CN101603876A - 电液激振器振动波形控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电液激振器振动波形控制系统，包括油源、高频激振阀、并联伺服阀、液压执行机构和加载对象；并联伺服阀包括用零偏伺服电机，高频激振阀为2D电液高频激振阀，2D电液高频激振阀包括轴向伺服电机；还包括位置检测装置、数据采集控制器、电液伺服控制器和工控机，电液伺服控制器连接所述零偏伺服电机和轴向伺服电机；工控机包括：控制执行模块，用以将设定的激振波形信号分解为零偏控制信号和幅值控制信号，并将控制信号输出到电液伺服控制器；反馈比较模块，用以将零偏反馈信号和幅值反馈信号分别与零偏控制信号和幅值控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。本发明采用闭环控制、输出波形失真度较小、控制精度。

Description

电液激振器振动波形控制系统

技术领域

本发明涉及一种电液激振器输出波形控制系统。

背景技术

振动试验作为现代工业的一项基础试验和产品研发的重要手段，广泛应用于许多重要的工程领域，如汽车和行走机械的道路模拟试验；工程材料、水坝及高层建筑的抗震疲劳试验等。

激振的方式主要有机械式、电磁式和电液式三种类型，机械式振动台特点是：结构简单、成本低；但由于机械结构所限，存在上限频率较低、波形失真较大及有机械杂波等缺点。电动式振动台具有波形失真度较小、工作频率范围大等优点；但是，电动式振动台由于受到固有磁饱和的限制，不易获得大激振力，此外，设备结构复杂、振动位移有限和需要辅助冷却装置。

电液激振与前二者相比具有激振功率大、推力大、能实现多点激振的优点，主要应用于重载、大功率的场合。现有的电液式激振的工作原理是通过对喷嘴挡板伺服阀或比例伺服阀输入激振信号控制液压执行元件(油缸或马达)作往复直线或扭转运动，进而使施振对象起振。受伺服阀工作结构的限制，按这种原理工作的电液激振器一般应用开环控制技术，其输出波形的零偏(输出波形载荷的平均值)、相位和幅值随激振频率变化而变化，不能对零偏、相位和幅值等参数进行精确的控制，输出波形的失真度较大，精度较低。

发明内容

为了克服已有激振器输出波形控制系统的输出波形失真度较大、精度较低的不足，本发明提供一种采用闭环控制、输出波形失真度较小、控制精度高的电液激振器振动波形控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电液激振器振动波形控制系统，包括油源、高频激振阀、并联伺服阀、液压执行机构和加载对象；所述油源与高频激振阀、并联伺服阀连通，所述高频激振阀、并联伺服阀均与所述液压执行机构连接，所述液压执行机构与所述加载对象连接，所述并联伺服阀包括用以控制凸轮机构推动并联伺服阀阀芯滑动的零偏伺服电机，所述高频激振阀为2D电液高频激振阀，所述2D电液高频激振阀包括用以控制激振阀阀芯轴向滑动的轴向伺服电机；所述闭环控制系统还包括，用以检测电液激振的输出波形的位置检测装置、用以采集输出波形数据的数据采集控制器、用以控制各个伺服电机的电液伺服控制器和用以实现反馈控制的工控机，所述位置检测装置安装在所述液压执行机构上，所述位置检测装置与数据采集控制器连接，所述数据采集控制器与所述工控机连接，所述工控机与所述电液伺服控制器连接，所述电液伺服控制器连接所述零偏伺服电机和轴向伺服电机；所述工控机包括：控制执行模块，用以将设定的激振波形信号分解为零偏控制信号和幅值控制信号，并将控制信号输出到电液伺服控制器。

作为优选的一种方案：所述工控机还包括：反馈比较模块，用以将位置检测装置检测的位移波形信号分解后的零偏反馈信号和幅值反馈信号分别与零偏控制信号和幅值控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。

作为优选的再一种方案：所述2D电液高频激振阀还包括用以控制激振阀阀芯旋转的旋转伺服电机，所述旋转伺服电机连接所述电液伺服控制器；在所述控制执行模块中，将设定的激振波形信号还分解为相位控制信号；在所述反馈比较模块中，还将位置检测装置检测的位移波形信号分解后的相位反馈信号与相位控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。

进一步，所述的液压执行结构为液压激振缸或液压马达。

再进一步，所述的位置检测装置为位移传感器或是角度传感器，安装在液压执行结构的活塞杆上。

更进一步，所述的并联伺服阀为直动式三位四通换向阀或螺旋伺服式三位四通换向阀。

所述的2D电液高频激振阀由一伺服电机凸轮机构控制阀芯的轴向滑动，进而控制电液激振缸输出波形的幅值；由另一伺服电机控制阀芯的旋转运动，进而控制电液激振缸输出波形的激振频率和相位。

