制算法得以实现,并提高了 系统的 实时性。目前市场上主流的如美国公司的系列、公司的系列、 日本公司的、系列振动控制器均以作为信号处理的运算器。 国内振动控制器的研究始于上世纪年代,但高速发展却在年代后。对该领域 有所研究的单位有:航天部所、航天部所、西安飞机强度研究所、西安交通 大 学、浙江大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、苏州试验仪器总厂等。我国对 数字式振动控制器的研究始于年代末,航空所研制的的.和.随机振 动数字式控制系统、北航研制的是这一时期的典型产品。以为例,其以 为控制主机,以公司的芯片作为信号处理模块,最大控制谱线 数只有,可以完成正弦、随机以及冲击试验。年代末,北航推出了以 芯片为信号处理模块的改进型号。航天部所研制了基于?平台的 振动控制器,但功能简单,只能进行随机振动试验以及振动冲击试验。到世纪,苏州 东菱振动仪器有限公司研制的和振动控制器【【】,都以公司的 作为信号处理模块,有着相当优越的性能。振动控制器,其随机最大控制谱线数浙江工业大学硕士学位论文 达到线,其随机控制动态范围、正弦控制和谐振搜索与驻留动态范围、典型冲击控 制动态范围指标分别为、和,频率范围为。控制器随 机最大线数为线,其随机控制动态范围、正弦控制动态范围分别为和, 随机控制频率范围、正弦控制频率范围分别为和。能够完成随机、 正弦、典型冲击、谐振搜索与驻留、正弦加随机、随机加随机、正弦加正弦加随机种 振动试验。总的来说,国内的振动试验控制器主要面对可控性较好的电动式振动台,而 对电液式振动台的控制器的研究不甚完善。市场上类似公司的、 公司的.这样的国产高性能电液振动控制器几乎还是空白。 .振动试验台发展趋势 为研究大型结构的结构抗震性而存在的振动试验台,其发展趋势体现出了大型化、 台阵化、以及网络化的趋势。而在机械制造领域,高频电液伺服系统的应用,振动控制 的数字化和智能化是大势所趋。 .大型化 中小型振动台会由于尺寸效应和部分相似比不满足而产生一定误差,并且有时候现 象很难解释,大比例甚至足尺模型试验可以有效解决该问题。大比例甚至足尺模型试验 的应用趋势日益明显,因此即便大型振动台的造价极其昂贵,振动台仍旧体现出了大型 化的趋势。 .台阵化 对桥梁、管线等结构进行的振动台试验,由于各点受震动的作用会有所差异。因此 振动试验时需要多点激振,而单纯地增加台面尺寸或者单台面的多维振动显然不能满足 模拟真实地震的需要。为了模拟这种大尺寸、大跨度的细长结构的振动环境, 由多个振 动台组合而成的台阵系统的应用也成为一种趋势。日本的第一个振动台台阵系统由日本 建设省土木研究所于年建成,该台阵系统由台台面尺寸为的单向水平振 动台构成。美国内华达州立大学雷诺分校的振动台台阵系统建成于年,由个台面 尺寸为..的双向水平振动台构成。而在国内,重庆交通科研设计院桥梁结构动 力实验室建成了由两台台面尺寸的自由度振动台构成的台阵系统。其特点是其 中一个子台固定,另一个子台可移动,可以完成变跨度达的细长结构地震模拟试验。 也是国内外业界唯一一个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。北京工业大学的子台多维多点地震振动台台阵系统,由个第章绪 论 ×以及个×的水平单向振动台构成。该系统经过改造,可以对模型结构进 行水平双向三自由度的抗震性能试验,特别适合对多跨试件的多点输入,多向振动的振 动环境进行模拟。 .试验设备网络化】 单个企业或者科研机构很难担负起大型振动台、振动台台阵系统高昂的建 造、维护 以及运营费用,同时也为了提高设备的利用效率,振动试验设备的网络化是个重要的发 , 展趋势。