欒強利，陳章位，賀惠農(nóng)

（1.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027；2.杭州億恒科技有限公司，杭州 310015）

三級閥控液壓振動臺控制策略研究

欒強利1，陳章位1，賀惠農(nóng)2

（1.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027；2.杭州億恒科技有限公司，杭州 310015）

對三級閥控液壓振動臺的控制策略進行了系統(tǒng)的研究，設(shè)計了應(yīng)用于大流量液壓振動臺的一體式控制器。一體式控制器同時實現(xiàn)液壓振動臺伺服控制及振動控制功能，伺服控制中，針對三級電液伺服閥和伺服油缸提出一種雙PID伺服控制策略，振動控制中，針對液壓振動臺良好的低頻特性設(shè)計了基于閉環(huán)迭代控制的波形再現(xiàn)控制方法。通過一體式控制器對三級閥控液壓振動臺進行不同時程、不同頻寬的波形再現(xiàn)試驗，表明控制器對液壓振動臺具有很好的波形控制能力，實現(xiàn)液壓振動臺高精度波形再現(xiàn)。

液壓振動臺；三級電液伺服閥；地震波形再現(xiàn)；路譜仿真

液壓振動臺具有良好的低頻特性，低頻狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)大位移，大推力運動，因此廣泛應(yīng)用于土木工程、海洋結(jié)構(gòu)工程以及航空航天等對試件結(jié)構(gòu)低頻性能有特殊要求的領(lǐng)域。液壓振動臺的控制主要由伺服控制和振動控制部分組成，伺服控制是液壓振動臺控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了液壓振動臺系統(tǒng)的工作性能，影響液壓振動臺的響應(yīng)速度及其控制穩(wěn)定性。對速度要求較高的液壓振動臺普遍采用三級電液伺服閥進行速度控制，因此，液壓振動臺伺服控制包括對三級電液伺服閥的控制以及伺服油缸的控制。振動控制作為液壓振動臺的上層控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)液壓振動臺的復(fù)雜運動控制功能，如液壓振動臺的地震波形再現(xiàn)，路譜仿真，隨機振動試驗等［1－4］。

三級閥（三級電液伺服閥）具有流量大，頻響高等特點，因而應(yīng)用于許多流量較大的設(shè)備和結(jié)構(gòu)中，對速度要求較高的液壓振動臺普遍采用三級閥進行流量控制［5］。三級閥的控制是液壓振動臺關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要采用兩種結(jié)構(gòu)類型：一種采用嵌入式結(jié)構(gòu)，即伺服閥功率放大器集成于三級閥中，如Moog791、792伺服閥；一種采用獨立式結(jié)構(gòu)，即通過采用專門功率放大器對三級閥（如MTS256伺服閥）進行控制。伺服油缸是液壓振動臺的執(zhí)行部件，可根據(jù)振動試驗要求執(zhí)行相關(guān)的運動。目前，市場上對一套振動試驗系統(tǒng)即液壓振動臺的控制，需要專門購買相關(guān)型號的伺服閥放大器（如Moog122放大器），以及相關(guān)的伺服控制器（如MTS伺服控制器），而且需要單獨購買振動控制器，各控制器之間存在不兼容現(xiàn)象時有發(fā)生，而且一旦出現(xiàn)控制故障，往往需要較為復(fù)雜的檢測程序，因此，設(shè)計一套應(yīng)用于液壓振動試驗系統(tǒng)的一體式控制器，對于簡化液壓系統(tǒng)的調(diào)試程序，提高振動試驗系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。鑒于此，本文通過對三級閥控液壓振動臺控制技術(shù)的研究，設(shè)計了基于雙PID伺服控制基礎(chǔ)上的一體式液壓振動臺控制器（圖1），控制器包括底層控制和上層控制，底層控制實現(xiàn)對液壓振動臺的伺服控制功能，即液壓振動臺的三級閥閥芯和伺服油缸的位移控制，上層控制實現(xiàn)對液壓振動臺的振動控制功能。通過對三級閥控液壓振動臺進行波形再現(xiàn)試驗，表明控制器對液壓振動臺有很好的控制效果，能夠準確控制液壓振動臺高精度復(fù)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制波形。