本发明的技术构思为：基于2D电液高频激振阀的电液激振器的分解控制技术，对电液激振器输出波形的零偏、相位和幅值进行精确的闭环控制，动态补偿因激振频率变化引起的输出波形的零偏、相位和幅值变化，对零偏、相位和幅值实现精确的闭环控制。

将某一激振频率下的理想激振波形分解为零偏信号、相位信号和幅值信号，由工控机将分解信号输入到电液伺服控制器，由电液伺服控制器发送信号驱动2D电液高频激振阀阀芯的旋转运动和轴向滑动、以及并联伺服阀阀芯的轴向滑动，由2D电液高频激振阀和并联伺服阀控制液压执行机构活塞作来回往复运动，进而使加载对象起振；由位置检测装置检测液压执行机构的活塞位移输出波形，由数据采集控制器采集位置检测装置检测到的位移信号，并将其进行分解为零偏反馈信号、相位反馈信号和幅值反馈信号，将反馈信号与相应的控制信号进行比较，将比较后的信号发送给电液伺服控制器，再有伺服控制器控制2D电液高频激振阀和并联伺服阀的阀口开度大小，控制进入液压执行机构的油液的方向和大小，进而控制活塞输出波形的零偏、相位和幅值大小。工控机还可以将理想激振波形和活塞实际输出位移波形进行显示。

本发明的有益效果在于：1、实现了电液激振的自动化控制，而且可以对激振波形的零偏、相位和幅值进行闭环控制，控制精度高；2、可以通过具有人机交互界面的控制终端对激振波形的零偏、相位、和幅值等参数进行设定，根据需要实施生成需要的激振波形；3、在工控机上将理想激振波形和实际激振波形进行实时显示，可以对实际激振波形进行数据分析处理，将零偏、相位和幅值等参数的误差进行实时显示。

附图说明

图1是实施例1的基本结构图。

图2是实施例2的基本结构图。

图3是控制器的原理框图。

图4是位移传感器测得位移波形转化后的载荷波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1、图3、图4，一种电液激振器振动波形控制系统，包括油源9、高频激振阀、并联伺服阀11、液压执行机构4和加载对象3；所述油源9与高频激振阀、并联伺服阀11连通，所述高频激振阀、并联伺服阀11均与所述液压执行机构4连接，所述液压执行机构4与所述加载对象3连接，所述并联伺服阀11包括用以控制凸轮机构推动并联伺服阀阀芯滑动的零偏伺服电机12，所述高频激振阀为2D电液高频激振阀7，所述2D电液高频激振阀7包括用以控制激振阀阀芯轴向滑动的轴向伺服电机10；所述闭环控制系统还包括，用以检测电液激振的输出波形的位置检测装置6、用以采集输出波形数据的数据采集控制器5、用以控制各个伺服电机的电液伺服控制器2和用以实现反馈控制的工控机1，所述位置检测装置6安装在所述液压执行机构4上，所述位置检测装置6与数据采集控制器5连接，所述数据采集控制器5与所述工控机1连接，所述工控机1与所述电液伺服控制器2连接，所述电液伺服控制器2连接所述零偏伺服电机12和轴向伺服电机10；所述工控机1包括：控制执行模块，用以将设定的激振波形信号分解为零偏控制信号和幅值控制信号，并将控制信号输出到电液伺服控制器。

所述工控机还包括：反馈比较模块，用以将位置检测装置检测的位移波形信号分解后的零偏反馈信号和幅值反馈信号分别与零偏控制信号和幅值控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。

所述的液压执行结构4为液压激振缸或液压马达。所述的位置检测装置6为位移传感器或是角度传感器，安装在液压执行结构的活塞杆上。所述的并联伺服阀11为直动式三位四通换向阀或螺旋伺服式三位四通换向阀。

本实施例中，用于控制电液激振器输出波激振波形的零偏(输出波形的平均值)和幅值的电液伺服分解控制技术，应用分解控制技术的试验装置包括油源9、2D电液高频激振阀7、并联伺服阀11、液压执行机构4、位置检测装置6、加载对象3、数据采集控制器5、电液伺服控制器2、工控机1，连接关系为：

