地震模拟振动台的时域复现控制策略研究

发布时间：2017-11-03 02:05

  本文关键词：地震模拟振动台的时域复现控制策略研究

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【摘要】：地震是人类社会的重大自然灾害,利用地震模拟振动台进行时域复现试验是较为真实的地震模拟试验,是目前研究结构抗震性能最直接也是较准确的试验方法。地震模拟试验普遍存在下列特点：试件动态特性易发生变化、试验的下限频率较低、系统辨识对试件易造成损伤。针对上述问题,目前的控制系统不能实现较高精度的地震模拟试验。所以有必要对地震模拟振动台的伺服控制和振动控制进行研究。为了对地震模拟控制策略进行研究,本文构建了单自由度和多自由度地震模拟振动台,重点描述了其中的全数字伺服控制和振动控制系统,并对地震模拟振动台的检定方法进行了研究,按照国家标准对刚性负载下的系统性能进行检定,结果表明两套系统均可以获得较高的控制精度。由于液压振动台系统具有阻尼比小,固有频率低的特点,需要利用三参量伺服控制的极点配置方法对系统频响特性进行修正。传统的三参量伺服控制仅适用于刚性负载,针对弹性负载容易出现不稳定状态,所以本文提出了改进的伺服控制方法：首先实现了对弹性试件的三参量伺服控制；然后在此基础上对系统初始频响函数的获得方法进行了优化改良,可以在试验精度下降不大的前提下,无需系统辨识步骤直接进行较高精度的地震模拟试验；最后针对液压振动系统中普遍存在的摩擦力非线性因素提出了基于LUGRE摩擦数学模型的反步积分控制方法。通过仿真验证和试验验证了上述控制方法的有效性。要实现高精度的地震模拟试验,必须要提高系统辨识的精度,在对时域辨识方法和频域辨识方法分析的基础上,本文选择了Hv频域方法对地震模拟系统的频响特性进行辨识；由于地震模拟试件与振动台耦合后容易产生病态的系统频响特性矩阵,本文分析了病态现象的原理以及对控制精度的影响,采用伪秩对频响特性矩阵进行降秩近似,控制了矩阵病态性的危害,并通过仿真验证了算法的有效性。地震模拟试验在低频段时域复现试验误差较大,而在试件的弹塑性阶段时,频响特性的快速变化会导致控制精度下降。本文提出多运动参量地震模拟控制方法,同时实现了加速度迭代和位移迭代,大大提高低频段控制精度；然后,提出地震模拟快速迭代控制方法,在保证低频控制精度的前提下,提高系统的响应速度以适应试件频响特性的快速变化；最后,通过试验验证了上述控制算法的有效性。多自由度地震模拟试验在正式试验过程中,无法更新系统频响特性,在地震模拟试件进入弹塑性阶段后,由于系统频响特性变化较快,会导致系统出现不稳定现象。本文提出改进算法：实现了在试验过程中对系统频响特性变化的估算；进而确定系统可能出现不稳定的频率区域,并在对试件损伤较小的前提下,实现了对这部分频段的系统频响特性更新,进而更新系统驱动信号；通过仿真和试验研究,验证了该控制方法的有效性。
【关键词】：地震模拟振动台 时域波形复现 弹性负载 弹塑性试件 阻抗辨识 迭代控制 频响特性矩阵病态性 多运动参量复现控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P315.8
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-34
• 1.1 研究背景与研究意义14-15
• 1.2 抗震试验研究的发展15-17
• 1.2.1 拟静力试验方法15-16
• 1.2.2 拟动力试验方法16
• 1.2.3 地震模拟振动台试验方法16-17
• 1.3 地震模拟振动台的国内外研究进展17-22
• 1.3.1 国外发展17-18
• 1.3.2 国内发展18-20
• 1.3.3 发展趋势20-22
• 1.4 地震模拟控制系统的国内外研究进展22-30
• 1.4.1 伺服控制系统的研究现状23-24
• 1.4.2 振动控制系统的研究现状24-30
• 1.5 论文研究思路与内容安排30-34
• 1.5.1 论文的研究思路30-31
• 1.5.2 论文的内容安排31-34
• 2 地震模拟振动台系统的构建34-62
• 2.1 引言34
• 2.2 研究对象概况34-36
• 2.2.1 单自由度地震模拟振动台34-35