圖1 一體式液壓振動臺控制器Fig.1 The integrated controller for the hydraulic shaker

1 液壓振動臺伺服控制

三級閥控液壓振動臺伺服控制包括三級閥閥芯位移控制和伺服油缸位移控制，三級閥閥芯位移控制通過閥芯LVDT位移傳感器實現(xiàn)三級閥閥芯的位移可控，從而實現(xiàn)液壓振動臺流量控制，伺服油缸位移控制通過油缸LVDT位移傳感器實現(xiàn)伺服油缸的位移可控。

1.1 三級閥閥芯位移控制

三級電液伺服閥是由一級先導(dǎo)閥和一級功率滑閥串聯(lián)而成，先導(dǎo)閥是一個小流量高響應(yīng)的二級電液伺服閥，大流量三級閥普遍采用雙噴嘴擋板閥作先導(dǎo)閥，三級電液伺服閥通過一級先導(dǎo)閥驅(qū)動一級功率放大滑閥，雙噴嘴擋板式三級閥的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其中1為一級噴嘴擋板式二級電液伺服閥作先導(dǎo)閥，2為功率放大級滑閥，3為LVDT式位移傳感器，功率滑閥的閥芯位移通過LVDT式位移傳感器進行監(jiān)測控制［5－7］。

伺服閥控制作為液壓振動臺伺服控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其控制性能的好壞將直接影響到伺服閥對伺服油缸的控制效果，為實現(xiàn)三級閥閥芯的位移可控，本文設(shè)計了一種基于PID的控制算法，其控制框圖如圖3所示。來自外部的指令信號通過先導(dǎo)閥驅(qū)動功率滑閥，滑閥閥芯位移信號經(jīng)過負反饋，形成閉環(huán)控制回路，三級閥PID功率放大器能夠?qū)崿F(xiàn)對閥芯位移的準確控制。

圖2 三級電液伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 The structure diagram of the 3－stage servo valve

圖3 三級電液伺服閥控制原理圖Fig.3 The control diagram of the 3－stage servo valve

三級閥的閥芯較伺服油缸具有更快的響應(yīng)速度，要求三級閥的PID控制環(huán)節(jié)具有較高的量級，同時，充分考慮到油壓對閥芯位移控制的影響，三級閥的PID參數(shù)調(diào)節(jié)過程中，保證閥芯位移響應(yīng)對輸入指令信號具有較小的時間延遲。

1.2 伺服油缸位移控制

伺服油缸作為液壓振動臺的執(zhí)行元件，是液壓振動臺的主要控制元件，也是液壓振動臺控制效果的直接體現(xiàn)，本文針對三級閥控液壓振動臺，在三級閥伺服控制基礎(chǔ)上（圖3），設(shè)計了一種雙PID液壓伺服控制算法，其控制原理如圖4所示，其中，內(nèi)層PID功率放大器實現(xiàn)對液壓振動臺三級閥閥芯位移的控制，外層PID功率放大器實現(xiàn)對液壓振動臺伺服油缸的位移控制。

圖4 三級閥控液壓振動臺伺服控制原理圖Fig.4 The servo control diagram of the 3－stage servo valve controlled hydraulic shaker

伺服油缸運動過程中，較三級閥閥芯運動，受到較大的阻尼，阻尼主要來自于油缸中存在的摩擦力，因此伺服油缸動態(tài)響應(yīng)速度慢，PID控制參數(shù)較三級閥閥芯PID控制參數(shù)，相差達到一個數(shù)量級，同時，考慮到系統(tǒng)油壓對伺服油缸響應(yīng)速度的影響，在系統(tǒng)低壓運行環(huán)境下，伺服油缸的位移響應(yīng)對命令信號具有較大的時間滯后。