工控机1连接数据采集控制器5和电液伺服控制器2，电液伺服控制器2与2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11电连接，2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11的P、T口与油源9的P、T口连接，2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11的A、B口与液压执行机构4的A、B口连接，液压执行机构4的活塞杆一端与加载对象3连接，液压执行机构4的活塞杆另一端与位置检测装置6连接，位置检测装置6与数据采集控制器5相连。

所述的液压执行机构4为液压激振缸，液压激振缸活塞可以进行轴向移动，带动加载对象3进行轴向的来回运动，施加振动。

所述的位置检测装置6为位移传感器，用于测量电液激振缸的活塞位置，检测振动时输出位移波形，提取位移波形中的零偏和幅值信号进行反馈给输入控制信号。为内置式液压位移传感器。

所述的并联伺服阀11为直动式三位四通滑阀结构，包含零偏伺服电机12；由零偏伺服电机12通过凸轮机构推动阀芯滑动，控制进出电液激振缸的油液的方向和大小。

所述的2D电液高频激振阀7的阀芯能实现轴向滑动，2D电液高频激振阀7包含轴向伺服电机10，阀芯和阀套上开设有沟槽和窗口。轴向伺服电机10驱动阀芯做旋转运动，使得沿阀芯台肩周向均匀开设的沟槽(相邻沟槽的圆心角为θ)与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化，由于相邻台肩上的沟槽相互错位(错位角度为θ/2)，因而使得进出液压激振缸4的两个容腔的流量大小及方向以相位差为180°发生周期性的变化，驱动液压激振缸4做周期性的往复运动。轴向伺服电机10的初始旋转角度和旋转频率控制电液激振缸4的活塞输出波形的相位和激振频率。

本实施例的工作过程为：

工控机1将理想激振波形的信号分解零偏和幅值控制信号，将以上两个参数信号发送给电液伺服控制器2，再有电液伺服控制器2分别将信号功率放大后控制2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11阀口的开度大小，控制进入液压激振缸4的油液大小和方向，驱动液压激振缸4做周期性的往复运动，其中零偏控制信号发送给并联伺服阀11中的零偏伺服电机12，通过其控制并联伺服阀阀口的开度大小和方向；幅值控制信号发送给轴向伺服电机10，由其控制2D电液高频激振阀阀口的开度大小。由位移传感器6实时检测电液激振缸4的活塞位移波形，再由数据采集控制器将位移传感器6检测到的活塞位移波形进行采集，并将其位移波形分解为零偏和幅值反馈信号，将反馈信号与控制信号进行比较得出比较信号，再将比较信号发送给电液伺服控制器2，由电液伺服控制器2对2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11阀口的开度大小进行调节，进而控制活塞的位移波形的零偏和幅值信号，完成一次闭环控制，在试验过程中，对活塞位移波形的零偏、幅值信号进行不间断的实时闭环控制使其与理想激振波形的零偏和幅值信号不断逼近，提高控制精度。

图4为实施例1中位移传感器6测得位移波形转化后的载荷波形，根据F＝KX，其中K为弹簧刚度系数，X为活塞输出的位移波形，可得出液压激振缸4的输出的载荷波形。

实施例2

参照图1、图3和图4，本实施例的2D电液高频激振阀7还包括用以控制激振阀阀芯旋转的旋转伺服电机8，所述旋转伺服电机8连接所述电液伺服控制器2；在所述控制执行模块中，将设定的激振波形信号还分解为相位控制信号；在所述反馈比较模块中，还将位置检测装置检测的位移波形信号分解后的相位反馈信号与相位控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。

本实施例的控制参数还包括相位，用于控制电液激振器输出波激振波形的零偏(输出波形的平均值)、相位和幅值的电液伺服分解控制技术：

本实施例的其他结构均与实施例1相同，所述的位置检测装置为位移传感器6，用于测量电液激振缸4的活塞位置，检测振动时输出位移波形，提取位移波形中的零偏、相位和幅值信号进行反馈给输入控制信号。

所述的2D电液高频激振阀7的阀芯有旋转和轴向滑动两个自由度，2D电液高频激振阀7包含旋转伺服电机8和轴向伺服电机10，阀芯和阀套上开设有沟槽和窗口。旋转伺服电机8通过图1所示的凸轮机构驱动阀芯做轴向滑动，控制激振时输出波形的载荷或位移幅值。

