R500B大型土工離心機雙向振動臺控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

宋獻慧，侯瑜京，梁建輝

(中國水利水電科學研究院離心模擬實驗室，北京 100048)

1 R500B離心機振動臺

中國水利水電科學研究院大型土工離心模擬試驗室，于2010年12月建成一臺大型水平垂直雙向離心機振動臺R500B(圖1)。經(jīng)過調(diào)試，目前可以在80 g的離心加速度下運行振動臺。表1為離心機振動臺的主要技術參數(shù)。

圖1 IWHR大型土工離心機及懸掛的R500B振動臺和吊籃Fig.1 IWHR centrifuge and R500B biaxial centrifuge shaker and basket

振動臺的控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋模擬信號控制，通過探測安裝在振動臺的位移傳感器以及量測伺服閥的壓力差反饋調(diào)節(jié)振動參數(shù)，控制振動。動力離心模型試驗需要高速、穩(wěn)定、抗干擾能力強的信號轉換、傳輸和處理系統(tǒng)。隨著科技水平的發(fā)展，信號的傳輸已經(jīng)由原來單一的滑環(huán)系統(tǒng)，發(fā)展到現(xiàn)在的光電信號傳輸系統(tǒng)、無線數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)，或幾種系統(tǒng)的組合。本套振動臺系統(tǒng)即采用光纖傳輸或內(nèi)網(wǎng)無線傳輸?shù)姆椒ㄟM行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器為美國國家儀器有限公司(NI)的產(chǎn)品。在靜力試驗過程中數(shù)據(jù)采集頻率為1～100 Hz，模擬地震條件下，數(shù)采頻率為5 000 Hz/通道。數(shù)據(jù)采集通道為128個。

表1 R500B離心機振動臺主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the R500B centrifuge shaker

2 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 控制原理

振動臺控制和數(shù)據(jù)采集軟件SUPERDANCE是基于Labview操作環(huán)境編寫而成，允許用戶根據(jù)自己的要求設定振動試驗參數(shù)，進行數(shù)據(jù)采集。SUPERDANCE首先發(fā)給振動臺一個低通信號，從振動臺得到實際的反饋，然后用得到的結果進行快速傅里葉變換，與預期得到的信號進行對比，建立傳遞函數(shù)，最后用逆?zhèn)鬟f函數(shù)再去修正輸入信號，將修正的信號重新發(fā)給振動臺。這樣將得到一個相對之前更加理想的結果。由于非線性、噪聲以及設備本身的諸多影響，上述過程要重復數(shù)次，最終可以得到一個接近預期信號的理想反饋結果。

SUPERDANCE相對于其他一些數(shù)據(jù)采集軟件的優(yōu)勢，在于它的“均衡”功能。SUPERDANCE可以通過以往試驗的數(shù)據(jù)知道初始信號的失真程度。在實際的振動臺振動中，信號都會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，這是由于振動臺本身和振動臺伺服控制系統(tǒng)性能上的限制，以及振動臺驅動器具有非線性的特性等原因。所以，SUPERDANCE可以從先前的試驗數(shù)據(jù)中得到有用的信息，進行補償均衡，最終經(jīng)過多次均衡的操作，得到一組最接近初始設計參數(shù)的設定值。正像經(jīng)常使用的音響，為了使得音樂聽起來更動聽，得到更好的音色，我們經(jīng)常要調(diào)節(jié)均衡器，盡量排除房間本身帶來的噪聲等影響，SUPERDANCE的“均衡”功能與其十分相似。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器NI共128個通道，為了滿足各種類型傳感器的測量又配備了響應的放大器以滿足孔隙水壓力、位移、土壓力、應變等的測量。并且NI也為不同的電壓輸入需要設置了響應的通道。

振動臺是個復雜的系統(tǒng)，有些故障需要在振動臺啟動之前進行檢測并排除，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)專門設定了一個裸線測試連接來方便確定故障的根源。裸線測試就是直接連接信號輸入端和NI輸入通道，不與振動臺相連，如果裸線測試通過，那么證明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分沒有問題;如果裸線測試有問題，那么可以在數(shù)據(jù)采集端尋找故障。圖2，圖3是裸線測試與正常試驗的原接線圖對比。

圖2 振動試驗的接線示意圖Fig.2 Wire connection of normal vibration test

2.3 SUPERDANCE 軟件

圖3 裸線測試接線示意圖Fig.3 Connection of bare wire test

圖4 SUPERDANCE軟件工作流程圖Fig.4 Work flow of software SUPERDANCE

圖5 SUPERDANCE主頁面Fig.5 Homepage of SUPERDANCE

圖4是數(shù)據(jù)采集軟件SUPERDANCE的工作流程。圖5是SUPERDANCE的主頁面，從上面我們可以看到還包括很多下級菜單，現(xiàn)在主要將其介紹如下:首先，將試驗用波(藍色波形)載入 SUPERDANCE，為水平和垂直的振動器分別設定參數(shù)，低通和高通的濾波值設定很重要，因為設定得不夠準確的話容易帶來噪聲干擾。在振動臺限制上也要做相應設定，在這里可以選擇單向振動或雙向振動，如果選擇單向振動的話可以選擇水平單向或垂直單向振動。

