三级阀控液压振动台控制策略研究

栾强利，陈章位，贺惠农

（1.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027；2.杭州亿恒科技有限公司，杭州 310015）

三级阀控液压振动台控制策略研究

栾强利1，陈章位1，贺惠农2

（1.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027；2.杭州亿恒科技有限公司，杭州 310015）

对三级阀控液压振动台的控制策略进行了系统的研究，设计了应用于大流量液压振动台的一体式控制器。一体式控制器同时实现液压振动台伺服控制及振动控制功能，伺服控制中，针对三级电液伺服阀和伺服油缸提出一种双PID伺服控制策略，振动控制中，针对液压振动台良好的低频特性设计了基于闭环迭代控制的波形再现控制方法。通过一体式控制器对三级阀控液压振动台进行不同时程、不同频宽的波形再现试验，表明控制器对液压振动台具有很好的波形控制能力，实现液压振动台高精度波形再现。

液压振动台；三级电液伺服阀；地震波形再现；路谱仿真

液压振动台具有良好的低频特性，低频状态下能够实现大位移，大推力运动，因此广泛应用于土木工程、海洋结构工程以及航空航天等对试件结构低频性能有特殊要求的领域。液压振动台的控制主要由伺服控制和振动控制部分组成，伺服控制是液压振动台控制的关键环节，直接决定了液压振动台系统的工作性能，影响液压振动台的响应速度及其控制稳定性。对速度要求较高的液压振动台普遍采用三级电液伺服阀进行速度控制，因此，液压振动台伺服控制包括对三级电液伺服阀的控制以及伺服油缸的控制。振动控制作为液压振动台的上层控制环节，实现液压振动台的复杂运动控制功能，如液压振动台的地震波形再现，路谱仿真，随机振动试验等［1－4］。

三级阀（三级电液伺服阀）具有流量大，频响高等特点，因而应用于许多流量较大的设备和结构中，对速度要求较高的液压振动台普遍采用三级阀进行流量控制［5］。三级阀的控制是液压振动台关键环节，主要采用两种结构类型：一种采用嵌入式结构，即伺服阀功率放大器集成于三级阀中，如Moog791、792伺服阀；一种采用独立式结构，即通过采用专门功率放大器对三级阀（如MTS256伺服阀）进行控制。伺服油缸是液压振动台的执行部件，可根据振动试验要求执行相关的运动。目前，市场上对一套振动试验系统即液压振动台的控制，需要专门购买相关型号的伺服阀放大器（如Moog122放大器），以及相关的伺服控制器（如MTS伺服控制器），而且需要单独购买振动控制器，各控制器之间存在不兼容现象时有发生，而且一旦出现控制故障，往往需要较为复杂的检测程序，因此，设计一套应用于液压振动试验系统的一体式控制器，对于简化液压系统的调试程序，提高振动试验系统的安全性和可靠性具有重要意义。鉴于此，本文通过对三级阀控液压振动台控制技术的研究，设计了基于双PID伺服控制基础上的一体式液压振动台控制器（图1），控制器包括底层控制和上层控制，底层控制实现对液压振动台的伺服控制功能，即液压振动台的三级阀阀芯和伺服油缸的位移控制，上层控制实现对液压振动台的振动控制功能。通过对三级阀控液压振动台进行波形再现试验，表明控制器对液压振动台有很好的控制效果，能够准确控制液压振动台高精度复现一些复杂的控制波形。

图1 一体式液压振动台控制器Fig.1 The integrated controller for the hydraulic shaker

1 液压振动台伺服控制

三级阀控液压振动台伺服控制包括三级阀阀芯位移控制和伺服油缸位移控制，三级阀阀芯位移控制通过阀芯LVDT位移传感器实现三级阀阀芯的位移可控，从而实现液压振动台流量控制，伺服油缸位移控制通过油缸LVDT位移传感器实现伺服油缸的位移可控。

1.1 三级阀阀芯位移控制

三级电液伺服阀是由一级先导阀和一级功率滑阀串联而成，先导阀是一个小流量高响应的二级电液伺服阀，大流量三级阀普遍采用双喷嘴挡板阀作先导阀，三级电液伺服阀通过一级先导阀驱动一级功率放大滑阀，双喷嘴挡板式三级阀的结构原理如图2所示，其中1为一级喷嘴挡板式二级电液伺服阀作先导阀，2为功率放大级滑阀，3为LVDT式位移传感器，功率滑阀的阀芯位移通过LVDT式位移传感器进行监测控制［5－7］。

