三級閥控液壓振動臺控制策略研究

欒強利，陳章位，賀惠農

（1.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，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2

（1.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，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的研究，設計了應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計了基于閉環迭代控制的波形再現控制方法。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，實現液壓振動臺高精度波形再現。

液壓振動臺；三級電液伺服閥；地震波形再現；路譜仿真

液壓振動臺具有良好的低頻特性，低頻狀態下能夠實現大位移，大推力運動，因此廣泛應用于土木工程、海洋結構工程以及航空航天等對試件結構低頻性能有特殊要求的領域。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鍵環節，直接決定了液壓振動臺系統的工作性能，影響液壓振動臺的響應速度及其控制穩定性。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節，實現液壓振動臺的復雜運動控制功能，如液壓振動臺的地震波形再現，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，因而應用于許多流量較大的設備和結構中，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鍵環節，主要采用兩種結構類型：一種采用嵌入式結構，即伺服閥功率放大器集成于三級閥中，如Moog791、792伺服閥；一種采用獨立式結構，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行部件，可根據振動試驗要求執行相關的運動。目前，市場上對一套振動試驗系統即液壓振動臺的控制，需要專門購買相關型號的伺服閥放大器（如Moog122放大器），以及相關的伺服控制器（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象時有發生，而且一旦出現控制故障，往往需要較為復雜的檢測程序，因此，設計一套應用于液壓振動試驗系統的一體式控制器，對于簡化液壓系統的調試程序，提高振動試驗系統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的研究，設計了基于雙PID伺服控制基礎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現一些復雜的控制波形。

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位移傳感器實現三級閥閥芯的位移可控，從而實現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閥和一級功率滑閥串聯而成，先導閥是一個小流量高響應的二級電液伺服閥，大流量三級閥普遍采用雙噴嘴擋板閥作先導閥，三級電液伺服閥通過一級先導閥驅動一級功率放大滑閥，雙噴嘴擋板式三級閥的結構原理如圖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測控制［5－7］。

伺服閥控制作為液壓振動臺伺服控制的基礎環節，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，為實現三級閥閥芯的位移可控，本文設計了一種基于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閥驅動功率滑閥，滑閥閥芯位移信號經過負反饋，形成閉環控制回路，三級閥PID功率放大器能夠實現對閥芯位移的準確控制。

圖2 三級電液伺服閥結構原理圖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速度，要求三級閥的PID控制環節具有較高的量級，同時，充分考慮到油壓對閥芯位移控制的影響，三級閥的PID參數調節過程中，保證閥芯位移響應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，本文針對三級閥控液壓振動臺，在三級閥伺服控制基礎上（圖3），設計了一種雙PID液壓伺服控制算法，其控制原理如圖4所示，其中，內層PID功率放大器實現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，因此伺服油缸動態響應速度慢，PID控制參數較三級閥閥芯PID控制參數，相差達到一個數量級，同時，考慮到系統油壓對伺服油缸響應速度的影響，在系統低壓運行環境下，伺服油缸的位移響應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上，通過上層振動控制液壓振動臺可以完成一系列復雜的運動控制功能，如波形再現試驗，隨機振動試驗，正弦振動試驗等［8－11］，其中，波形再現試驗的兩個典型應用分別為地震模擬試驗（瞬態沖擊）和路譜仿真試驗（長時間歷程復現）［11－14］。三級閥控液壓振動臺波形再現試驗的控制原理如圖5所示，通過閉環迭代控制算法實現高精度的波形再現控制。

圖5 三級閥控液壓振動臺波形再現控制原理圖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

地震波形再現屬于瞬態歷程復現的范疇，通過閉環迭代控制算法實現液壓振動臺地震波形再現，波形再現控制過程中，閉環迭代控制算法通過對液壓振動臺伺服系統傳遞函數的不斷更新，實現驅動信號更新，其具體實現過程：

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

其中：D0（ω）為系統驅動信號的頻譜；A0（ω）為系統測量加速度信號a0（t）的頻譜。

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

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

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

（5）重復第（3）、（4）步，經過傳遞函數的多次均衡，系統傳遞函數更加準確，使得系統的輸出控制波形更加逼近參考波形，從而實現液壓振動臺高精度波形控制。

上述閉環迭代控制具體實現過程的流程圖如圖6所示，其中，驅動信號更新過程中，參考信號波形保持不變，為瞬態歷程波形。

圖6 地震波形再現流程圖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現控制，路譜波形再現過程與地震波形等瞬態歷程再現過程相似，亦通過采用閉環迭代控制算法實現試驗系統傳遞函數與驅動信號的實時更新，其具體實現過程：

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

（2）求取驅動信號。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H0（ω）計算驅動譜D1（ω），經IFFT變化后得到系統的第一幀驅動信號d1（t）。

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

（4）求取下一幀驅動信號。由下一幀參考信號的頻譜R2（ω），以及第（3）步中更新過的系統傳遞函數H1（ω），計算下一幀驅動信號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，實現整個波形再現過程控制信號的平滑連接。

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

路譜仿真等長時間歷程復現的控制過程略不同于地震波形再現等瞬態沖擊過程，主要體現在：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），直到試驗結束；不同的頻譜下系統的控制信號是不同的，控制信號之間需要進行平滑連接，從而實現整個時間范圍內的控制波形再現。路譜仿真的實現流程圖如圖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控制理論，設計了如圖1所示的液壓振動臺一體式控制器，結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，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，振動臺的具體參數如表1所示。

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

3.1 地震波形再現試驗

地震波形再現試驗中，控制器通過對系統傳遞函數的實時更新，實現驅動信號的更新，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Fig.9 EI-Centro seismic waveform replication

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

時域波形再現控制中，控制波形與參考波形（目標曲線）的相關性用相關系數表示，地震波形再現試驗中，EI-Centro地震波形再現控制曲線的相關系數達到94.7%，而GR－63標準地震波形再現控制曲線的相關系數達到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，驅動信號亦不斷發生變化。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系數達到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，從而實現高精度的波形再現。

4 結 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上，進一步實現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計了一體式液壓振動臺控制器，能夠同時實現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中的控制應用，并分別針對地震波形再現過程（瞬態時程）和路譜仿真過程（長時間歷程）設計了閉環迭代控制算法。最后，通過不同時程的波形再現試驗，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，實現液壓振動臺高精度的波形再現。

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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，博士生導師，1965年生