在運行振動臺之前，必須要完成“均衡”操作，因為設定信號和實際得到信號要吻合得很好才能進行振動試驗。所以在做振動試驗之前，下面的2個步驟必須要完成:在不同方向上對振動臺做均衡操作，得到一個合適的傳遞函數(shù);根據(jù)這個得到的傳遞函數(shù)來進行振動操作。再將上面介紹的菜單都輸入設定值后，進行振動操作，之后存儲數(shù)據(jù)。

對于不同的傳感器，率定系數(shù)等參數(shù)都在自定義一欄中來完成，SUPERDANCE在接到數(shù)據(jù)后會自動按照相關的率定系數(shù)進行實時采集并換算，在得到全部數(shù)據(jù)后，還可以看到不同通道的采集情況。

此外，除了采集振動試驗數(shù)據(jù)這個最重要的功能外，SUPERDANCE本身還有很多對于數(shù)據(jù)處理的功能，可以隨時方便地對信號做各種處理。SUPERDANCE包括一些下級菜單，以方便振動臺的調(diào)試和安全設定。圖6給出振動臺限制的設定界面，其中包括加速度限制、速度限制、位移限制、驅動電壓限制等。

圖6 振動臺限制設定Fig.6 Setting of centrifuge shaker limits

2.4 基本試驗操作過程

在這里通過一個例子來解釋整個試驗的操作過程。試驗內(nèi)容是模擬土石壩遭受地震的狀況。

試驗步驟如下:①需要檢查液壓泵站HPS的溫度，低于100℃時開啟加熱系統(tǒng);②連接液壓旋轉接頭;③預熱離心機;④當HPS油溫達到150℃以上時，先在低壓下打開HPS，等待5 min，后打開高壓;⑤開啟振動臺伺服控制器電源UPS;⑥進行裸線測試;⑦連接作動器;⑧啟動振動和平衡監(jiān)測系統(tǒng);⑨開啟離心機到指定的加速度，先在10 g下檢測離心機的平衡，如果傳感器峰值小于10 mV，相位差180度，則離心機最大可以運行到80 g;⑩當離心機到達預定的加速度，再次檢查應變計讀數(shù)，峰值不應超過100 mV，否則需要調(diào)整配重或試驗的頻率，以避免共振;?啟動振動臺臺面的液壓支撐系統(tǒng)，先鎖定伺服閥，開啟油泵;?當傳感器讀數(shù)為0.0 V時，關閉保壓系統(tǒng)油泵;?開啟軟件系統(tǒng)，調(diào)入一個時長3 s的汶川地震振動波，檢查所有的參數(shù)，通常振動臺需要輸入較小的振動以便調(diào)整傳遞函數(shù);?進行正式試驗;?得到反饋波形，與輸入波形進行比較(見圖7)，確認振動臺試驗結束后，存儲數(shù)據(jù);?離心機減速;?當離心機減速到30～40 g時，可以卸掉振動臺面支撐系統(tǒng)的壓力，同時保持油泵開啟;?離心機停機;?停機后關閉油泵系統(tǒng);?關閉電源并檢查整個機械和油路系統(tǒng)。

圖7 輸入波形與返回波形對比Fig.7 Comparison of input wave and returned wave

圖7中，藍色的波是輸入波形，紅色的波是返回波形，我們可以看到，二者基本吻合，這證明我們的試驗很成功，通過對數(shù)采數(shù)據(jù)的分析，也證明這套數(shù)采系統(tǒng)可以很好地在高速離心機運轉中工作。

3 結語

R500B大型土工離心機振動臺是世界上第1個具有垂直和水平振動功能的大型離心機振動臺，由于需要在高速旋轉的離心機中完成振動臺的控制和信號的采集，因此系統(tǒng)設備比較復雜，還需要不斷地積累經(jīng)驗，且隨著各類不同試驗的具體要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也需要進一步完善升級。

［1］Anco Engineers Inc.Superdance User’s Guide［K］.USA，2010.

［2］中國水利水電科學研究院.離心機動力模擬試驗系統(tǒng)研制［R］.北京:中國水利水電科學研究院，2010.(China Institute of Water Resources and Hydropower Research.Development of Dynamic Modeling System of Centrifuge［R］.Beijing:China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2010.(in Chinese))