伺服阀控制作为液压振动台伺服控制的基础环节，其控制性能的好坏将直接影响到伺服阀对伺服油缸的控制效果，为实现三级阀阀芯的位移可控，本文设计了一种基于PID的控制算法，其控制框图如图3所示。来自外部的指令信号通过先导阀驱动功率滑阀，滑阀阀芯位移信号经过负反馈，形成闭环控制回路，三级阀PID功率放大器能够实现对阀芯位移的准确控制。

图2 三级电液伺服阀结构原理图Fig.2 The structure diagram of the 3－stage servo valve

图3 三级电液伺服阀控制原理图Fig.3 The control diagram of the 3－stage servo valve

三级阀的阀芯较伺服油缸具有更快的响应速度，要求三级阀的PID控制环节具有较高的量级，同时，充分考虑到油压对阀芯位移控制的影响，三级阀的PID参数调节过程中，保证阀芯位移响应对输入指令信号具有较小的时间延迟。

1.2 伺服油缸位移控制

伺服油缸作为液压振动台的执行元件，是液压振动台的主要控制元件，也是液压振动台控制效果的直接体现，本文针对三级阀控液压振动台，在三级阀伺服控制基础上（图3），设计了一种双PID液压伺服控制算法，其控制原理如图4所示，其中，内层PID功率放大器实现对液压振动台三级阀阀芯位移的控制，外层PID功率放大器实现对液压振动台伺服油缸的位移控制。

图4 三级阀控液压振动台伺服控制原理图Fig.4 The servo control diagram of the 3－stage servo valve controlled hydraulic shaker

伺服油缸运动过程中，较三级阀阀芯运动，受到较大的阻尼，阻尼主要来自于油缸中存在的摩擦力，因此伺服油缸动态响应速度慢，PID控制参数较三级阀阀芯PID控制参数，相差达到一个数量级，同时，考虑到系统油压对伺服油缸响应速度的影响，在系统低压运行环境下，伺服油缸的位移响应对命令信号具有较大的时间滞后。

2 液压振动台振动控制

液压振动台底层伺服控制基础上，通过上层振动控制液压振动台可以完成一系列复杂的运动控制功能，如波形再现试验，随机振动试验，正弦振动试验等［8－11］，其中，波形再现试验的两个典型应用分别为地震模拟试验（瞬态冲击）和路谱仿真试验（长时间历程复现）［11－14］。三级阀控液压振动台波形再现试验的控制原理如图5所示，通过闭环迭代控制算法实现高精度的波形再现控制。

图5 三级阀控液压振动台波形再现控制原理图Fig.5 The control diagram of the waveform replication on the 3－stage servo valve controlled hydraulic shaker

2.1 地震波形再现

地震波形再现属于瞬态历程复现的范畴，通过闭环迭代控制算法实现液压振动台地震波形再现，波形再现控制过程中，闭环迭代控制算法通过对液压振动台伺服系统传递函数的不断更新，实现驱动信号更新，其具体实现过程：

（1）系统传递函数辨识。小量级白噪声信号（人工信号）d0（t）作为驱动信号激励液压振动台，同时，测量液压振动台的响应信号：加速度信号a0（t），由激励信号和响应信号辨识系统传递函数H0（ω）：

其中：D0（ω）为系统驱动信号的频谱；A0（ω）为系统测量加速度信号a0（t）的频谱。

（2）求取驱动信号。根据参考信号的频谱R（ω）及传递函数H0（ω）计算驱动信号频谱D1（ω），经IFFT变化后求得驱动信号d1（t）。

（3）更新系统传递函数。由第（2）步中得到的驱动信号d1（t）激励液压振动台系统，并测量系统驱动信号下对应的响应信号a1（t），通过式（1）重新计算系统的传递函数H1（ω）。

（4）求取下一帧驱动信号。根据参考信号频谱R（ω）及系统传递函数H1（ω）由式（2）重新求取下一帧驱动信号d2（t）。

（5）重复第（3）、（4）步，经过传递函数的多次均衡，系统传递函数更加准确，使得系统的输出控制波形更加逼近参考波形，从而实现液压振动台高精度波形控制。

上述闭环迭代控制具体实现过程的流程图如图6所示，其中，驱动信号更新过程中，参考信号波形保持不变，为瞬态历程波形。

图6 地震波形再现流程图Fig.6 The flow diagram of seismic waveform replication

2.2 路谱仿真

路谱仿真属于长时间历程复现控制，路谱波形再现过程与地震波形等瞬态历程再现过程相似，亦通过采用闭环迭代控制算法实现试验系统传递函数与驱动信号的实时更新，其具体实现过程：

