基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置

摘要

本发明涉及基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，通过对双台三向六自由度振动台使用独立的控制器，且控制器之间使用实时共享内存卡通讯，从而实现在单台工作模式下，各单台三向六自由度振动台互不影响，可同时运行，提高系统试验效率。而在双台阵工作模式下，双台三向六自由度振动台将各自由度的推力信号实时发送给对方，两个控制器将自己和对方各自由度的推力信号作差后得到两台之间施加到试件上的附加内力。控制器对该内力进行处理运算后，将结果分别叠加到各自输出的驱动信号上，使作动器推动振动台台面沿产生该内力相反的方向进行相对运动。从而消除双台施加到试件上的附加内力，避免试件损坏和系统控制失稳。

权利要求

1.基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，其特征在于，包括两台三向六自由度振动台、用来控制第一台三向六自由度振动台运动的A台控制器、用来控制第二台三向六自由度振动台运动的B台控制器，所述三向六自由度振动台包括振动台面、X向底座、安装在振动台面与X向底座之间且用来对振动台面的X向进行加载的X向作动器、Y向底座、安装在振动台面与Y向底座之间且用来对振动台面的Y向进行加载的Y向作动器、Z向底座、安装在振动台面与Z向底座之间且用来对振动台面的Z向进行加载的Z向作动器，X向作动器、Y向作动器和Z向作动器均在内部安装有位移传感器和压力传感器，X向作动器、Y向作动器和Z向作动器均设置有用来控制其运动的伺服阀，振动台面处安装有加速度传感器，位移传感器、压力传感器和加速度传感器所采集得到的采集信号传输给A台控制器或B台控制器，采集信号经过运算得到运算信息，将运算信息与命令信号作比较，经二次运算与D/A转换，输出驱动信号，再经功率放大后，输出给伺服阀，调节伺服阀开度，实现三向六自由度振动台的闭环控制；

当两台三向六自由度振动台组成台阵工作时，两台振动台面之间固定安装有刚性试件，A台控制器和B台控制器之间通过实时共享内存卡进行通讯；所述运算信息是通过对位移信号、压力信号、加速度信号进行实时计算得出对应的振动台面的位置、推力信号、加速度信息；台阵的命令信号由A台控制器输入且同步输出给B台控制器，同时两台三向六自由度振动台将各自由度的推力信号实时发送给对方，A台控制器和B台控制器将两台三向六自由度振动台各自由度的推力信号作差后得到两台三向六自由度振动台各自施加到试件上的附加内力；经过A台控制器和B台控制器的处理运算后，将运算结果分别叠加到对应A台控制器和B台控制器所输出的驱动信号上，使对应的X向作动器/Y向作动器/Z向作动器推动振动台面沿产生的附加内力相反方向进行相对运动；

运算公式为：

CAi＝‑GAi(FAi‑FBi)

CBi＝GBi(FAi‑FBi)

i＝X，Y，Z，Roll，Pitch，Yaw其中，CAi为叠加到A台三向六自由度振动台各自由度驱动信号上的值，CBi为叠加到B台三向六自由度振动台各自由度驱动信号上的值，GAi为A台三向六自由度振动台各自由度叠加值的调节增益，GBi为B台三向六自由度振动台各自由度叠加值的调节增益，FAi为A台三向六自由度振动台合成的各自由度的推力值，FBi为B台三向六自由度振动台合成的各自由度的推力值，A台三向六自由度振动台即第一台三向六自由度振动台，B台三向六自由度振动台即第二台三向六自由度振动台。

2.根据权利要求1所述的基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，其特征在于，当两台三向六自由度振动台组成台阵工作时，台阵的转轴中心为两台振动台面中心连线的中点，设两台振动台面的中心距离为2l，两台三向六自由度振动台的自由度位移与作动器位移之间的解耦矩阵和合成矩阵为：HDA＝HD(l，0，0)

HDB＝HD(‑l，0，0)

H′DA＝H′D(l，0，0)

H′DB＝H′D(‑l，0，0)

