电动伺服振动教学实验平台开发与实践

李春宝，程旭东，俞然刚，李 静，吴江龙

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580； 2.烟台新天地实验技术有限公司，山东 烟台 264003）

土木工程专业本科生和研究生涉及结构振动理论、测试与分析的课程主要有“理论力学”“结构动力学”“结构抗震”“高层建筑结构”“振动力学”“工程振动试验分析”“结构动力可靠度”“结构损伤识别与健康监测”“工程结构试验”等[1-2]。结构振动的知识点理论性较强，其课程大纲设置大多停留在计算与推导层面，缺乏实际操作和感性认知，不利于学生学习和创新能力的培养，未能顺应当前新工科人才培养的目标和形势。

传统的结构振动理论教学中学生缺乏对知识点的深刻理解与全面掌握，缺乏模型测试分析，限制了学生学习的积极性和主动性[3]。本文设计了一种电动伺服模型振动实验教学平台，综合利用机械设计、振动力学及计算机等技术，可以用于结构模型振动演示、不同结构的模态测试、模型地震波动力响应测试和结构模型抗震性能测试等。通过上述实验内容，使学生增强了对结构振动知识点的认知，加深了对结构振动原理和过程的理解，为学生学习基本理论知识、参加创新训练和科学研究提供了有效的实验环节。

1 振动实验教学平台整体方案设计

电动伺服振动教学实验平台的目的是模拟结构模型的振动形态。平台综合了电磁振动台和电液伺服振动台的优点[4-5]，基于伺服电机驱动滚珠丝杠的控制原理开发了全电动伺服控制系统，可进行位移、荷载、加速度闭环控制，工作频率下限不受限制，上限可达40 Hz，能耗少、噪音低。同时配备数据采集处理及模态分析系统、结构模型振动过程高清图像快速采集系统，可将结构动力实验现象和结果生动、直观地展现给学生，既可以使学生对结构振动有感性认识，也可以引导学生进行相关理论探究，掌握实际工程中模态测试与分析的方法。

1.1 设计要求

技术方案设计应考虑尽量接近于结构振动的实际工况，直观、形象地演示不同层高、不同荷载作用下框架结构模型的各阶阵型及动力响应，使学生加深对基本动力学概念的理解，需要满足以下设计要求：

（1）工作行程为150 mm，最大负载为100 kg，最大出力为5 kN，工作频率范围为0～40 Hz，有效荷载为 100 kg时最大加速度为 1.5g、额定线速度为 500 mm/s，最高线速度为 600 mm/s；

（2）控制方式包括位置、载荷、加速度闭环控制；

（3）指令信号包括正弦信号、三角信号、扫频波、地震波和自定义波形；

（4）模态测试激振方式需要实现底座激振和电磁激振等激振方式，方便不同实验方案的比较；

（5）实验数据与实验过程同步保存，清晰记录不易观察到的实验动态变化，准确捕捉实验现象特征点。

1.2 设计思路

综合考虑设计要求，振动平台主要由振动平台机架、电动伺服控制系统、动作执行单元、振动平台、激振系统和高清图像快速采集系统、数据采集处理及模态分析系统等部分组成，如图1所示。

图1 电动伺服振动教学实验平台整体方案图

振动平台机架为振动平台和实验模型提供位置支撑，并施加水平荷载；电动伺服控制单元实施位移、荷载、加速度闭环控制；动作执行单元直接作用于测试对象，是伺服加载系统的最终执行单元和施力机构；振动平台提供模型固定及加载平台；激振系统实施对实验模型的局部激振；高清图像快速采集系统采用快录慢放的方式记录和回放实验模型的振型；数据采集处理及模态分析系统主要用于动态信号的采集和分析结构固有的动力学特性。

1.3 设计方案

振动平台机架采用L型结构，可安装多种加载装置，对模型施加多种类型荷载；电动伺服控制系统包括网络机柜、工控机、显示器和伺服驱动器，采用比例-积分-微分-前馈（PIDF）控制原理，利用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）实现高速控制算法运算，得到理想的伺服控制效果；动作执行单元采用伺服电机驱动高精度滚珠丝杠，全电动伺服控制[6-7]；振动平台采用上下2层式结构，上部为直线运动部分，通过直线轴承与下方固定部分相连，固定部分通过制动装置安装在框架导轨上；激振系统配备了电磁激振装置和力锤装置；高清图像快速采集系统采用高速摄像机，记录和展示振型的视频；数据采集处理及模态分析系统包括传感器、动态信号分析系统硬件和软件。

2 振动实验平台具体方案设计

2.1 振动平台机架

平台机架由底梁和立柱组成。底梁和立柱各面均布安装孔，方便安装各种构件，匹配多种加载装置，可以对模型施加多种类型激振。

2.2 伺服控制单元

振动平台伺服控制单元内置正弦波、三角波、扫频波等多种周期指令信号，支持地震波（见图 2）和自定义波形运动模拟，响应速度快、控制精度高、试验波形种类多，控制软件具有开放性，可针对不同实验项目进行二次开发。

图2 地震波参数设置界面

2.3 动作执行单元

动作执行单元采用高精度伺服电动缸[8]，采用低惯量、大扭矩的伺服电机搭配高性能伺服放大器，电机可实现高频换向，兼顾电磁激振高频和液压激振大荷载的特点，工作频率最高可达40 Hz，有效荷载100 kg时加速度可达到1.5g。

2.4 振动平台

振动平台采用直线滑块运动副导向，上部为平板结构的直线运动部分，尺寸为600 mm×700 mm，通过直线轴承与下方托板部分相连接，托板部分直接固定在振动平台机架上。振动平台台面为硬质氧化铝合金面板，托板部分采用镀铬钢板；平台通过滚珠滑块安装在直线导轨上，承载力不低于10 kN，摩擦力小，摩擦因数不大于0.02；台面上设有设备模型及实验装置固定螺孔，可安装要求定制固定方式。