比如美国的地震工程模拟网络,国内 美国的大学教学振动台协会 福建省的高校贵重仪器设备协作共用网等。以地震工程模拟网络为例,它有 三个显著的特点:的设备对全美研究人员开放,各科研机构每年只能占用 设备一定比例的时间。因此各科研机构都必须安排好自己每年的试验计划。为了方 便了除设备所在地的其他单位的研究者使用,可以通过高速因特网进行网络观测以及发 送控制指令,即研究人员可以不亲临现场就能进行实验研究。所有的数据通过审查 后放在一个大型数据库,所有的研究人员共享试验数据。 .高频电液伺服系统的应用 提高振动台的工作频率可以使得单个试验台可以提供更大的试验频宽,在疲劳试验 中更能提高试验效率。电动式振动台易于得到更高的激振频率,但在重载环境使用电动 式的振动台没有成本优势。传统的电液式振动台很难实现高频振动,且波形失真大,而 随着高频电液服系统的应用,使得电液式振动台在保留传统电液式振动台大推力、大位 移的优势的同时,其工作频率得到了很大的提升。公司的电液式疲劳试验 机用音圈电机伺服阀代替传统的级伺服阀、结合系列的幅值和相位控制 软件提升振动台的上限频率。浙江工业大学研制的高频激振阀,其阀芯具有径向旋 转和轴向移动双自由度,以其为主要元件构成的电液振动台,可实现频率和幅值的双重 控制,其激振频率可达以上。 .振动控制的数字化和智能化 随着现代信号处理理论的日渐成熟以及运算能力的迅速发展,全数字化电液 控制已经成为今后电液伺服控制系统的发展方向。数字控制系统的响应速度、抗干扰能 力、完成复杂控制的运算能力和可靠性是模拟控制系统无法比拟的。同时,随着人工智 能研究领域的发展,诸如专家控制、模糊控制、学习控制等智能控制算法用于振动控制 也不鲜见。 浙江工业大学硕士学位论文 .论文选题意义及研究内容 为提高电液振动台的振动频率,本文采用所在课题组提出的阀控电液振动台, 其阀芯具有径向旋转和轴向滑动的双自由度。当阀阀芯连续转动时,阀芯沟槽和阀 套窗口配合所构成的节流阀口面积成周期性变化,控制油液交替进入液压缸左右两腔, 从而驱动液压缸活塞作来回往复运动,实现激振力输出。阀芯的旋转速度和轴向位移量 分别控制高频电液振动台的激振频率和幅值。阀芯与永磁同步电机主轴通过齿轮联接, 通过控制永磁同步电机的转速即可控制振动台的振动频率,阀芯轴向开口受控于直线步 进电机,通过控制直线电机的主轴位移即可控制振动台的振幅。 振动控制器硬件部分, 为了提高激振频率,提高控制器运算速度和抗干扰能力,采用了公司的芯片 ,通过调节波的输出频率控制永磁同步电机转速从而控制振动台的 激振频率。以芯片的电路为基础设计了电机的光电编码器接口电路, 使得电机转速和位置信号能够反馈到控制器。的个数字/脚与芯片、 组合运放电路构成了直线步进电机的控制端。控制器与上位机通过接口实现串 口通信。 同时,在阀控电液振动台中,由于不可避免的加工误差,导致由阀进入液 压缸左右两腔流量不完全相等,从而导致振动中心的单侧偏移,偏移量与时间成积分关 系。因此需要对振动台作偏置控制,使得振动台有稳定、可控的振动中心位置。通 过偏置控制,还可以减小随着振动频率的提高振动台振幅的衰减程度,增加振动台在较 高频段的输出力。 本课题来源于国家自然科学基金项目“谐振式高频电液疲劳试验机的关键技术研 究”.,本论文的研究内容主要包括: 阀控单出杆电液振动台数学建模:通过阀特征支配方程建立电液振动台 系统驱动惯性负载时的数学模型。 对阀控单出杆电液振动台的仿真分析:采用阶龙格一库塔. 法,在环境下对惯性负载下的阀控电液振动台进行仿真分析。仿真得到振动 台的振动频率和阀芯连续旋转时阀口面积各自对活塞输出位移的影响。 偏置控制的研究:由于阀的转阀特性,振动台无法采用一般电液伺服系统 引入一个偏置信号构成闭环实现偏置控制的方法。