其中，作动器位移是指X向作动器/Y向作动器/Z向作动器的位移值，HDA为A台三向六自由度振动台的自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HDB为B台三向六自由度振动台的自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HD(l，0，0)为以点(l，0，0)为原点时自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HD(‑l，0，0)为以点(‑l，0，0)为原点时自由度位移到作动器位移的解耦矩阵；H’DA为A台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′DB为B台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(l，0，0)为以点(‑l，0，0)为原点时作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(l，0，0)为以点(l，0，0)为原点时作动器位移到自由度位移的合成矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，其特征在于，所述振动台面在各自由度的位移分别设为XD，YD，ZD，RD，PD，WD；振动台面在扭曲自由度上的值分别为TD，VD；两个X向作动器的位移值分别为XD1，XD2；两个Y向作动器的位移值分别为YD1，YD2；四个Z向作动器的位移值分别为ZD1，ZD2，ZD3，ZD4；两个X向作动器之间球铰距离为

2l1，两个Y向作动器之间球铰距离为2l1，四个Z向作动器相互之间呈等间距设置，相邻两个Z向作动器之间球铰距离为2l2，Cx是台阵的转轴位置相对于以原振动台面中心为原点的转轴位置沿X向的平移距离，Cy是台阵的转轴位置相对于以原振动台面中心为原点的转轴位置沿Y向的平移距离，Cz是台阵的转轴位置相对于以原振动台面中心为原点的转轴位置沿Z向的平移距离，则由XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD到XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4的解耦方程为：由XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD到XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4的解耦矩阵为：由XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4到XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD的合成矩阵为：‑1

H′D(Cx，Cy，Cz)＝HD (Cx，Cy，Cz)台阵的转轴以振动台面的台面中心为原点时，Cx＝Cy＝Cz＝0。

4.根据权利要求1所述的基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，其特征在于，每台三向六自由度振动台的X向安装有两个X向作动器，每台三向六自由度振动台的Y向安装有两个Y向作动器，每台三向六自由度振动台的Z向安装有四个Z向作动器。

5.根据权利要求1所述的基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，其特征在于，所述采集信号包括位移传感器所采集得到的位移信号、压力传感器所采集得到的压力信号、加速度传感器所采集得到的加速度信号。

6.根据权利要求1所述的基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，其特征在于，所述三向六自由度振动台还包括导轨一、导轨二，所述Z向底座与导轨一滑动连接且Z向底座与导轨一之间的滑动方向与X向作动器的加载方向呈平行设置，所述Y向作动器与导轨二滑动连接且Y向作动器与导轨二之间的滑动方向与X向作动器的加载方向呈平行设置。

说明书

基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，属于电液伺服台阵系统的控制技术领域。

背景技术

[0002] 振动台试验是最真实地评价结构体系非线性动力响应的方法，能够比较真实地再现地震过程，主要用于检验结构的抗震设计理论、方法和计算模型的正确性。目前电液伺服
振动台试验是进行结构抗震研究的一个重要手段，并且已经得到了广泛应用。

[0003] 目前较先进的振动台一般具有三向六自由度，其典型结构如图1所示，振动台的台面上沿垂直向Z装有4个作动器(编号分别为：Z1，Z2，Z3，Z4)，沿水平向X和Y分别装有2个作
动器(X1，X2，Y1，Y2)，台面在8个作动器的推动下可沿X、Y、Z轴平动(即X、Y、Z自由度)或绕X、
Y、Z轴转动(即Roll、Pitch、Yaw自由度)。每个作动器内部安装有位移传感器，振动台面上装
有加速度传感器，控制器的数采模块采集传感器信号并实时计算振动台的位置和加速度信
息。

[0004] 受现有振动台本身承载能力及台面尺寸的局限，很难满足大跨度的桥梁、房屋等结构的试验需求。目前解决上述问题的方法有：

[0005] 1、进一步缩小模型尺寸。但缩尺模型的振动台试验要求所有参数均满足相似原理，这在实际中很难做到，且模型缩小的越多，试验结果与原型试验相差的越多。

[0006] 2、增大振动台台面尺寸和负载能力。但振动台的增大必然导致系统建设成本、维护费用和试验费用增加，建造周期增长等，且无限增大振动台规模也是不现实的。

[0007] 3、使用双振动台或多振动台组成振动台阵。但该技术存在以下局限：

[0008] 3.1、当试件刚度很大时，双台之间的微小位移误差都会引起试件的附加内力，从而导致试件产生非预期的破坏，现有技术并未充分考虑该因素的影响。

[0009] 3.2、由于两单台在Pitch和Yaw自由度分别绕各自的Y轴和Z轴转动，转轴位置不同，当双台组合使用时，双台在该两个自由度无法实现同步运动，导致组合后的大台仅剩X，
Y，Z，Roll四个运动自由度。