2 液壓振動臺振動控制

液壓振動臺底層伺服控制基礎(chǔ)上，通過上層振動控制液壓振動臺可以完成一系列復(fù)雜的運動控制功能，如波形再現(xiàn)試驗，隨機振動試驗，正弦振動試驗等［8－11］，其中，波形再現(xiàn)試驗的兩個典型應(yīng)用分別為地震模擬試驗（瞬態(tài)沖擊）和路譜仿真試驗（長時間歷程復(fù)現(xiàn)）［11－14］。三級閥控液壓振動臺波形再現(xiàn)試驗的控制原理如圖5所示，通過閉環(huán)迭代控制算法實現(xiàn)高精度的波形再現(xiàn)控制。

圖5 三級閥控液壓振動臺波形再現(xiàn)控制原理圖Fig.5 The control diagram of the waveform replication on the 3－stage servo valve controlled hydraulic shaker

2.1 地震波形再現(xiàn)

地震波形再現(xiàn)屬于瞬態(tài)歷程復(fù)現(xiàn)的范疇，通過閉環(huán)迭代控制算法實現(xiàn)液壓振動臺地震波形再現(xiàn)，波形再現(xiàn)控制過程中，閉環(huán)迭代控制算法通過對液壓振動臺伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)的不斷更新，實現(xiàn)驅(qū)動信號更新，其具體實現(xiàn)過程：

（1）系統(tǒng)傳遞函數(shù)辨識。小量級白噪聲信號（人工信號）d0（t）作為驅(qū)動信號激勵液壓振動臺，同時，測量液壓振動臺的響應(yīng)信號：加速度信號a0（t），由激勵信號和響應(yīng)信號辨識系統(tǒng)傳遞函數(shù)H0（ω）：

其中：D0（ω）為系統(tǒng)驅(qū)動信號的頻譜；A0（ω）為系統(tǒng)測量加速度信號a0（t）的頻譜。

（2）求取驅(qū)動信號。根據(jù)參考信號的頻譜R（ω）及傳遞函數(shù)H0（ω）計算驅(qū)動信號頻譜D1（ω），經(jīng)IFFT變化后求得驅(qū)動信號d1（t）。

（3）更新系統(tǒng)傳遞函數(shù)。由第（2）步中得到的驅(qū)動信號d1（t）激勵液壓振動臺系統(tǒng)，并測量系統(tǒng)驅(qū)動信號下對應(yīng)的響應(yīng)信號a1（t），通過式（1）重新計算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H1（ω）。

（4）求取下一幀驅(qū)動信號。根據(jù)參考信號頻譜R（ω）及系統(tǒng)傳遞函數(shù)H1（ω）由式（2）重新求取下一幀驅(qū)動信號d2（t）。

（5）重復(fù)第（3）、（4）步，經(jīng)過傳遞函數(shù)的多次均衡，系統(tǒng)傳遞函數(shù)更加準確，使得系統(tǒng)的輸出控制波形更加逼近參考波形，從而實現(xiàn)液壓振動臺高精度波形控制。

上述閉環(huán)迭代控制具體實現(xiàn)過程的流程圖如圖6所示，其中，驅(qū)動信號更新過程中，參考信號波形保持不變，為瞬態(tài)歷程波形。

圖6 地震波形再現(xiàn)流程圖Fig.6 The flow diagram of seismic waveform replication

2.2 路譜仿真

路譜仿真屬于長時間歷程復(fù)現(xiàn)控制，路譜波形再現(xiàn)過程與地震波形等瞬態(tài)歷程再現(xiàn)過程相似，亦通過采用閉環(huán)迭代控制算法實現(xiàn)試驗系統(tǒng)傳遞函數(shù)與驅(qū)動信號的實時更新，其具體實現(xiàn)過程：