为此本文提出了阀与数字伺服阀论 第章绪 并联的偏置控制方案,以这种并联机构和电.机械转换器为基础,构建了活塞杆的位置 闭环控制系统,实现振动台振动中心偏置的控制。 完成了控制器的设计:以公司的芯片芯片为基础,设计 了振动台的控制器,可以实现振动台的频率控制、幅值控制和偏置控制。 实验研究:搭建实验平台,通过实验研究振动台的偏置控制、频率控制和幅值 控制。 .本章小结 本章介绍了论文选题的背景,介绍了振动台的分类、原理以及性能的比较。概述了 振动试验台的国内外研究现状和发展趋势。最后介绍了本论文的选题意义和具体的研究 内容。浙江工业大学硕士学位论文 第章阀控电液振动台数学建模与仿真 .引言 传统的力马达滑阀式电液振动台或喷嘴一挡板式电液振动台,工作频率受控制阀频响 能力的限制而难以提高到谐振频率段甚至是更高的频率段。阀控电液振动台是一种很 好的高频振动解决方案,它在保留电液式振动台大推力输出特性的同时,能实现 以上的高频振动。对惯性负载下的阀控电液振动台进行数学建模与仿真,得到激振 频率和阀芯轴向开口‘,分别对振动台输出位移。的影响,可以为惯性负载作用下的振 动台的频率控制和幅值控制提供一定的理论依据。 . 阀控电液振动台工作原理 阀控电液振动台工作原理如图.所示,它主要由阀、单出杆液压缸、蓄能 器、油箱和油管等组成。其中阀部分主要由永磁同步电机、大齿轮、小齿轮、阀芯、 阀套、阀体、联轴器、弹簧、直线步进电机等组成。 其中,阀是上述整个振动台的关键部件。阀阀芯具有径向旋转和轴向滑动的 双自由度 ,阀芯的结构如图?所示。沿轴向分布着、、、个台肩,每个 台肩周向均布着个矩形槽,两个相邻台肩上的沟槽以一定角度相互错开,同时阀套上 也开设了个与阀芯沟槽对应的矩形截流窗口。当阀芯旋转至图.所示的情况时, 口同时和液压缸有杆腔和无杆腔导通,口关闭。由于液压缸有杆腔工作面积是无杆腔 工作面积的一半,活塞杆右移。而当阀芯旋转到如而当阀芯转至如图.时,导通, 口和有杆腔导通,活塞杆左移。阀芯与阀套沟通一次,活塞杆完成一次往复,因此阀 芯旋转一圈,活塞杆往复次。阀芯为细长结构,而且处在液压油中形成自润滑,第章阀控电液振动台数学建模与仿真 向右运动 向左运动 .单出杆液压缸.蓄能器.阀块.阀套.大齿轮.永磁同步电机.小齿轮.联轴器. 弹簧 .阀芯.联轴器.直线电机.油箱.蓄能器 图? 阀控电液振动台工作原理图 阀芯台肩 图. 阀阀芯结构图 浙江工业大学硕士学位论文 利于阀芯转速的提升。阀芯的转动由永磁同步电机驱动,电机主轴与阀芯之间由齿比为 :的齿轮组联接,电机主轴转速和振动台激振频率的关系为: . 。么’ 厂渐椐:阀 /激振一 式中为电机旋转一圈阀芯与阀套的沟通次数,阀芯为阀芯转速。因此可得振动台 激振频率与电机主轴转速的关系为: ’ 盘摇:监 ,激振一?矿、 式中电机为永磁同步电机主轴转速。 因此,通过控制永磁同步电机的转速就能实现振动台的频率控制。 阀芯的轴向位移由直线步进电机控制,通过控制阀芯的轴向位移,可以控制阀芯轴 向开口从到最大值之间变化,从而改变从激振阀进入液压缸的流量,进而改变振动 台的振动幅值。这样,通过控制直线步进电机的输出位移就能实现对振动台的幅值控制。 . 阀控电液振动台的数学建模 .. 阀口面积数学模型 阀阀芯沟槽和阀套窗口的配合关系如图所示。阀开口的形状是阀芯的沟槽 和阀套窗口配合形成的矩形。构成该矩形节流面积的其中一对边瓦 ,‰】由阀 芯的轴向位移形成,受控于直线步进电机。另一对边儿是阀芯台肩上的沟槽节流边到 阀套上的窗口节流边之间一段圆弧的弦长,其大小随着阀芯的旋转周期性变化。、、 、?个台肩上的沟槽和阀套窗口相匹配,每一个阀芯沟槽或者阀套窗口所夹的圆心 角为,而同一台肩上相邻两个沟槽以及对应的阀套窗口所夹的圆心角。 图. 