三轴六自由度液压振动台伺服控制系统仿真GF-A0092220G

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引言
三轴六自由度液压振动台（以下简称六自由度振动台）系统广泛地应用于地震模拟、 汽车运输、多轴环境振动试验等方面。用于这几方面的三轴六自由度液压振动台系统大体 组成是相同的，但是也有所区别，用于地震模拟的振动台要求大承载力，相应地频率范围 窄一些；而环境试验用的振动台，承载能力小一些，要求的频率范围也高一些。 伺服控制系统是三轴六自由度振动台系统的核心。近年来，数字伺服控制系统在新设 计的振动台系统上得到应用，基于上述原因，开展三轴六自由度液压振动台伺服控制系统 （以下简称伺服控制系统）分析与研究，将有助于深入了解三轴六自由度液压振动台系统 的工作原理及控制算法，掌握伺服控制参数设置方法，提高多轴振动台的试验技术水平。
审查专家签字：
胡绍全 （研究员） 2006 年 03 月 29 日
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G F 编 号: GF-A0092220G 部门编号: ZW-D-2005049 基层编号: 904-ZH-0514
分类号:1201
中国国防科学技术报告
三轴六自由度液压振动台伺服控制系 统仿真
Simulation on the servo control system of three aixs six DOF hydraulic shaker
中国工程物理研究院总体工程研究所
2006-03-02
辑 要 页
密级: GF 报告题名 GF 编 号 部门编号 基层编号 总 页 数 完成单位 叙 词 三轴六自由度液压振动台伺服控制系统仿真 GF-A0092220G ZW-D-2005049 904-ZH-0514 16 中国工程物理研究院总体工 程研究所 报告密级 分 类 号 作者（学衔或 技术职称） 审查批准人(学衔 职务或技术职称) 公开 1201 严侠（工程 师） 胡绍全（研究 员）
翻译： 严侠 审校： 牛宝良
2源自文库
目
次
引言 ..................................................................................................................................................1 1 三轴六自由度振动台组成及工作原理 ........................................................................................1 2 伺服控制系统 ...............................................................................................................................2 2.1 自由度独立控制 .........................................................................................................................2 2.2 三状态控制 ................................................................................................................................4 2.3 三状态输入设计.........................................................................................................................7 2.4 内力解耦（力平衡控制）.........................................................................................................8 2.5 伺服控制系统整体模型 .............................................................................................................9 3 仿真实例........................................................................................................................................9 结论 ................................................................................................................................................ 11
GF 报告审定表
完成单位 中国工程物理研究院总体工程研究所 联 系 人 黄蓉 通信地址 四川绵阳 919 信箱 418 邮政编码 621900 电 话 0816－2484477 传 真 0816－2281485 电子邮件 项目性质 A. 装备科研计划（合同）项目； √B. 装备科研计划（合同）外项目 计划（合同）项目名称 面上基金“三轴向六自由度液压振动控制算法研究与验证 计划（合同）项目编号 20050326 计划（合同）项目应交报告共4 篇 第2 篇 完成日期 2006-03-02 报告题名 三轴六自由度液压振动台伺服控制系统仿真 总 页 数 16 作者（学衔、职称） 严侠（工程师） 报告密级 公开 保密期限 制发日 备注 技术内容审查意见： 904-ZH基层编号 0514 该文对六自由度液压振动台所采用的 8 个激振器所组成的伺服控制系 统从基本原理、设计方法到仿真模型建立和仿真进行了分析，论证了伺服 控制策略的有效性。该文技术内容完整，对于多自由度振动台的理解和伺 服控制系统的设计开发有一定价值。 报告完成单位审查意 见 形式审查意见： 审查合格 GF 报告管理人员签字： 黄蓉 2006 年 03 月 29 日 部门编号 ZW-D-2005049 审理意见： F G F G 部门 报告管 理 机构审 理意 见 总装 报告管 理 办公室审 理意 见 GF 编号 GF-A0092220G 审理意见：
摘要： 本文详细分析了三轴六自由度液压振动台系统的伺服控制策略，通过对自由度 独立控制原理、三状态控制、三状态输入以及内力解耦等控制方法的研究，设计出 了伺服控制系统的仿真模型。仿真结果表明，所设计的伺服控制器正确有效，通过 合理设计三状态控制器的结构和参数，能够使振动台系统达到较高的频宽，且有很 好的稳定性。
关键词:
三轴向六自由度，液压伺服控制，自由度独立控制，三状态控制 完成日期: 2006-03-02
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英文摘要： This paper analyses the servo control scheme of the three aixs and six- DOF hydraulic shaker in detail. By studying the servo control system technique,which includes the freedom independently control,the three state control,the three state input loop and force banlance control,the servo system model is built by the Simulink tools in MATLAB .The simulation result shows that the servo controller is effective to the shaker,and the frequency band and statility of the shaker can be improved by the three state feedback and feedforward controller.