[0010] 3.3、现有技术一般使用一个控制器来控制组成台阵的多个振动台，当作为单台使用时同一时间内仅能控制一个单台进行试验，其他单台处于闲置状态，降低了使用效率。

发明内容

[0011] 本发明针对现有技术存在的不足，提供了基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，具体技术方案如下：

[0012] 基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，包括两台三向六自由度振动台、用来控制第一台三向六自由度振动台运动的A台控制器、用来控制第二台三向六自由度
振动台运动的B台控制器，所述三向六自由度振动台包括振动台面、X向底座、安装在振动台
面与X向底座之间且用来对振动台面的X向进行加载的X向作动器、Y向底座、安装在振动台
面与Y向底座之间且用来对振动台面的Y向进行加载的Y向作动器、Z向底座、安装在振动台
面与Z向底座之间且用来对振动台面的Z向进行加载的Z向作动器，X向作动器、Y向作动器和
Z向作动器均在内部安装有位移传感器和压力传感器，X向作动器、Y向作动器和Z向作动器
均设置有用来控制其运动的伺服阀，振动台面处安装有加速度传感器，位移传感器、压力传
感器和加速度传感器所采集得到的采集信号传输给A台控制器或B台控制器，采集信号经过
运算得到运算信息，将运算信息与命令信号作比较，经二次运算与D/A转换，输出驱动信号，
再经功率放大后，输出给伺服阀，调节伺服阀开度，实现三向六自由度振动台的闭环控制。

[0013] 作为上述技术方案的改进，当两台三向六自由度振动台独自工作时，两台振动台面之间不安装有任何刚性试件，A台控制器和B台控制器分别独自工作并不进行通讯。

[0014] 作为上述技术方案的改进，当两台三向六自由度振动台组成台阵工作时，两台振动台面之间固定安装有刚性试件，A台控制器和B台控制器之间通过实时共享内存卡进行通
讯；所述运算信息是通过对位移信号、压力信号、加速度信号进行实时计算得出对应的振动
台面的位置、推力信号、加速度信息；台阵的命令信号由A台控制器输入且同步输出给B台控
制器，同时两台三向六自由度振动台将各自由度的推力信号实时发送给对方，A台控制器和
B台控制器将两台三向六自由度振动台各自由度的推力信号作差后得到两台三向六自由度
振动台各自施加到试件上的附加内力；经过A台控制器和B台控制器的处理运算后，将运算
结果分别叠加到对应A台控制器和B台控制器所输出的驱动信号上，使对应的X向作动器/Y
向作动器/Z向作动器推动振动台面沿产生的附加内力相反方向进行相对运动；

[0015] 运算公式为：

[0016] CAi＝‑GAi(FAi‑FBi)

[0017] CBi＝GBi(FAi‑FBi)

[0018] i＝X，Y，Z，Roll，Pitch，Yaw

[0019] 其中，CAi为叠加到A台三向六自由度振动台各自由度驱动信号上的值，CBi为叠加到B台三向六自由度振动台各自由度驱动信号上的值，GAi为A台三向六自由度振动台各自由
度叠加值的调节增益，GBi为B台三向六自由度振动台各自由度叠加值的调节增益，FAi为A台
三向六自由度振动台合成的各自由度的推力值，FBi为B台三向六自由度振动台合成的各自
由度的推力值，A台三向六自由度振动台即第一台三向六自由度振动台，B台三向六自由度
振动台即第二台三向六自由度振动台。

[0020] HDA＝HDB＝HD(0，0，0)

[0021] H′DA＝H′DB＝H′D(0，0，0)

[0022] 其中，作动器位移是指X向作动器/Y向作动器/Z向作动器的位移值，HDA为A台三向六自由度振动台的自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HDB为B台三向六自由度振动台的
自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HD(0，0，0)为以台面中心为原点时的自由度位移到
作动器位移的解耦矩阵；H′DA为A台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成
矩阵，H′DB为B台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(0，0，0)
为以台面中心为原点时作动器位移到自由度位移的合成矩阵，台面中心为振动台面的中心
点。