阀阀芯沟槽和阀套窗口的配合关系第章阀控电液振动台数学建模与仿真 这其中,、台肩的沟槽以及对应的阀套窗:相位一致,、?台肩的沟槽以及 阀套窗口相位一致。而、台肩和、?台肩的沟槽之间错开的相位角,对应的 阀套窗口亦然。 以个阀的周向全部关闭的状态为起始位置,即。当阀芯角位置从增大 到口的过程中,台肩、上的周向开度,,从增大到最大值。当阀芯角位置继续 从 :增大到日:,.,从最大值回。上述整个过程,即阀芯从的角位置转动 到的过程中,台肩、?的周向开度”,始终为。而当阀芯继续旋转,阀芯角位 置从转动到的过程中,台肩、?的周向开度”,从增大到最大值。阀芯 角位置从转动到的过程中,台肩、?的.,从最大值减。而阀芯从 转动到日的过程中,台肩、上的阀口开度始终为。阀芯连续旋转时上 述过程周而复始。根据上述的分析,可以得至阀阀口面积数学模型。因为结 构的对称 性,以台肩、的阀口为例: ? 啦 ?口 . 枷协旧帅一匐 口?口 ?臼?钌 ?,口 ,口?歹口 尺 口 一 蕊 : . ?,口 . 足 ?? 口一 弘 . ??口 誓 、?,、?, /,...。。。、\/,,...。一/ 竿勤 /,,, 图是阀口节流面积随阀芯角位置的变化规律图形,近似于三角波。图中还显 示 了轴向阀口开度茂对阀:节流面积的影响。浙江工业大学硕士学位论文 套 , 图. 阀阀口节流面积随阀芯旋转变化关系图 ..特性支配方程 阀控电液振动台,实质上是阀控液压缸伺服系统。其动力学模型如图.所示。 图液压系统动力学模型 .阀口流量方程 根据节流公式得到节流口的流量: ? 二 . :。么,:~/ 为油液密 式中:为阀口的流量系数,,和:为阀芯台肩所对应的开口面积, 度;以为液压缸无杆腔的压力。 第章阀控电液振动台数学建模与仿真 .敝雎缸弪制胫的移‘重连续性万裎 协, 酽鲁善鲁 沼, 吼一?以 一善鲁 式中:,为活塞位移,,为无杆腔侧活塞的面积,其中无杆腔活塞面积是有杆腔 活塞作 用面积的两倍,为液压缸无杆腔的容积,峰为油液的体积弹性模量。 .活塞杆力平衡方程 纵见一扣争最誓‰ 式中:吃为粘性阻尼系数; 墨弹性负载刚度; 为负载质量;最为负载力。本文 建模的对象是带惯性负载的阀控电液振动台,因此式?中,弹性负载系数, 外部负载力丘。所以,式可以简化成: 纵致一互驴朋?统鲁 式.到式.。就构成了阀粹审.漓振动台作用千懦件饧载时的数学模型。 . .法介绍 系统的参数一确定,上述的数学模型就是一个定常系数的线性微分方程组。只有少 数简单的微分方程能够用初等方法得到解析解。多数情况下只能用近似方程求解。其中 一类方法比如级数解法、逐步逼近法,能够给出解的近似表达式,这类方法称为近似解 法。还有一类方法称为数值解法,数值方法给出解在一些离散点上的近似值。利用计算 机求解时主要采用数值方法。 ..初值问题数值解的基本概念 常微分方程初值问题的一般提法是求函数,??,满足: .? 』罢叫砒认狄 口口 上式中,是已知函数,口是已知值。 初值问题的数值解法,是通过微分方程离散化而给出解在某些节点上的近似值。在 浙江工业大学硕士学位论文 区间口,上引入节点以::。,满足:%%,瑰?一。七,,,, 称为步长。在多数情况下,采用等步长,即忍??,,,,胛。记. 的准确解为,记气的近似值为,记厂葺,虬为以。 求初值问题的方法是步进法,即计算出只,?尼后计算川。数值方法有单步法和 多步法之分。单步法在计算虮。时只利用坛,而多步法在计算。时不仅要利用,还 要利用到前面已计算出的若干个儿一,,/,,,,一。称要用到, 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ,。,?的多步 法为步法。单步法可以看成是的特殊多步法,但单步法和多步法还是有很大差别的。 ,步方法只能用于儿,?,的计算,,。,,一。要用其他方法计算;而且在稳定性上单 步法比,的多步法容易分析;此外单步法容易改变步长。 .. 方法 提高单步法的途径是提高局部截断误差的阶。本文选用的显式.法是一 种显式单步法。其实质是一种间接引用方法的算法。假设式的解充分 利用展开,有: 光滑,.气矗, 廿柑八枷?争器‖心‰亿? 略去截断误差,取 ? ?疗 肌欺’女?以’ 截断误差为: ? 生矗 因此,称方法为阶方法。 结合多元函数求导法则,得到二阶方法: 口 . 虬矽?小等六以川州坼川州以川 ,,一 从.可以看出,用法求解时,需要计算,的偏导数,但随着导数阶 的提高,计算量越来越大。第章阀控电液振动台数学建模与仿真 .. ?法 .法的核心思想是:用,在一些点上的值的线性组合来构造高阶单步 法,从而避开了复杂的偏导数计算。显式.法般形式为: ? 川砌?,, 其中 妒砟,,而?,砖 是各个节点的线性组合。 . ? 嘭,。办?红,,, 其中,,、、均为独立常数。 下面以二阶显示.法为例,说明其原理。二阶显式法的形式如 下: 墨, 也,岛厅 用/、正、工等分别表示它们在屯,儿的值,有 , 砭良。酉口;厶。厶厂呸。易。 因此 儿。儿。乃:六:丢口;厶,厶/;。办 . 将式.与二阶法?对照,要求: . 口 三 , % 浙江工业大学硕士学位论文 才为二阶方法。而在的系数中,偏导数的项数不一致,从而不可能存在三阶精 度 的显式二级.法。式?中存在、、、吃四个待定系数,而只有三 个方程,因此方程组的解有无穷多组,二级显式.法表达式不唯一。上述的过 程,体现.法的本质:一种间接引用方法的单步法,通过,在一 些节点上的线性组合构造斜率,避免了复杂的偏导数计算。同理,通过类似的 推导,可 以得到三阶?法、四阶?法。 工程上使用较多的是四阶四级显式.法,其方法也不唯一。一个重要的代 表是经典.方法,其在满足计算精度的同时,又能保证足够的计算效率。具体 如下: %。儿售白乞屯 厂以, . 哎兰和 如厂以兰,儿兰也 屯办, 阀控电液振动台的建模,选用的就是这种显式四阶四级?法。其程序实 现流程图如下: 第章阀控电液振动台数学建模与仿真 图经典.法程序流程图 .仿真分析 ..仿真参数 系统的仿真参数见表.: 浙江工业大学硕士学位论文 表.系统仿真参数 序号 参数名称 参数数值 单位 油液系统压力胁 眦 流量系数白阀阀芯直径 负载质量 蚝油液体积弹性模量疋 液压缸无杆腔活塞面积 一如。耋一 . 液压缸有杆腔活塞面积 一 。 ?/ 粘性阻尼系数毋 / 弹性负载刚度监 。。负载力凡 ..仿真结果 .频率控制仿真 频率特性仿真中,轴向阀口开度固定在.,选择仿真频率分别为、、 。考察活塞杆位移频率和振幅的仿真解。 活塞位移波形 位移波形频谱图第章阀控电液振动台数学建模与仿真 ?? ~。 ?‘? ‘‘ ? ~啪?? ? 活塞位移波形 位移波形频谱图 活塞位移波形 位移波形频谱图 图.变频率仿真位移波形和频谱图 图.显示了、、时的活塞位移波形和频谱。位移波形输 出选取阀芯旋转圈产生大的个周期的振动输出,为近似的正弦波。、、 对应的振幅分别为..、..、..。和振幅的变 化表明:随着频率的提高振幅衰减;而由于较更加接近系统的谐振频率, 仿真结果也表明时的振幅要大于时的振幅。 .幅值控制仿真 幅值控制仿真时固定频率不变,选择轴向阀开度分别为.、、. 考察活塞杆振幅的仿真解。浙江工业大学硕士学位论文 / 民.位移波形图 截取最后一个周期平均后的活塞位移 。? ’? ‘ ? ?‘ ‘ ’’? , ? ’?:。 , 瓦位移波形图 /? 瓦.位移波形图 图变开口仿真位移波形 第章阀控电液振动台数学建模与仿真 图~显示阀口轴向开度分别为.、、.时活塞杆输 出的位移波形。对应的振幅分别为.