交流伺服电动缸在地震模拟振动台中的应用曹　军１，杨俊杰１，应义淼２，章雪峰２（１．浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州　３１００１４；２．浙江工业大学建筑规划设计研究院，浙江杭州　３１００１４）摘　要：交流伺服电动缸凭借其优异的控制性和相对较低的成本，特别是其核心部件———交流伺服电机的控制精度高、加速性能好、有良好的矩频特性和过载能力，使得利用电动缸进行地震模拟成为可能。

交流伺服电动缸振动台成本低、控制简单，在地震教学演示、构件及小型结构振动台实验中优点突出，具有广泛的应用前景。

将伺服电动缸和微机控制技术相结合，实现了一条单向地震波的模拟仿真输出。

结果表明，在一定的加速度范围内模拟效果良好，模拟极限加速度值和模拟效果取决于交流伺服电动缸的性能和台面载荷。

关键词：电动缸；交流伺服电机；地震模拟；ＰＩＤ控制中图分类号：Ｐ３１５．８；ＴＭ３４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００２－４９５６（２０１１）０４－００６７－０４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＣ　ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｉｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＣａｏ　Ｊｕｎ１，Ｙａｎｇ　Ｊｕｎｊｉｅ１，Ｙｉｎｇ　Ｙｉｍｉａｏ２，Ｚｈａｎｇ　Ｘｕｅｆｅｎｇ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１４，Ｃｈｉｎａ；２．Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＣ　ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ａｎ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｃｏｓｔｓ．Ｔｈｅ　ＡＣ　ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｆｉｎｅ　ｑｕａｌｉｔｉｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ，ｇｏｏｄ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｔｏｒｑｕｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｏｖｅｒｌｏａｄ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｉｔ　ｃａｐａｂｌｅ　ｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈａｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ｂｒｉｇｈｔ　ｆｏｒ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｅｍｂｅｒ　ｏｒ　ｓｍａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｃｏｓｔ　ｉｓ　ｌｏｗ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｗａｖｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ＡＣｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｉｄｅｌｉｔｙ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ＡＣ　ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ收稿日期：２０１０－０６－１８基金项目：浙江省科技厅资助项目“余震作用下混凝土结构施工技术研究”（２００９Ｃ１６０７６）作者简介：曹军（１９８５—），男，浙江建德，在读硕士，研究方向：混凝土结构Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｏｊｕｎ１９８５０５１７＠１６３．ｃｏｍ通信作者：杨俊杰（１９５８—），男，浙江诸暨，教授，主要从事混凝土结构的教学和科研工作． 伺服电动缸和液压伺服设备相比，具有维护简单、控制稳定、节能环保等优点，它主要由伺服电机、驱动器、缸体、丝杆、推杆以及减速器等组成。

将交流伺服电机与微机控制技术［１－２］相结合，可以实现对推杆的推力、速度以及位移等参数的高精度控制。

在地震模拟中，考虑到对推力以及加速度的要求，常采用大型液压伺服驱动，但随之而来的是高昂的成本，不利于地震模拟研究的开展和普及，而伺服电动缸在地震教学演示、构件及小型结构振动台实验中优点突出，应用前景广泛。

本文论证了伺服电动缸应用于地震模拟实验中的可行性，初步分析了相关因素对于模拟效果的影响，为伺服电动缸在地震模拟中的应用提供参考。

１　系统硬件系统驱动力由一伺服电动缸和与之配套的驱动器提供。

电动缸标示行程１２０ｍｍ，输出力为１７ｋＮ，速度为１００ｍｍ／ｓ。

电动缸的伺服电机为松下ＭＩＮＡＳＩＳＳＮ　１００２－４９５６ＣＮ１１－２０３４／Ｔ 实　验　技　术　与　管　理Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ 第２８卷　第４期　２０１１年４月Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１１Ａ４系列，型号为ＭＳＭＡ２０２Ｐ１Ｈ，额定功率为２．０ｋＷ；驱动器型号为ＭＥＤＤＴ７３６４［３］，额定功率为２．５ｋＷ。

系统上位控制单元为ＰＣ机和ＰＣＩ控制卡。

此外还包括加速度传感器以及０．８ｍ×０．６ｍ的铝合金振动台面和与之配套的基座和轨道等。

图１　伺服驱动器和电源实物图图２　交流伺服电动缸实物图２　系统数字化控制２．１　数控方案数控信号为了模拟地震波，通常是经过一定的频率采样得到的加速度数字脉冲序列。

控制的主要目的是实现目标加速度信号的跟踪再现。

伺服电机驱动器本身也具有位移、速度、转矩等多种控制模式，但为了控制策略的自由性和多样性，从而实现加速度曲线模拟品质的优化，本文利用ＰＣ机、ＰＣＩ控制卡、执行和辅助单元建立开放式的数控系统［４］，采用闭环控制模式［５］（见图３），进一步提高模拟品质。

