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地震体验装置 0 引言 地震是地球的顽疾，地震会给国家经济建设和人民生命财产安全造成直接和间接的危害和损失，尤其是强烈的地震会给人类带来巨大的灾难。每年全世界由地震灾害造成的平均死亡人8000-10000人／次，平均经济损失每次达几十亿美元。1995年1月17日日本神大地震造成5438人死亡，直接经济损失高达1000亿美元。1976年唐山大地震，在几十秒钟的时间内，将一座百万人口的工业城市变成了废墟，伤亡万人，直接经济损失100亿元以上，救灾花了6亿多元，重建用了50亿元，而且在这之后长时间内，造成全国人民的恐震心理。 1-液压动力源；2-地脚轨道；3-下台架；4-上台架；5-地震体验房 6-视频播放器 7-液压锁紧缸 8-液压激振缸；9-位移传感器； 10-电液数字伺服阀；11-电磁换向阀；12-电液伺服控制器；13-工控机 图1 地震体验装置结构图 （1）电液激振模块 主要由电液数字伺服阀、液压激振缸、位移传感器、电磁换向阀、液压锁紧缸及油缸支架组成。电液数字伺服阀是系统的核心，它是一个基于伺服螺旋机构的快速换向阀[1]，用于产生实时变化的流量，来驱动液压激振缸的活塞及其刚性连接的振动台架按照地震的振动波形做往复运动。液压激振缸是一双出杆缸，尾部装有位移传感器，用来测量液压激振缸活塞的实时位移，并将测量值送给电液数字伺服控制器。 液压锁紧缸是一个单出杆液压缸，由一个三位四通的电磁换向阀控制，用于锁紧/松开振动台架的上台架，分别实现振动台架的非减震/减震两种不同振动模式。 （2）测控模块 包括工控机和电液数字伺服控制器。电液数字伺服控制器用于接收位移传感器传送来的实时位移值、和工控机交换数据、控制电液数字伺服阀和电磁换向阀。该模块采用分级控制的思想设计，由位移传感器测量的信号，通过内置在电液数字伺服控制器中的采集卡获得激振位移波形的数字信号，波形在PC工控机的屏幕上显示，同时工控机对采集的信号进行处理，得到实际的位移幅值与真实地震波形的偏差数值，经过PID运算将结果发送至电液数字伺服控制器，对振动台架的位移波形进行闭环控制。 （3）液压动力源模块 液压动力源用于向地震体验装置提供液压动力，它由两组液压泵、溢流阀、蓄能器、过滤器、冷却器等液压元器件构成，能向地震体验装置提供稳定液压油源，并有液位报警、过滤器阻塞报警等辅助功能。 （4）振动台架模块 振动台架主要由轻轨、上台架和下台架组成，如图2所示。轻轨安装固定在地基上；下台架由液压激振缸驱动，通过轮子在轻轨上沿轨道方向自由运动，下台架上端也安装有轻轨轨道；上台架四角预留房屋柱脚接口，上台架通过轮子可以沿下台架上安装的轻轨上自由运动。上、下台架之间设置锁紧机构（液压锁紧缸和电磁换向阀）和缓冲机构，处于减震模式时，电磁换向阀位于左位，油液进入液压锁紧缸左腔，锁紧缸缩回将上台架松开，下台架在液压缸驱动下运动，上台架在下台架上面自由运动；处于非减震模式时，电液数字伺服控制器控制电磁换向阀位于右位，油液进入液压锁紧缸右腔，液压锁紧缸伸出，上下台架连成一体，在液压激振缸驱动下一起运动。 图2 振动台架模块 1.2 地震体验装置工作原理 数字伺服阀的阀口可看成薄刃孔口，根据薄刃孔口的流量公式，为流量系数取定值，为两端压差，与系统负载有关，而在瞬态系统负载可认为无变化，故也为定值，为流体密度，为定值，由此可知，流量由阀口的开启面积，即阀口开度唯一决定，只要精确控制数字伺服阀阀口开度，即可控制油液流量，进而可控制油缸活塞和振动台架位移。 地震体验装置中，油液进入液压激振缸，产生液动力，推动与之刚性连接的振动台架前进或后退。在一个控制周期内，电液数字伺服控制器精确控制数字伺服阀阀口开度，使进入阀口的油液推动活塞和振动台架运动到预定位移，实现振动台架按照真实地震位移运动。 2 地震体验装置控制系统 装置在液压激振缸尾部的位移传感器实时采集激振缸和振动台架的位移信号，并传送到电液数字伺服控制器，经A/D转换后通过RS232串口发送给工控机，工控机实时显示振动台架位移--时间波形，同时将目标位移和实测位移进行比较，进行数字PID控制运算，求出下一周期的电液数字伺服阀修正输出流量，发送给电液数字伺服控制器，控制器通过控制电液激振阀的阀口开度，实现振动台架按照真实地震位移运动。其控制原理图如图3所示。 图3 控制系统图 为了控制电液数字伺服阀的阀口开度，数字PID控制采用位置式PID算法，在k时刻其输出量为： (1) 在(k-1)时刻： (2) 由(1)、(2)式得控制量的增量为： (3) 根据(3)式，以为输出控制对象，地震体验装置位置式数字PID控制流程如图4。 图4 位置式数字PID控制流程 3 实际测试结