、.、.一。随着轴向阀口开度 的增大,活塞杆的振幅也随之增大。 .本章小结 本章介绍了阀控电液振动台的工作原理,根据阀口节流面积的变化规律和特 性 支配方程建立了系统作用于惯性负载时的数学模型。介绍了.法的原理,并 采用经典.法在环境下对系统进行仿真分析。得到系统的位移输出幅 值分别和振动台激振频率和轴向阀口开度茂.的关系。浙江工业大学硕士学 位论文 第章阀控电液振动台的偏置控制 .引言 阀控电液振动台的输出频率取决于阀阀芯的连续转动的速度,通过提高阀 芯的转速可以达到很高的激振频率。但实际工作时,极小的加工误差和载荷不对称等原 因,都可能使从阀进入液压缸左右两腔的流量不完全相等。在没有偏置控制的情况 下,振动中心位置会有所偏移,偏移量与流量成积分关系。随着时间推移,偏移量随之 增大,振动中心不断往液压缸一侧偏移。同时,实际应用中经常需要实现零位偏移振动。 因为阀的转阀结构,振动台无法采用一般电液伺服系统引入一个偏置信号构成闭环 实现偏置控制的方法。为此,提出了阀与数字伺服阀并联的偏置控制方案,以这种 并联机构和电.机械转换器为基础,构建了活塞杆的位置闭环控制系统,实现振动台振 动中心偏置的控制。 . 阀控电液振动台工作原理 阀控电液振动台的工作原理系统原理图如图.所示。整个系统由阀、数 字伺服阀、单出杆液压缸、位移传感器以及控制器构成。由图可知阀、数字伺服阀 各自的口与液压缸无杆腔相通形成并联机构,驱动单出杆液压缸在某一平衡位置作 周期性往复运动。阀控电液振动台要实现正常工作,必须实现振动频率控制、振动 幅值控制以及偏置控制。通过频率控制器控制永磁同步电机的转速,从而实现对振动台 激振频率的控制;通过幅值控制器控制直线步迸电机的输出位移,改变阀的轴向开 口大小,从而实现振动台振动幅值的控制;而振动台的偏置控制则由偏置控制器、永磁 盘式步进电机、数字伺服阀、位移传感器构成的偏置控制系统实现。振动台的频率控制 和幅值控制在第四章有详细说明,这里主要讨论振动台偏置控制的实现原理。第章阀控电液振动台的偏置控制 .惯性负载.单出杆液压缸.位移传感器永磁同步电机.阀.直线步进电机.数字伺 服阀.永磁盘式步进电机 图. 阀控电液振动台系统原理图 .偏置控制的实现 ..数字伺服阀工作原理 用于实现振动中心偏置控制的并联数字伺服刚【,其结构如图.所示。阀芯的 左端台肩上轴对称地开设一对与进油口相通的高压孔与口贯通和一对与回 油 口口相通的低压孔。在阀套左端的内表面上轴对称地开设一对螺旋槽,其左端与阀 左端敏感腔相通。当阀芯在阀孔中处于正常工作位置时,高压孔和低压孔分别处于螺旋 槽的两侧,并与螺旋槽配合形成微小的弓形缝隙,这两个弓形缝隙串联形成阻力半桥, 阀的右腔以及口与口相通,其工作面积为口左侧台肩与口处阀芯横截面两个同 心圆之间的面积差,恰好是左端敏感腔工作面积的一半。当阀芯相对静止时,敏感腔内 压力为进油压力的一半。高低压孔分别与螺旋槽配合形成的弓形面积相等。步进电机通 过齿轮传动机构控制阀芯的角位移。当阀芯逆时针旋转,高压孔与螺旋槽配合形成的弓 形面积增大,低压孔与螺旋槽配合形成的弓形面积减小,敏感腔压力上升,推动阀芯右 移。阀芯右移的结果是高低压孔分别与螺旋槽配合形成的弓形面积又趋于相等,直至左浙江工业大学硕士学位论文 端敏感腔的压力回复为进油压力的一半。若阀芯顺时针旋转,情况则正好相反。 数字伺服阀这种将阀芯转角转换为阀芯轴向位移主阀开口导控结构类似于 机械 螺旋运动,因此也称为液压伺服螺旋机构。 闽座 阀套 高压孔 螺旋糟 敏感腔 影匿 螺旋槽 低压孔。 局蛰视图 图数字伺服阀结构原理图 ..偏置控制原理 由于数字伺服阀能够实现阀芯角位移与阀芯轴向位移的转换,因此在偏置控制中,可 以将数字伺服阀简化成三通滑阀,则活塞杆位置闭环的原理简图如图?