[0023] 作为上述技术方案的改进，当两台三向六自由度振动台组成台阵工作时，

[0024] 台阵的转轴中心为两台振动台面中心连线的中点，设两台振动台面的中心距离为2l，两台三向六自由度振动台的自由度位移与作动器位移之间的解耦矩阵和合成矩阵为：

[0025] HDA＝HD(l，0，0)

[0026] HDB＝HD(‑l，0，0)

[0027] H′DA＝H′D(l，0，0)

[0028] H′DB＝H′D(‑l，0，0)

[0029] 其中，作动器位移是指X向作动器/Y向作动器/Z向作动器的位移值，HDA为A台三向六自由度振动台的自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HDB为B台三向六自由度振动台的
自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HD(l，0，0)为以点(l，0，0)为原点时自由度位移到作
动器位移的解耦矩阵，HD(‑l，0，0)为以点(‑l，0，0)为原点时自由度位移到作动器位移的解
耦矩阵；H′DA为A台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′DB为B台
三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(‑l，0，0)为以点(‑l，0，
0)为原点时作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(l，0，0)为以点(l，0，0)为原点时作
动器位移到自由度位移的合成矩阵。

[0030] 作为上述技术方案的改进，所述振动台面在各自由度的位移分别设为XD，YD，ZD，RD，PD，WD；振动台面在扭曲自由度上的值分别为TD，VD；两个X向作动器的位移值分别为XD1，
XD2；两个Y向作动器的位移值分别为YD1，YD2；四个Z向作动器的位移值分别为ZD1，ZD2，ZD3，ZD4；
两个X向作动器之间球铰距离为2l1，两个Y向作动器之间球铰距离为2l1，四个Z向作动器相
互之间呈等间距设置，相邻两个Z向作动器之间球铰距离为2l2，Cx是台阵的转轴位置相对于
以原振动台面中心为原点的转轴位置沿X向的平移距离，Cy是台阵的转轴位置相对于以原
振动台面中心为原点的转轴位置沿Y向的平移距离，Cz是台阵的转轴位置相对于以原振动
台面中心为原点的转轴位置沿Z向的平移距离，则由XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD到XD1，XD2，YD1，
YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4的解耦方程为：

[0031]

[0032] 由XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD到XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4的解耦矩阵为：

[0033]

[0034] 由XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4到XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD的合成矩阵为：

[0035] H′D(Cx，Cy，Cz)＝HD‑1(Cx，Cy，Cz)

[0036] 台阵的转轴以振动台面的台面中心为原点时，

[0037] Cx＝Cy＝Cz＝0。

[0038] 作为上述技术方案的改进，每台三向六自由度振动台的X向安装有两个X向作动器，每台三向六自由度振动台的Y向安装有两个Y向作动器，每台三向六自由度振动台的Z向
安装有四个Z向作动器。

[0039] 作为上述技术方案的改进，所述采集信号包括位移传感器所采集得到的位移信号、压力传感器所采集得到的压力信号、加速度传感器所采集得到的加速度信号。

[0040] 作为上述技术方案的改进，所述三向六自由度振动台还包括导轨一、导轨二，所述Z向底座与导轨一滑动连接且Z向底座与导轨一之间的滑动方向与X向作动器的加载方向呈
平行设置，所述Y向作动器与导轨二滑动连接且Y向作动器与导轨二之间的滑动方向与X向
作动器的加载方向呈平行设置。

[0041] 本发明的有益效果：

[0042] 针对电液伺服振动台无法满足大跨度的桥梁、房屋等结构试验需求的问题，本发明提供了用于解决电液伺服振动台之间协同控制的方法和装置。

[0043] 本发明通过对双台三向六自由度振动台使用独立的控制器，且控制器之间使用实时共享内存卡通讯。从而实现在单台工作模式下，各单台三向六自由度振动台互不影响，可
同时运行，提高系统试验效率。而在双台阵工作模式下，双台三向六自由度振动台将各自由
度的推力信号实时发送给对方，两个控制器将自己和对方各自由度的推力信号作差后得到
两台之间施加到试件上的附加内力。控制器对该内力进行处理运算后，将结果分别叠加到
各自输出的驱动信号上，使作动器推动振动台台面沿产生该内力相反的方向进行相对运
动。从而消除双台施加到试件上的附加内力，避免试件损坏和系统控制失稳。另外，通过向
自由度的位移值与作动器位移值之间的解耦矩阵和合成矩阵引入参数(Cx，Cy，Cz)可任意修
改单台控制的转轴中心，实现双台组合时“大台”(台阵)在Pitch(绕Y轴转动)和Yaw(绕Z轴
转动)自由度仍可实现同步运动。