图３　系统硬件组成和连接逻辑图根据参考文献［６］中的分析，只采用位置控制模式会使系统的频宽太低，无法满足地震模拟实验中对系统频宽的要求，采用三参量控制模式能实现较宽频带的稳定控制。

系统数控方案原理如图４所示。

图４　系统数控方案原理图２．２　系统调节和控制参数系统闭环控制采用ＰＩＤ调节器进行调节。

由于采用了开放式的数控系统，根据三参量控制模式原理［７］，位移控制对应频率较低的情况，速度控制对应频率高的情况，加速度控制对应频率较高的情况，通过计算机编程实现ＰＩＤ调节器的设计，考虑到行程限制，采用位置式ＰＩＤ控制算法［８］，控制过程中由计算机完成ＰＩＤ调节运算。

图５为ＰＩＤ调节器控制参数设置窗口图。

图５　ＰＩＤ调节器控制参数设置窗口图根据输入的偏差值，ＰＩＤ调节按比例、积分、微分的传递函数运算出控制输出的结果。

对于ＰＩＤ调节参数的整定，直接影响最终的地震波模拟品质。

虽然ＰＩＤ控制参数整定算法有多种，但是地震波千变万化，具有不同的动态特性，再加上是多变量的复合调节，整定工作十分复杂，满足一个地震波的参数对于另一个不一定适用。

本文根据参考文献［９］，依据３个控制参数的相互独立性和各自的控制规律采用经验法进行整定，依据各个参数的控制规律，按照比例、积分、微分的次序依次确定合适的调节参数，可以快速得到比较理想的波形模拟效果。

通过多次的参数整定实验，对于三参量的控制增益系数设置得到了加速度和速度的控制增益系数过大会使得系统内环不稳定，系统极易产生高频振荡现象８６实　验　技　术　与　管　理的结论。

２．３　地震波信号预处理根据设计的数控方案，要求输入信号包括三部分：加速度脉冲以及与之对应的速度和位移脉冲信号。

加速度脉冲常为已知信号，要获得速度和位移脉冲需要对加速度脉冲进行积分。

对于离散信号，采用普通数值积分误差极大，利用频域积分［１０］效果较理想。

需要注意的是得到的位移脉冲幅值不能超过电动缸行程范围，否则造成控制冲突。

对于原始地震波模拟可以在合理范围内适当提高加速度信号的最小截止频率（滤去信号的一些低频成分）以减小位移幅值或加大电动缸行程以满足条件。

通常会因为实验相似比的原因将波形的时间压缩，这样位移幅值会大幅减小，一般都可满足电动缸的行程要求。

积分得到的位移初始值通常不在零位，为了保证系统初始化后载入信号时的合理稳定，可将位移脉冲减去初始值，位移曲线整体相位移动不影响加速度模拟输出。

本文模拟的地震波采用５．１２地震四川什邡八角台记录的东西分量波形，采样频率为２００Ｈｚ，有效时长为１６０ｓ，加速度峰值为０．５５　ｇ（ｇ为重力加速度）。

３　模拟结果分析将原始地震波幅值等比例缩放后，得到加速度正峰值分别为０．１　ｇ、０．２５　ｇ、０．４　ｇ、０．５５　ｇ和０．８２５　ｇ的相似波形，依次通过经验参数整定法确定控制参数后进行模拟，分别得到系统输入输出曲线并进行分析。

峰值为０．１　ｇ的加速度曲线局部模拟效果见图６，对应位移曲线局部模拟效果见图７。

图６　峰值为０．１　ｇ的加速度曲线局部模拟效果图根据加速度曲线模拟的效果分析，受到系统响应时间的影响，系统输入输出信号之间存在０．１ｓ的滞后，对于地震模拟来说，地震波相位滞后不会影响地震波的模拟效果。

本文采用的伺服电动缸在较低加速度幅值（０．２５ｇ）下模拟效果良好。

当加速度幅值加大（０．４　ｇ），输出图７　加速度峰值为０．１　ｇ对应位移曲线局部模拟效果图加速度的幅值有所折减，峰值越大处折减越多；随着加速度幅值进一步加大（０．５５　ｇ），峰值的折减更加明显，在加速度的峰值点，输出波形表现出明显的平滑过度。

当加速度输入达到０．８２５　ｇ时，波形出现明显的畸变，系统达到加速度输出最大幅值０．５　ｇ。

表１为各模拟加速度波形输入输出的正负峰值相对误差。

表１　加速度波形输入输出峰值相对误差％波形０．１　ｇ　０．２５　ｇ　０．４　ｇ　０．５５　ｇ　０．８２５　ｇ正峰值－３．５－１．８－２２－２９．１－３９．２负峰值－１．８　７．６－２０．８－２６．８－３３．６ 幅值折减以及平滑现象的出现，和电动缸的性能参数有直接的联系。

不能仅通过电动缸的最大功率和最大速度参数计算得到其能模拟的最大地震加速度，模拟的品质主要取决于电动缸的加速性能和伺服电机自身的惯量特性。