所示。液压缸 有杆腔常通口,无杆腔与阀的口相通。当阀芯处于中位,阀的口和口都关闭, 活塞杆静止不动;当阀芯自中位左移,.导通,.关闭,活塞杆由于无杆腔和有杆 腔之间两侧的工作面积差左移;相反若阀芯自中位右移,则导通,.关闭,液压 缸无杆腔通过口与口相通,而有杆腔常通高压油,两侧的压差致使活塞杆右 移。因 此将活塞杆的位移回馈到数字伺服阀的控制端??数字伺服阀电机械转换器,实现对活 塞杆的位置闭环,就能实现振动台振动中心偏置的控制。 位移传惑器 图.偏置控制原理简图 第章阀控电液振动台的偏置控制 ..偏置控制系统组成 前面已经提及,偏置控制系统由偏置控制模块、永磁盘式步进电机、数字伺服阀、 位移传感器构成。其中偏置控制模块由位置信号处理模块、振动台控制器以及所在课题 组研发的数字伺服阀电.机械转换器构成。偏置控制系统框图如图所示。 图?偏置控制系统框图 偏置控制的信号流程女活塞杆的位移经位移传感器测量得到位置电压信号 ,位置信号处理模块计算得到活塞实际位置与控制目标的偏差值,振动台控 制器的模块采样该偏差信号,并采用算法计算与偏差信号相对应的反馈角度 。,并通过振动台控制器的/口和/转换模块向数字伺服阀控制器的/口输出 对应臼。的模拟电压信号,数字伺服阀的电.机械转换器根据该采样电压的大小驱动步进 电机转动一个角度眈,由于数字伺服阀能够实现阀芯角位移与阀芯轴向位移的转换, 这个转角会导致阀芯产生大小为的轴向滑动,并驱动单出杆液压缸产生的位移 量。这样,就形成了活塞杆的位置闭环控制系统,阀控电液振动台的偏置控制系统 实质上是一个活塞杆的位置闭环控制系统。 振动台在低频和高频工况的控制方式是不一样的。由于数字伺服阀在低频能输出更 好的位移波形,当频率时,调节直线步进电机使得阀阀口关闭,此时阀 不工作。通过由数字伺服阀、位置信号处理模块、振动台控制器、电一机械转换器构成 的偏置控制系统单独驱动活塞杆往复运动实现激振输出。通过控制数字伺服阀的摆动频 率控制振动台输出频率,通过控制伺服阀的摆动幅度和摆动中心分别控制振动台输出的 幅值和偏置。 而在高频工况下?厂,由于阀的转阀结构易于得到更高的激振 浙江工业大学硕士学位论文 频率,使用阀控制振动台的输出幅值和频率,而用数字伺服阀控制偏置。此时调节 直线电机使得阀阀口打开,信号发生器输出矩形波激励信号驱动永磁同步电机,信 号的频率决定了电机的转速,电机轴通过齿轮箱与阀芯联接,从而信号的频 率也决定了 阀芯的转速以及振动台的输出频率。而输出幅值的控制则由直线电机调节轴 向开口大小 实现。这样,阀完成了频率控制和幅值控制, 数字伺服阀实现偏置控制。 ..反馈角度的算法 在保证活塞杆位置闭环系统稳定性的前提下,为了提高系统的响应速度和动 态性能, 根据计算得到的控制偏差信号,采用算法计算得到反馈角度,该位置闭环的 调节器数学模型为: 础砗卅去肫出如警 式中,尸为比例系数,,为积分时间系数, %为微分时间常数。相应的传递函 数为: ‘ 砟而 式.可离散化成以下差分方程式: 五, 砌?专和每州?扣。 同理可以得至 ?的表达式: 七, 砌叫啦卜叶丢和铷?”,】 将式和式.相减,即得到数字增量型控制算式为: 一,一疗一?胛誓一一甩一】 .本章小结 本章主要讲述了阀控式电液振动台的一种偏置控制方法。首先介绍了阀控电 液振动台引入偏置控制的必要性:不可避免的细小加工误差就能导致的单侧偏移、激振 频率提高是振幅的过度衰竭、还有实际应用中偏置振动的实用性。接着介绍了带偏第章阀控电液振动台的偏置控制 阀控电液振动台的工作原理。重点以数字伺服阀工作原理、偏置控制系统组成、信号的 流程、低频工况以及高频工况??两种不同的控制方式、 反馈角度的算法为主线,介绍了阀控电液振动台偏置控制的实现原理。