本实施例的工作过程为：

工控机1将理想激振波形的信号分解零偏、相位和幅值控制信号，将以上三个参数信号发送给电液伺服控制器2，再有电液伺服控制器2分别将信号功率放大后控制2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11阀口的开度大小，控制进入液压激振缸4的油液大小和方向，驱动液压激振缸4做周期性的往复运动，其中零偏控制信号发送给并联伺服阀11中的伺服电机12，通过其控制并联伺服阀阀口的开度大小和方向；相位和幅值控制信号发送给伺服电机10和伺服电机8，由其控制2D电液高频激振阀阀口的开度大小。由位移传感器6实时检测电液激振缸4的活塞位移波形，再由数据采集控制器将位移传感器6检测到的活塞位移波形进行采集，并将其位移波形分解为零偏、相位和幅值反馈信号，将反馈信号与控制信号进行比较得出比较信号，再将比较信号发送给电液伺服控制器2，由电液伺服控制器2对2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11阀口的开度大小进行调节，进而控制活塞的位移波形的零偏、相位和幅值信号，完成一次闭环控制，在试验过程中，对活塞位移波形的零偏、相位和幅值信号进行不间断的实时闭环控制使其与理想激振波形的零偏、相位和幅值信号不断逼近，提高控制精度。

图4为实施例1中位移传感器6测得位移波形转化后的载荷波形，根据F＝KX，其中K为弹簧刚度系数，X为活塞输出的位移波形，可得出液压激振缸4的输出的载荷波形。

本实施例适用于多个2D高频激振阀控制的场合，通过相位的控制，使得各个2D高频激振阀实现同步控制。

实施例3

参照图2、图3、图4，本实施例中，所述的并联伺服阀螺旋伺服式三位四通滑阀结构，包含伺服电机12，由伺服电机12通过螺旋伺服结构推动阀芯滑动，控制进出电液激振缸4的油液的方向和大小。

所述的电液激振缸4为液压马达时，2D电液高频激振阀7和并联伺服阀11控制液压马达活塞作来回旋转运动，使加载对象扭转振动。

所述的位移检测装置为角度传感器6，检测液压马达振动时，活塞来回的旋转角位移。

本实施例的其他结构和工作过程与实施例2相同。

Claims (6)

1、一种电液激振器振动波形控制系统，包括油源、高频激振阀、并联伺服阀、液压执行机构和加载对象；所述油源与高频激振阀、并联伺服阀连通，所述高频激振阀、并联伺服阀均与所述液压执行机构连接，所述液压执行机构与所述加载对象连接，所述并联伺服阀包括用以控制凸轮机构推动并联伺服阀阀芯滑动的零偏伺服电机，其特征在于：所述高频激振阀为2D电液高频激振阀，所述2D电液高频激振阀包括用以控制激振阀阀芯轴向滑动的轴向伺服电机；

所述闭环控制系统还包括，用以检测电液激振的输出波形的位置检测装置、用以采集输出波形数据的数据采集控制器、用以控制各个伺服电机的电液伺服控制器和用以实现反馈控制的工控机，所述位置检测装置安装在所述液压执行机构上，所述位置检测装置与数据采集控制器连接，所述数据采集控制器与所述工控机连接，所述工控机与所述电液伺服控制器连接，所述电液伺服控制器连接所述零偏伺服电机和轴向伺服电机；

所述工控机包括：控制执行模块，用以将设定的激振波形信号分解为零偏控制信号和幅值控制信号，并将控制信号输出到电液伺服控制器。

2、如权利要求1所述的电液激振器振动波形控制系统，其特征在于：所述工控机还包括：反馈比较模块，用以将位置检测装置检测的位移波形信号分解后的零偏反馈信号和幅值反馈信号分别与零偏控制信号和幅值控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。

3、如权利要求1或2所述的电液激振器振动波形控制系统，其特征在于：所述2D电液高频激振阀还包括用以控制激振阀阀芯旋转的旋转伺服电机，所述旋转伺服电机连接所述电液伺服控制器；

在所述控制执行模块中，将设定的激振波形信号还分解为相位控制信号；

在所述反馈比较模块中，还将位置检测装置检测的位移波形信号分解后的相位反馈信号与相位控制信号比较，并将比较后的差值信号发送给电液伺服控制器。

4、如权利要求3所述的电液激振器振动波形控制系统，其特征在于：所述的液压执行结构为液压激振缸或液压马达。

5、如权利要求1或2所述的电液激振器振动波形控制系统，其特征在于：所述的位置检测装置为位移传感器或是角度传感器，安装在液压执行结构的活塞杆上。

6、如权利要求1或2所述的电液激振器振动波形控制系统，其特征在于：所述的并联伺服阀为直动式三位四通换向阀或螺旋伺服式三位四通换向阀。

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