附图说明

[0044] 图1为现有三向六自由度的振动台的作动器安装示意图；

[0045] 图2为本发明所述基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置的结构示意图；

[0046] 图3为实施例2所述单台三向六自由度振动台的结构示意图；

[0047] 图4为实施例2所述基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置的控制流程图；

[0048] 图5为实施例3所述基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置的结构示意图；

[0049] 图6为实施例3所述基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置的控制流程图。

具体实施方式

[0050] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0051] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位
或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而
不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能
理解为指示或暗示相对重要性。

[0052] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0053] 实施例1

[0054] 如图2所示，所述基于电液伺服的双台阵系统大刚度试件试验装置，包括两台三向六自由度振动台、用来控制第一台三向六自由度振动台运动的A台控制器、用来控制第二台
三向六自由度振动台运动的B台控制器，所述三向六自由度振动台包括振动台面、X向底座、
安装在振动台面与X向底座之间且用来对振动台面的X向进行加载的X向作动器、Y向底座、
安装在振动台面与Y向底座之间且用来对振动台面的Y向进行加载的Y向作动器、Z向底座、
安装在振动台面与Z向底座之间且用来对振动台面的Z向进行加载的Z向作动器；X向作动
器、Y向作动器和Z向作动器均在内部安装有位移传感器和压力传感器，X向作动器、Y向作动
器和Z向作动器均设置有用来控制其运动的伺服阀，振动台面处安装有加速度传感器，位移
传感器、压力传感器和加速度传感器所采集得到的采集信号传输给A台控制器或B台控制
器，采集信号经过运算得到运算信息，将运算信息与命令信号作比较，经二次运算与D/A转
换，输出驱动信号，再经功率放大后，输出给伺服阀，调节伺服阀开度，实现三向六自由度振
动台的闭环控制。

[0055] 在本实施例中，每台三向六自由度振动台的X向安装有两个X向作动器，每台三向六自由度振动台的Y向安装有两个Y向作动器，每台三向六自由度振动台的Z向安装有四个Z
向作动器。

[0056] X向作动器、Y向作动器和Z向作动器均采用基于电液伺服的作动器，在本实施例中，总共采用8个作动器；X向作动器、Y向作动器、Z向作动器的命名是基于作动器的安装位
置以及用途来命名来区分。

[0057] 在本实施例中，所述采集信号包括位移传感器所采集得到的位移信号、压力传感器所采集得到的压力信号、加速度传感器所采集得到的加速度信号。采用通过集成在A台控
制器/B台控制器内部的数采模块来完成。

[0058] 对于单台三向六自由度振动台来说，振动台面在在8个作动器的推动下可沿X、Y、Z轴/向平动或绕X/Y/Z轴(Roll，Pitch，Yaw)转动。每个作动器内部安装有位移传感器和压力
传感器，振动台面上装有加速度传感器。A台控制器、B台控制器均为控制三向六自由度振动
台运动的控制器，只是基于区分目的，才分别将其命名为A台控制器、B台控制器。

[0059] 实施例2

[0060] 当两台三向六自由度振动台独自工作时，两台振动台面之间不安装有任何刚性试件，A台控制器和B台控制器分别独自工作并不进行通讯。

[0061] 如图2‑4所示，两台三向六自由度振动台之间无任何联系，每个振动台受各自A台控制器或B台控制器控制运动，互不影响。图4中的A台命令信号是对应A台三向六自由度振
动台，A台三向六自由度振动台即第一台三向六自由度振动台，B台三向六自由度振动台即
第二台三向六自由度振动台。图4中的驱动信号A、伺服阀A、作动器A、台面A(A台三向六自由
度振动台的台面)、加速度信号A、位移信号A、压力信号A均是匹配A台三向六自由度振动台。
同理，驱动信号B、伺服阀B、作动器B、台面B(B台三向六自由度振动台的台面)、加速度信号
B、位移信号B、压力信号B均是匹配B台三向六自由度振动台。