（1）系統(tǒng)傳遞函數(shù)辨識。小量級白噪聲信號（人工信號）d0（t）作為驅(qū)動信號激勵液壓振動臺，同時，測量液壓振動臺的響應(yīng)信號：加速度信號a0（t），由激勵信號和響應(yīng)信號通過式（1）辨識系統(tǒng)傳遞函數(shù)H0（ω）。

（2）求取驅(qū)動信號。將參考信號分為若干幀，并計算每一幀參考信號的頻譜，分別為R1（ω）、R2（ω），…，Rn（ω），通過第一幀參考信號的頻譜R1（ω）及初始傳遞函數(shù)H0（ω）計算驅(qū)動譜D1（ω），經(jīng)IFFT變化后得到系統(tǒng)的第一幀驅(qū)動信號d1（t）。

（3）更新系統(tǒng)傳遞函數(shù)。正式試驗中，由驅(qū)動信號d1（t）激勵液壓振動臺系統(tǒng)，并測量系統(tǒng)響應(yīng)信號a1（t），通過式（1）重新計算系統(tǒng)傳遞函數(shù)H1（ω）。

（4）求取下一幀驅(qū)動信號。由下一幀參考信號的頻譜R2（ω），以及第（3）步中更新過的系統(tǒng)傳遞函數(shù)H1（ω），計算下一幀驅(qū)動信號d2（t）。

（5）控制信號平滑連接［14－15］。采用平滑連接方法連接兩幀控制信號，隨著試驗進行，實現(xiàn)整個波形再現(xiàn)過程控制信號的平滑連接。

（6）重復(fù)（3）、（4）、（5），通過傳遞函數(shù)及控制信號的實時更新，實現(xiàn)整個路譜參考波形的高精度復(fù)現(xiàn)。

路譜仿真等長時間歷程復(fù)現(xiàn)的控制過程略不同于地震波形再現(xiàn)等瞬態(tài)沖擊過程，主要體現(xiàn)在：參考信號的頻譜是隨著試驗過程不斷更新的，即R1（ω）、R2（ω），…，Rn（ω），直到試驗結(jié)束；不同的頻譜下系統(tǒng)的控制信號是不同的，控制信號之間需要進行平滑連接，從而實現(xiàn)整個時間范圍內(nèi)的控制波形再現(xiàn)。路譜仿真的實現(xiàn)流程圖如圖7所示。

圖7 路譜仿真流程圖Fig.7 The flow diagram of road spectrum simulation

3 控制器振動試驗分析

圖8 三級閥控液壓振動臺試驗系統(tǒng)Fig.8 The test system of the 3－stage servo valve controlled hydraulic shaker

本文基于雙PID伺服控制算法及振動波形再現(xiàn)控制理論，設(shè)計了如圖1所示的液壓振動臺一體式控制器，結(jié)合液壓振動臺良好的低頻特性，搭建如圖8所示的三級閥控液壓振動臺試驗系統(tǒng)，液壓振動臺三級閥頻響200 Hz以上，伺服油缸為MTS油缸，為減小油缸的運動摩擦力，油缸采用靜壓軸承支撐，振動臺的具體參數(shù)如表1所示。

表1 液壓振動臺參數(shù)Tab.1 The parameters of the hyd raulic shaker.

3.1 地震波形再現(xiàn)試驗

地震波形再現(xiàn)試驗中，控制器通過對系統(tǒng)傳遞函數(shù)的實時更新，實現(xiàn)驅(qū)動信號的更新，試驗中分別選取EI-Centro典型地震波和GR－63標準試驗地震波對控制器的控制效果進行試驗分析，參考波形（目標譜）的有效頻寬在50 Hz以下，試驗控制波形曲線分別如圖9、10虛線所示。

