R500B大型土工离心机双向振动台控制及数据采集系统

宋献慧，侯瑜京，梁建辉

(中国水利水电科学研究院离心模拟实验室，北京 100048)

1 R500B离心机振动台

中国水利水电科学研究院大型土工离心模拟试验室，于2010年12月建成一台大型水平垂直双向离心机振动台R500B(图1)。经过调试，目前可以在80 g的离心加速度下运行振动台。表1为离心机振动台的主要技术参数。

图1 IWHR大型土工离心机及悬挂的R500B振动台和吊篮Fig.1 IWHR centrifuge and R500B biaxial centrifuge shaker and basket

振动台的控制系统采用闭环反馈模拟信号控制，通过探测安装在振动台的位移传感器以及量测伺服阀的压力差反馈调节振动参数，控制振动。动力离心模型试验需要高速、稳定、抗干扰能力强的信号转换、传输和处理系统。随着科技水平的发展，信号的传输已经由原来单一的滑环系统，发展到现在的光电信号传输系统、无线数字信号传输系统，或几种系统的组合。本套振动台系统即采用光纤传输或内网无线传输的方法进行数据采集。数据采集器为美国国家仪器有限公司(NI)的产品。在静力试验过程中数据采集频率为1～100 Hz，模拟地震条件下，数采频率为5 000 Hz/通道。数据采集通道为128个。

表1 R500B离心机振动台主要技术参数Table 1 Main technical parameters of the R500B centrifuge shaker

2 控制及数据采集系统

2.1 控制原理

振动台控制和数据采集软件SUPERDANCE是基于Labview操作环境编写而成，允许用户根据自己的要求设定振动试验参数，进行数据采集。SUPERDANCE首先发给振动台一个低通信号，从振动台得到实际的反馈，然后用得到的结果进行快速傅里叶变换，与预期得到的信号进行对比，建立传递函数，最后用逆传递函数再去修正输入信号，将修正的信号重新发给振动台。这样将得到一个相对之前更加理想的结果。由于非线性、噪声以及设备本身的诸多影响，上述过程要重复数次，最终可以得到一个接近预期信号的理想反馈结果。

SUPERDANCE相对于其他一些数据采集软件的优势，在于它的“均衡”功能。SUPERDANCE可以通过以往试验的数据知道初始信号的失真程度。在实际的振动台振动中，信号都会产生失真现象，这是由于振动台本身和振动台伺服控制系统性能上的限制，以及振动台驱动器具有非线性的特性等原因。所以，SUPERDANCE可以从先前的试验数据中得到有用的信息，进行补偿均衡，最终经过多次均衡的操作，得到一组最接近初始设计参数的设定值。正像经常使用的音响，为了使得音乐听起来更动听，得到更好的音色，我们经常要调节均衡器，尽量排除房间本身带来的噪声等影响，SUPERDANCE的“均衡”功能与其十分相似。

2.2 数据采集器

数据采集器NI共128个通道，为了满足各种类型传感器的测量又配备了响应的放大器以满足孔隙水压力、位移、土压力、应变等的测量。并且NI也为不同的电压输入需要设置了响应的通道。

振动台是个复杂的系统，有些故障需要在振动台启动之前进行检测并排除，数据采集系统专门设定了一个裸线测试连接来方便确定故障的根源。裸线测试就是直接连接信号输入端和NI输入通道，不与振动台相连，如果裸线测试通过，那么证明数据采集系统部分没有问题;如果裸线测试有问题，那么可以在数据采集端寻找故障。图2，图3是裸线测试与正常试验的原接线图对比。