[0062] 当两台三向六自由度振动台独自工作时，两台三向六自由度振动台的自由度位移与作动器位移之间的解耦矩阵和合成矩阵为：

[0063] HDA＝HDB＝HD(0，0，0)

[0064] H′DA＝H′DB＝H′D(0，0，0)

[0065] 其中，作动器位移是指X向作动器/Y向作动器/Z向作动器的位移值，HDA为A台三向六自由度振动台的自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HDB为B台三向六自由度振动台的
自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HD(0，0，0)为以台面中心为原点时的自由度位移到
作动器位移的解耦矩阵；H′DA为A台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成
矩阵，H′DB为B台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(0，0，0)
为以台面中心为原点时作动器位移到自由度位移的合成矩阵，台面中心为振动台面的中心
点。

[0066] 实施例3

[0067] 如图5、6所示，当两台三向六自由度振动台组成台阵工作时，两台振动台面之间固定安装有刚性试件，A台控制器和B台控制器之间通过实时共享内存卡进行通讯；所述运算
信息是通过对位移信号、压力信号、加速度信号进行实时计算得出对应的振动台面的位置、
推力信号、加速度信息；台阵的命令信号由A台控制器输入且同步输出给B台控制器，同时两
台三向六自由度振动台将各自由度的推力信号实时发送给对方，A台控制器和B台控制器将
两台三向六自由度振动台各自由度的推力信号作差后得到两台三向六自由度振动台各自
施加到试件上的附加内力。为消除该内力，对其进行处理运算，经过A台控制器和B台控制器
的处理运算后，将运算结果分别叠加到对应A台控制器和B台控制器所输出的驱动信号上，
使对应的X向作动器/Y向作动器/Z向作动器推动振动台面沿产生的附加内力相反方向进行
相对运动。

[0068] 运算公式为：

[0069] CAi＝‑GAi(FAi‑FBi)

[0070] CBi＝GBi(FAi‑FBi)

[0071] i＝X，Y，Z，Roll，Pitch，Yaw

[0072] 其中，CAi为叠加到A台三向六自由度振动台各自由度驱动信号上的值，CBi为叠加到B台三向六自由度振动台各自由度驱动信号上的值，GAi为A台三向六自由度振动台各自由
度叠加值的调节增益，GBi为B台三向六自由度振动台各自由度叠加值的调节增益，FAi为A台
三向六自由度振动台合成的各自由度的推力值，FBi为B台三向六自由度振动台合成的各自
由度的推力值，A台三向六自由度振动台即第一台三向六自由度振动台，B台三向六自由度
振动台即第二台三向六自由度振动台。

[0073] 首先，在两台振动台面之间固定安装有刚性试件，达到图5中的“刚性连接”要求。两台振动台面之间不能安装柔性连接件，使用柔性连接件会导致两台振动台面之间的内力
全部通过试件传递，从而引起试件产生非预期的破坏。

[0074] 在本实施例中，当两台三向六自由度振动台组成台阵工作时，

[0075] 台阵的转轴中心为两台振动台面中心连线的中点，设两台振动台面的中心距离为2l，两台三向六自由度振动台的自由度位移与作动器位移之间的解耦矩阵和合成矩阵为：

[0076] HDA＝HD(l，0，0)

[0077] HDB＝HD(‑l，0，0)

[0078] H′DA＝H′D(l，0，0)

[0079] H′DB＝H′D(‑l，0，0)

[0080] 其中，作动器位移是指X向作动器/Y向作动器/Z向作动器的位移值，HDA为A台三向六自由度振动台的自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HDB为B台三向六自由度振动台的
自由度位移到作动器位移的解耦矩阵，HD(l，0，0)为以点(l，0，0)为原点时自由度位移到作
动器位移的解耦矩阵，HD(‑l，0，0)为以点(‑l，0，0)为原点时自由度位移到作动器位移的解
耦矩阵；H′DA为A台三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′DB为B台
三向六自由度振动台的作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(‑l，0，0)为以点(‑l，0，
0)为原点时作动器位移到自由度位移的合成矩阵，H′D(l，0，0)为以点(l，0，0)为原点时作
动器位移到自由度位移的合成矩阵。