圖9 EI-Centro地震波形再現(xiàn)Fig.9 EI-Centro seismic waveform replication

圖10 GR－63標準地震波形再現(xiàn)Fig.10 GR－63－Core seismic waveform replication

時域波形再現(xiàn)控制中，控制波形與參考波形（目標曲線）的相關(guān)性用相關(guān)系數(shù)表示，地震波形再現(xiàn)試驗中，EI-Centro地震波形再現(xiàn)控制曲線的相關(guān)系數(shù)達到94.7%，而GR－63標準地震波形再現(xiàn)控制曲線的相關(guān)系數(shù)達到93.5%，試驗表明一體式控制器對三級閥控液壓振動臺具有高精度的波形控制能力。

3.2 路譜仿真試驗

路譜仿真試驗中，由于參考波形時間歷程較長，因此需要將參考波形分成多幀信號進行處理，參考信號隨著時間歷程不斷遞進更迭，驅(qū)動信號亦不斷發(fā)生變化。試驗中參考波形選取公路實測的一段路譜波形（如圖11），預(yù)處理后路譜波形總時長約為10min，有效頻寬在100 Hz以下，三級閥控液壓振動臺路譜仿真試驗的控制波形如圖12虛線所示，圖12中顯示一幀試驗路譜波形，當前幀控制波形與參考波形的相關(guān)系數(shù)達到94.2%。

圖11 試驗路譜波形Fig.11 The testing road spectrum

圖12 路譜仿真試驗控制波形Fig.12 The controlwaveform in a road spectrum simulation

路譜仿真試驗結(jié)果說明，對于長時間歷程信號，一體式控制器對三級閥控液壓振動臺仍具有很好的控制效果，能夠有效控制液壓振動臺的輸出波形，從而實現(xiàn)高精度的波形再現(xiàn)。

4 結(jié) 論

大流量液壓振動臺通過三級電液伺服閥進行流量控制，控制過程復(fù)雜，需要分別對三級電液伺服閥和伺服油缸進行伺服控制，并在伺服控制的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)對伺服油缸的高精度振動控制。本文針對三級閥控液壓振動臺設(shè)計了一體式液壓振動臺控制器，能夠同時實現(xiàn)液壓振動臺的底層伺服控制及上層振動控制功能，伺服控制中提出了一種基于雙PID校正的伺服控制策略，振動控制中，重點研究了液壓振動臺在波形再現(xiàn)中的控制應(yīng)用，并分別針對地震波形再現(xiàn)過程（瞬態(tài)時程）和路譜仿真過程（長時間歷程）設(shè)計了閉環(huán)迭代控制算法。最后，通過不同時程的波形再現(xiàn)試驗，驗證了一體式控制器對三級閥控液壓振動臺的控制效果，表明一體式控制器對液壓振動臺具有很好的波形控制能力，實現(xiàn)液壓振動臺高精度的波形再現(xiàn)。

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Control strategy for a hydraulic shaker controlled with a 3-stage electro-hydraulic servo valve

LUAN Qiang-li1，CHEN Zhang-wei1，HE Hui-nong2
（1.The State Key Lab of Fluid Power Transm ission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；
2.Hangzhou ECON Science and Technology Co.，LTD，Hangzhou 310015，China）

The control strategy for a hydraulic shaker controlled with a 3-stage electro-hydraulic servo valve was studied here.An integrated controller was designed for a large-flow hydraulic shaker.The controller could simultaneously realize servo controland vibration control functionsof the hydraulic shaker.In the process of the servo control，a dual-PID servo-control strategy was presented for the 3-stage electro-hydraulic servo valve and the servo cylinder.In the process of the vibration control，aiming at the good low-frequency characteristics of the hydraulic shaker，a waveform replication method based on a closed-loop iterative control was designed.Through the waveform replication tests with different time histories and different bandwidths on the hydraulic shaker controlled with the integrated controller，it indicated that the controller has a strong waveform control ability to achieve a high-precision waveform replication on the hydraulic shaker.

hydraulic shaker；3-stage electro-hydraulic servo valve；seismic waveform replication；road spectrum simulation

TB534；TH137

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.023

2013－10－09 修改稿收到日期：2013－12－04

欒強利男，博士生，1984年生

陳章位男，教授，博士生導(dǎo)師，1965年生