（1）系统传递函数辨识。小量级白噪声信号（人工信号）d0（t）作为驱动信号激励液压振动台，同时，测量液压振动台的响应信号：加速度信号a0（t），由激励信号和响应信号通过式（1）辨识系统传递函数H0（ω）。

（2）求取驱动信号。将参考信号分为若干帧，并计算每一帧参考信号的频谱，分别为R1（ω）、R2（ω），…，Rn（ω），通过第一帧参考信号的频谱R1（ω）及初始传递函数H0（ω）计算驱动谱D1（ω），经IFFT变化后得到系统的第一帧驱动信号d1（t）。

（3）更新系统传递函数。正式试验中，由驱动信号d1（t）激励液压振动台系统，并测量系统响应信号a1（t），通过式（1）重新计算系统传递函数H1（ω）。

（4）求取下一帧驱动信号。由下一帧参考信号的频谱R2（ω），以及第（3）步中更新过的系统传递函数H1（ω），计算下一帧驱动信号d2（t）。

（5）控制信号平滑连接［14－15］。采用平滑连接方法连接两帧控制信号，随着试验进行，实现整个波形再现过程控制信号的平滑连接。

（6）重复（3）、（4）、（5），通过传递函数及控制信号的实时更新，实现整个路谱参考波形的高精度复现。

路谱仿真等长时间历程复现的控制过程略不同于地震波形再现等瞬态冲击过程，主要体现在：参考信号的频谱是随着试验过程不断更新的，即R1（ω）、R2（ω），…，Rn（ω），直到试验结束；不同的频谱下系统的控制信号是不同的，控制信号之间需要进行平滑连接，从而实现整个时间范围内的控制波形再现。路谱仿真的实现流程图如图7所示。

图7 路谱仿真流程图Fig.7 The flow diagram of road spectrum simulation

3 控制器振动试验分析

图8 三级阀控液压振动台试验系统Fig.8 The test system of the 3－stage servo valve controlled hydraulic shaker

本文基于双PID伺服控制算法及振动波形再现控制理论，设计了如图1所示的液压振动台一体式控制器，结合液压振动台良好的低频特性，搭建如图8所示的三级阀控液压振动台试验系统，液压振动台三级阀频响200 Hz以上，伺服油缸为MTS油缸，为减小油缸的运动摩擦力，油缸采用静压轴承支撑，振动台的具体参数如表1所示。

表1 液压振动台参数Tab.1 The parameters of the hyd raulic shaker.

3.1 地震波形再现试验

地震波形再现试验中，控制器通过对系统传递函数的实时更新，实现驱动信号的更新，试验中分别选取EI-Centro典型地震波和GR－63标准试验地震波对控制器的控制效果进行试验分析，参考波形（目标谱）的有效频宽在50 Hz以下，试验控制波形曲线分别如图9、10虚线所示。

图9 EI-Centro地震波形再现Fig.9 EI-Centro seismic waveform replication

图10 GR－63标准地震波形再现Fig.10 GR－63－Core seismic waveform replication

时域波形再现控制中，控制波形与参考波形（目标曲线）的相关性用相关系数表示，地震波形再现试验中，EI-Centro地震波形再现控制曲线的相关系数达到94.7%，而GR－63标准地震波形再现控制曲线的相关系数达到93.5%，试验表明一体式控制器对三级阀控液压振动台具有高精度的波形控制能力。

3.2 路谱仿真试验

路谱仿真试验中，由于参考波形时间历程较长，因此需要将参考波形分成多帧信号进行处理，参考信号随着时间历程不断递进更迭，驱动信号亦不断发生变化。试验中参考波形选取公路实测的一段路谱波形（如图11），预处理后路谱波形总时长约为10min，有效频宽在100 Hz以下，三级阀控液压振动台路谱仿真试验的控制波形如图12虚线所示，图12中显示一帧试验路谱波形，当前帧控制波形与参考波形的相关系数达到94.2%。