[0081] 所述振动台面在各自由度的位移分别设为XD，YD，ZD，RD，PD，WD；振动台面在扭曲自由度上的值分别为TD，VD；两个X向作动器的位移值分别为XD1，XD2；两个Y向作动器的位移值
分别为YD1，YD2；四个Z向作动器的位移值分别为ZD1，ZD2，ZD3，ZD4；两个X向作动器之间球铰距
离为2l1，两个Y向作动器之间球铰距离为2l1，四个Z向作动器相互之间呈等间距设置，相邻
两个Z向作动器之间球铰距离为2l2，Cx是台阵的转轴位置相对于以原振动台面中心为原点
的转轴位置沿X向的平移距离，Cy是台阵的转轴位置相对于以原振动台面中心为原点的转
轴位置沿Y向的平移距离，Cz是台阵的转轴位置相对于以原振动台面中心为原点的转轴位
置沿Z向的平移距离，则由XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD到XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4的解耦
方程为：

[0082]

[0083] 由XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD到XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4的解耦矩阵为：

[0084]

[0085] 由XD1，XD2，YD1，YD2，ZD1，ZD2，ZD3，ZD4到XD，YD，ZD，RD，PD，WD，TD，VD的合成矩阵为：

[0086] H′D(Cx，Cy，Cz)＝HD‑1(Cx，Cy，Cz)

[0087] 台阵的转轴以振动台面的台面中心为原点时，

[0088] Cx＝Cy＝Cz＝0。

[0089] 常规解耦方法只能以单个台面中心为原点进行X，Y，Z，Roll，Pitch，Yaw六个自由度的运动，由于A、B两台三向六自由度振动台的运动坐标系的原点不在同一点，两台三向六
自由度振动台组成的台阵(沿X向组成)便无法在Pitch和Yaw自由度进行整体运动。本发明
所述解耦方法可以将A、B两台三向六自由度振动台的运动中心设定到同一点(A、B两台三向
六自由度振动台的台面中心连线的中点)，使组成的台阵可以以该点为原点在六个自由度
进行整体运动。

[0090] 实施例4

[0091] 所述三向六自由度振动台还包括导轨一、导轨二，所述Z向底座与导轨一滑动连接且Z向底座与导轨一之间的滑动方向与X向作动器的加载方向呈平行设置，所述Y向作动器
与导轨二滑动连接且Y向作动器与导轨二之间的滑动方向与X向作动器的加载方向呈平行
设置。

[0092] 首先，在试验过程中，所述Z向底座与导轨一滑动连接采用螺栓固定连接，所述Y向作动器与导轨二采用螺栓固定连接。当需要根据刚性试件的长度来调整两台三向六自由度
振动台自己的间距，由于通过将“Z向底座与导轨一滑动连接且Z向底座与导轨一之间的滑
动方向与X向作动器的加载方向呈平行设置，所述Y向作动器与导轨二滑动连接且Y向作动
器与导轨二之间的滑动方向与X向作动器的加载方向呈平行设置”这个设计，方便根据刚性
试件的长度来调整两台三向六自由度振动台自己的间距，调整完毕之后，再将所述Z向底座
与导轨一滑动连接采用螺栓固定连接，所述Y向作动器与导轨二采用螺栓固定连接。

[0093] 滑动连接采用燕尾槽配合燕尾状凸块的连接方式，保证滑动连接的稳定性和精确度。

[0094] 在上述实施例中，本发明通过对双台三向六自由度振动台使用独立的控制器，且控制器之间使用实时共享内存卡通讯。从而实现在单台工作模式下，各单台三向六自由度
振动台互不影响，可同时运行，提高系统试验效率。而在双台阵工作模式下，双台三向六自
由度振动台将各自由度的推力信号实时发送给对方，两个控制器将自己和对方各自由度的
推力信号作差后得到两台之间施加到试件上的附加内力。控制器对该内力进行处理运算
后，将结果分别叠加到各自输出的驱动信号上，使作动器推动振动台台面沿产生该内力相
反的方向进行相对运动。从而消除双台施加到试件上的附加内力，避免试件损坏和系统控
制失稳。另外，通过向自由度的位移值与作动器位移值之间的解耦矩阵和合成矩阵引入参
数(Cx，Cy，Cz)，可任意修改单台控制的转轴中心，实现双台组合时“大台”(台阵)在Pitch(绕
Y轴转动)和Yaw(绕Z轴转动)自由度仍可实现同步运动。

[0095] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。