2.5 激振系统

在结构的模态测试时，模型自身特性受到加载方式的制约[9]。为方便不同激励方案下模态测试结果的比较，配备了电磁激振系统[10]和力锤装置。

1）电磁激振系统。

电磁激振系统由信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成。信号发生器可提供标准周期信号、白噪声和自定义信号作为激振信号。电磁激振器可作用于被测对象一个或多个激振点，获得实验对象的某阶或多阶振型。机架采用L型底梁的结构形式，可将激振器安装在立柱上的不同位置（见图3）。利用电磁激振器可以施加多种激励，数据一致性良好。

图3 电磁激励器位置图

2）力锤装置。

在实验过程中，力锤装置的锤头质量对应不同锤击力，由实验要求激振的能量决定。决定激振力谱的频带宽度主要通过选择不同的锤头材料来实现。锤头材料可选择钢、铝、尼龙、橡胶等。

2.6 图像快速录像系统

高速录像是记录动态实验过程的常用方法，实验时采用快录慢放的方式记录和回放框架模型的振型[11-12]。

高频高清录像系统采用高速摄像机，拍摄帧数为480帧/s时，分辨率不低于224×160像素，能记录40 Hz以下运动的过程，可以较好地展示振型的视频，有利于学生对振型基本概念的理解。

2.7 数据采集处理及模态分析系统

模态分析系统由2部分组成：

（1）测量系统。用传感器测量实验对象的各主要部位上的位移、速度或加速度振动信号。

（2）分析系统。将采集到的激励信号和响应信号经过数模转换记录到计算机中，用软件系统识别振动系统的模态参数[13]。为实现对结果振动信息的拾取，配置动态信号测试分析系统（见图4）。

传感器包括不同量程、不同频响范围的内置阻抗变换器加速度计（IEPE/ICP），可以实现磁吸、螺栓固定、胶粘三种不同的安装方式[14]。

动态信号测试分析系统硬件由 INV3060A型 24位网络分布式采集仪、INV9828ICP加速度传感器组成，主要用于动态信号采集。INV3060A，采用以太网接口，一台计算机可以通过 LAN局域网控制多台采集仪，可选GPS授时实现同步，支持远距离和无线传输，适合分布式、多测点、远距离或无线传输的振动、噪声、冲击、应变、压力、电压等各种物理量信号采集。数据采集卡可实现差分模式电压 DC/AC/ ICP输入，包含电压放大、ICP供电、截止频率可调的低通滤波器，提供256倍过采样与数字滤波，配置模拟抗混叠滤波器、每通道 24位 Δ-Σ芯片，所有通道并行工作，每通道最高采样频率51.2 kHz，通道总数16。

图4 激励信号与振动信息拾取

动态信号测试分析系统软件包由DASP-V10工程版、基本分析软件及实验模态分析软件三部分组成。DASP-V10工程版分析软件与INV3060A配套使用，用于软件控制仪器的量程、滤波、参数设置以及信号的实时分析处理等。基本模态分析软件可完成位移模态分析，支持 SIMO、MISO、OMA方法，实现可视化的结构生成和彩色振型动画显示及仿真分析功能，并具备自动化模态分析技术。模态拟合方法提供六种频域方法和特征值实现算法（ERA），ERA既可完成激励可测的经典模态分析，进行激励不可测的环境激励模态分析,又可对结构进行可控的动力学激励，分析出结构固有的动力学特性。

3 实验模型选配

图5 框架振动模型

实验模型采用装配式框架结构、模块化设计，层高任意可调，层数为2～5（见图5）。模型立柱采用矩 形截面弹簧钢板，存在一个刚度很小的弱轴，可以方便搭建一些前几阶自振频率较小的框架模型，这些模型在激振频率接近其固有频率时，可以非常直观、形象地演示不同层高、不同配重下框架结构模型的各阶阵型及动力响应，对于学生积累对结构动力特性的感性认识非常有帮助，也可以使学生加深对一些基本动力学概念的理解。

框架模型在底座激振的方式下，会产生非常直观的动力响应，可以通过视觉直接观察到框架结构的各阶振型，其目的是为了起到教学示范和引导理解概念的作用。而实际工程中结构的各阶振型，无论是底座激振还是电磁激振，往往都无法非常直观演示结构的各阶振型，这时便需要通过数据采集、处理及模态分析系统来提取结构的各阶振型模态。为使动力学相关实验顺利开展，使学生掌握模态分析实验的技能，可选配的一些用于模态测试的模型还可包括简支梁模型、固支梁模型、矩形板模型、圆板模型、框架结构模型等。

4 试验结果对比

振型是模型本身固有的特性，为获得好的实验效果，底座激振是较好的激振方案。为得到模型在地震载荷下的动力响应，采用振动台实验也是较为理想的实验方式。通过伺服加载控制系统可控制振动平台往复运动，可通过改变激振频率测试模型的自振频率。利用模型振动平台可以实现底座激振，利用安装在立柱上的电磁激振器可以实现上部集中载荷激振。图 6为不同结构模型在不同频率底座激振下有限元仿真分析结果与实测振型对比。

图6 仿真与实测振型对比

4 结语

本文综合运用机电一体化、结构动力学和结构抗震中的关键知识点，搭建了一种电动伺服振动教学实验平台，实现了结构振动概念的动态可视化。以实验平台为载体，引导学生熟练操作振动测试的仪器与设备；以实验平台为支撑，加深了学生对振动基础知识的理解；以实验平台为依托，帮助学生掌握了结构振动测试分析技术；以实验平台为途径，培养了学生探索和解决工程结构实际问题的能力。