1 三轴六自由度振动台组成及工作原理
某三轴六自由度液压振动试验系统的结构框图如图 1 所示，系统组成包括数字振动控 制器和振动台系统。振动台系统又可分为机械系统、液压激振系统和伺服控制系统。机械 系统由台体、上铰支座、下铰支座组成，其示意图如图 2 所示，可以在三个轴线方向直线 运动，也可以绕三个轴线转动，共计六个自由度。液压激振系统由三级伺服阀和液压缸组 成，共有八套（水平 X、Y 向各两套，垂直 Z 向四套）。伺服控制系统硬件由实时控制计算 机、位移传感器和加速度传感器组成，软件由操作系统和专用伺服控制软件组成。本文将 重点阐述伺服控制系统的原理及控制方法。 数字振动控制器的主要功能是，根据六自由度试验条件计算出参考信号，并产生时域 驱动信号，根据反馈加速度计算相应的谱，并与参考谱比较，根据比较误差更新时域驱动 信号，以使平台控制点振动信号逼近参考信号。如果是波形再现，则控制过程中直接是时 域幅值的比较，不必计算谱。 伺服控制系统主要功能是实现振动台的位置闭环控制。它可以看作是一个随动系统， 能对数字控制器的输出作快速响应。内回路的三状态（位移，速度和加速度）反馈，保证 液压激振系统的稳定和快速响应；液压激振系统的动力由液压动力源提供。
[1] [2]
2
振动台是一个二次静不定系统。若采用每个伺服激振系统独立控制而实现振动台六个 自由度的运动是很困难的。为此在振动台控制系统设计上，提出了自由度独立控制的思 想。取台体几何中心为控制点，定义六个自由度的控制变量：
5－被试件
6－台体
2 伺服控制系统
电液伺服控制系统是最常见的液压控制系统，对于单轴液压伺服系统其控制方式一般 采用阀控的电液位置反馈控制。对于三轴六自由度液压振动台，把台体看做一个刚体，要 控制六个自由度。该系统有八个激振器，对于伺服控制而言是 6 输入 8 输出的，其控制方 法为二次静不定系统。为此，在控制方法上必须采用多种控制方法以改善系统的稳定性， 提高系统频宽，其方法主要包括自由度独立控制 、三状态控制 ，三状态输入以及内力 解耦等。 自由度独立控制，设计的振动台由八套激振系统驱动，即有八个被控量。而对一个刚 体言，只有六个独立的方程（六个自由度），因此振动台是二次静不定系统。对于这样的 系统，要想实现八套激振器的独立控制是很难的。为此，在伺服控制中采用自由度独立控 制方法。即将八个被控量转换成对六个自由度变量的控制，分别为沿 X、Y、Z 的平动和绕 X、Y、Z 的转动。振动台按这六个自由度变量进行独立控制。 三状态控制，由于振动台的激振系统为电液位置伺服系统，其频宽较低并且阻尼比较 小（存在油柱共振峰），为实现加速度控制和提高系统频宽与稳定性，采用基于极点配置 的三状态控制策略。 三状态输入，三状态控制器的设计是基于位置闭环控制方式，而振动台系统要求的是 加速度控制方式，因此需要将加速度给定信号转换成位置给定信号，即对加速度信号经由 二阶积分环节，得到位置输入信号，并以此作为三状态控制的输入。 内力解耦也称力平衡控制，振动台在安装过程中或处于工作中位时，各激振器之间存 在着内力耦合。因此，采用了差动抑制的方法来控制各个激振器输出量，以减小或消除激 振器间的内力耦合，提高振动台的稳定性。 2.1 自由度独立控制
振动台系统 三状态反馈 参考加速度信号 数字控制器 电液伺服控制 系统 电液伺服阀 作动器 平台及试件
控制点加速度反馈
图 1 三轴向六自由度液压振动试验系统结构框图
1
5 1 2
x1
y2
x2
试件 台体
6
oz 2
y1
oz 4
3
o z1
oz 3
4
1- 伺服阀
2－ 液压缸
3－ 上铰支座 4－ 下铰支座 图 2 振动台示意图