• 2.2.2 多自由度地震模拟振动台35-36
• 2.3 地震模拟振动台系统整体构成36-42
• 2.3.1 电液激振系统36-39
• 2.3.2 台体及台面机械系统39-42
• 2.3.3 传感器42
• 2.4 地震模拟振动台控制系统42-50
• 2.4.1 全数字式多通道伺服控制关键技术43-48
• 2.4.2 多轴振动控制系统关键技术48-50
• 2.5 地震模拟振动台的技术性能指标50-60
• 2.5.1 单自由度液压振动台的检定方法51-55
• 2.5.2 多自由度液压振动台的检定方法55-60
• 2.6 本章小结60-62
• 3 地震模拟台伺服控制系统研究62-90
• 3.1 引言62
• 3.2 振动台液压系统的数学模型62-66
• 3.2.1 伺服阀流量方程62-63
• 3.2.2 液压缸的流量方程63-64
• 3.2.3 试件特性方程64-66
• 3.3 传统的三参量伺服控制策略66-69
• 3.3.1 三参量反馈控制66-68
• 3.3.2 三参量顺馈控制68
• 3.3.3 输入滤波器的设计68-69
• 3.4 改进的三参量伺服控制方法研究69-79
• 3.4.1 弹性试件力学模型70-72
• 3.4.2 弹性试件的伺服控制研究72-74
• 3.4.3 系统初始频响特性辨识方法优化74
• 3.4.4 试验研究74-79
• 3.5 基于LUGRE模型的振动台摩擦力补偿研究79-88
• 3.5.1 摩擦力对地震模拟系统的影响79
• 3.5.2 LUGRE摩擦力模型79-80
• 3.5.3 反步积分控制器的设计80-85
• 3.5.4 仿真研究85-88
• 3.6 本章小结88-90
• 4 地震模拟振动台的系统辨识及其病态问题研究90-114
• 4.1 引言90
• 4.2 系统辨识中的数学模型结构90-94
• 4.2.1 时域模型90-91
• 4.2.2 频域模型91-93
• 4.2.3 辨识模型分析93-94
• 4.3 地震模拟系统频响函数估计方法94-99
• 4.3.1 输出端存在噪声的模型94-96
• 4.3.2 输入端存在噪声的模型96-97
• 4.3.3 输入输出端存在噪声的模型97-99
• 4.4 频率响应函数矩阵的病态问题99-113
• 4.4.1 病态问题的概念100-101
• 4.4.2 病态程度的度量方法101-105
• 4.4.3 病态现象的消除105-109
• 4.4.4 仿真研究109-113
• 4.5 本章小结113-114
• 5 单轴时域复现振动控制技术研究114-134
• 5.1 引言114
• 5.2 多运动参量地震模拟控制方法研究114-122
• 5.2.1 加速度时域复现的控制方法分析115-116
• 5.2.2 多运动参量时域复现的控制方法116-119
• 5.2.3 试验研究119-122
• 5.3 试件弹塑性阶段的地震模拟台控制方法研究122-131
• 5.3.1 地震台在试件弹塑性阶段的频响特性研究122-124
• 5.3.2 加速度迭代控制方法分析124
• 5.3.3 地震模拟快速迭代控制方法124-127
• 5.3.4 试验研究127-131
• 5.4 本章小结131-134
• 6 多轴时域复现振动控制技术研究134-156
• 6.1 引言134
• 6.2 传统控制方法134-139
• 6.2.1 控制原理134-135
• 6.2.2 系统特性变化对试验性能的影响分析135-139
• 6.3 多轴时域复现改进的控制方法139-145
• 6.3.1 频响特性误差的估算139-141
• 6.3.2 系统阻抗的局部更新方法141-142
• 6.3.3 仿真研究142-145
• 6.4 试验研究145-154
• 6.5 本章小结154-156
• 7 总结与展望156-160
• 7.1 论文总结156-158
• 7.2 主要创新点158-159
• 7.3 工作展望159-160
• 参考文献160-172
• 科研成果172

【参考文献】

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本文编号：1134142