图11 试验路谱波形Fig.11 The testing road spectrum

图12 路谱仿真试验控制波形Fig.12 The controlwaveform in a road spectrum simulation

路谱仿真试验结果说明，对于长时间历程信号，一体式控制器对三级阀控液压振动台仍具有很好的控制效果，能够有效控制液压振动台的输出波形，从而实现高精度的波形再现。

4 结 论

大流量液压振动台通过三级电液伺服阀进行流量控制，控制过程复杂，需要分别对三级电液伺服阀和伺服油缸进行伺服控制，并在伺服控制的基础上，进一步实现对伺服油缸的高精度振动控制。本文针对三级阀控液压振动台设计了一体式液压振动台控制器，能够同时实现液压振动台的底层伺服控制及上层振动控制功能，伺服控制中提出了一种基于双PID校正的伺服控制策略，振动控制中，重点研究了液压振动台在波形再现中的控制应用，并分别针对地震波形再现过程（瞬态时程）和路谱仿真过程（长时间历程）设计了闭环迭代控制算法。最后，通过不同时程的波形再现试验，验证了一体式控制器对三级阀控液压振动台的控制效果，表明一体式控制器对液压振动台具有很好的波形控制能力，实现液压振动台高精度的波形再现。

［1］黄浩华.地震模拟振动台的设计与应用技术［M］.北京：地震出版社，2008.

［2］邱法维，钱稼茹，陈志鹏.结构抗震实验方法［M］.北京：科学出版社，2000.

［3］唐贞云，李振宝，纪金豹，等.地震模拟振动台控制系统的发展［J］.地震工程与工程振动，2009，29（6）：162－169.

TANG Zhen-yun，LI Zhen-bao，JI Jin-bao，et al.Development in shaking table control system［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2009，29（6）：162－169.

［4］杨志东.液压振动台振动环境模拟的控制技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［5］王向周，张先雨，王渝.三级电液伺服阀系统稳定性探讨［J］.液压与气动，2001（7）：9－11.

WANG Xiang-zhou，ZHANG Xian-yu，WANG Yu.The approach to stabililty of the 3－stage servo valve［J］.Chinese Hydraulics and Pneumatics，2001（7）：9－11.

［6］刘小初，叶正茂，韩俊伟.等.基于AMESim软件的三级电液伺服阀建模与仿真［J］.机床与液压，2008，36（11）：135－136，149.

LIU Xiao-chu，YE Zheng-mao，HAN Jun-wei，et al.Modeling and simulation of three-stage electro-hydraulic servo valve based on AMESim［J］.Machine Tool and Hydraulics，2008，36（11）：135－136，149.

［7］刘小初.三级电液伺服阀特性及其控制技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［8］Tagawa Y，Kajiwara K.Controller development for the EDefense shaking table［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part I：Journalof Systems and Control Engineering，2007，221（2）：171－181.

［9］Stoten D P，Shimizu N.The feedforward minimal control synthesis algorithm and its application to the control of shaking-tables［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part I：Journalof Systems and Control Engineering，2007，221（3）：423－444.

［10］Ammanagi S，Poornima V，Sera A，et al.Development of a digitally-controlled three-axis earthquake shake table［J］.Current Science，2006，91（2）：190－203.

［11］邱法维，沙锋强，王刚，等.地震模拟振动台控制技术及软件研究［J］.液压与气动，2011（6）：98－101.

QIU Fa-wei，SHA Feng-qiang，Wang Gang，et al.Shaking table control technology and software research［J］.Chinese Hydraulics and Pneumatics，2011（6）：98－101.

［12］王燕华，程文瀼.地震模拟振动台运动控制性能分析［J］.振动与冲击，2012，31（2）：99－106.

WANG Yan-hua，CHENGWen-rang.Dynamic property of a shaking table simulating earthquake［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31（2）：99－106.

［13］林永昌.新型汽车道路模拟算法研究［J］.机械工程学报，2002，38（8）：41－44.

LIN Yong-chang.Study on a new vehicle road simulation algorithm［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2002，38（8）：41－44.

［14］于慧君.电液振动试验系统长时间历程复现控制技术研究［D］.杭州：浙江大学，2009.

［15］于慧君.一种加窗重叠信号平滑连接方法及其在振动信号预处理中的应用［J］.振动与冲击，2007，26（8）：39－40，63，168.

YU Hui-jun.OLA signal smooth linking method and its application in vibration signal pre-processing［J］.Journal of Vibration and Shock，2007，26（8）：39－40，63，168.

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

栾强利男，博士生，1984年生

陈章位男，教授，博士生导师，1965年生