图2 振动试验的接线示意图Fig.2 Wire connection of normal vibration test

2.3 SUPERDANCE 软件

图3 裸线测试接线示意图Fig.3 Connection of bare wire test

图4 SUPERDANCE软件工作流程图Fig.4 Work flow of software SUPERDANCE

图5 SUPERDANCE主页面Fig.5 Homepage of SUPERDANCE

图4是数据采集软件SUPERDANCE的工作流程。图5是SUPERDANCE的主页面，从上面我们可以看到还包括很多下级菜单，现在主要将其介绍如下:首先，将试验用波(蓝色波形)载入 SUPERDANCE，为水平和垂直的振动器分别设定参数，低通和高通的滤波值设定很重要，因为设定得不够准确的话容易带来噪声干扰。在振动台限制上也要做相应设定，在这里可以选择单向振动或双向振动，如果选择单向振动的话可以选择水平单向或垂直单向振动。

在运行振动台之前，必须要完成“均衡”操作，因为设定信号和实际得到信号要吻合得很好才能进行振动试验。所以在做振动试验之前，下面的2个步骤必须要完成:在不同方向上对振动台做均衡操作，得到一个合适的传递函数;根据这个得到的传递函数来进行振动操作。再将上面介绍的菜单都输入设定值后，进行振动操作，之后存储数据。

对于不同的传感器，率定系数等参数都在自定义一栏中来完成，SUPERDANCE在接到数据后会自动按照相关的率定系数进行实时采集并换算，在得到全部数据后，还可以看到不同通道的采集情况。

此外，除了采集振动试验数据这个最重要的功能外，SUPERDANCE本身还有很多对于数据处理的功能，可以随时方便地对信号做各种处理。SUPERDANCE包括一些下级菜单，以方便振动台的调试和安全设定。图6给出振动台限制的设定界面，其中包括加速度限制、速度限制、位移限制、驱动电压限制等。

图6 振动台限制设定Fig.6 Setting of centrifuge shaker limits

2.4 基本试验操作过程

在这里通过一个例子来解释整个试验的操作过程。试验内容是模拟土石坝遭受地震的状况。

试验步骤如下:①需要检查液压泵站HPS的温度，低于100℃时开启加热系统;②连接液压旋转接头;③预热离心机;④当HPS油温达到150℃以上时，先在低压下打开HPS，等待5 min，后打开高压;⑤开启振动台伺服控制器电源UPS;⑥进行裸线测试;⑦连接作动器;⑧启动振动和平衡监测系统;⑨开启离心机到指定的加速度，先在10 g下检测离心机的平衡，如果传感器峰值小于10 mV，相位差180度，则离心机最大可以运行到80 g;⑩当离心机到达预定的加速度，再次检查应变计读数，峰值不应超过100 mV，否则需要调整配重或试验的频率，以避免共振;⑪启动振动台台面的液压支撑系统，先锁定伺服阀，开启油泵;⑫当传感器读数为0.0 V时，关闭保压系统油泵;⑬开启软件系统，调入一个时长3 s的汶川地震振动波，检查所有的参数，通常振动台需要输入较小的振动以便调整传递函数;⑭进行正式试验;⑮得到反馈波形，与输入波形进行比较(见图7)，确认振动台试验结束后，存储数据;⑯离心机减速;⑰当离心机减速到30～40 g时，可以卸掉振动台面支撑系统的压力，同时保持油泵开启;⑱离心机停机;⑲停机后关闭油泵系统;⑳关闭电源并检查整个机械和油路系统。

图7 输入波形与返回波形对比Fig.7 Comparison of input wave and returned wave

图7中，蓝色的波是输入波形，红色的波是返回波形，我们可以看到，二者基本吻合，这证明我们的试验很成功，通过对数采数据的分析，也证明这套数采系统可以很好地在高速离心机运转中工作。

3 结语

R500B大型土工离心机振动台是世界上第1个具有垂直和水平振动功能的大型离心机振动台，由于需要在高速旋转的离心机中完成振动台的控制和信号的采集，因此系统设备比较复杂，还需要不断地积累经验，且随着各类不同试验的具体要求，数据采集系统也需要进一步完善升级。

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

［2］中国水利水电科学研究院.离心机动力模拟试验系统研制［R］.北京:中国水利水电科学研究院，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))