本文選題：離心振動臺 + 耦合特性分析��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：繼汶川8.0級特大地震災(zāi)害后,近五年中國又相繼遭受了玉樹、雅安、魯?shù)榈卣鸬南炊Y,中國已進(jìn)入一個(gè)地震災(zāi)害頻發(fā)的時(shí)代。地震災(zāi)害除引起房屋或其他結(jié)構(gòu)的大面積坍塌外,巖土結(jié)構(gòu)破壞造成的直接、間接損失也逐漸引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。為了研究巖土結(jié)構(gòu)在地震環(huán)境下的破壞機(jī)理,中國地震局工程力學(xué)研究所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)正在研制世界第二大單軸離心地震模擬振動臺,待其研制成功后將為國內(nèi)土工抗震領(lǐng)域研究提供便利的試驗(yàn)條件,具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對離心振動臺本身及其所完成試驗(yàn)的特殊性,建立離心振動臺的耦合模型,研究相應(yīng)的伺服控制和振動控制策略以獲得滿意的地震波復(fù)現(xiàn)精度。與普通振動臺相比,離心振動臺安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂末端的動力吊籃內(nèi),其主要試驗(yàn)對象是高縮比尺的巖土模型。高模型壓縮比對離心振動臺工作頻寬提出了更高要求,通常可達(dá)200Hz~300Hz;此時(shí),吊籃基礎(chǔ)和巖土模型的動態(tài)特性不可忽略。文中首先闡明了吊籃基礎(chǔ)對振動臺水平激振影響最大的主導(dǎo)模態(tài),并將其與上平臺的動態(tài)耦合劃分為運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)耦合兩部分;其次,將巖土模型的動態(tài)特性簡化為一階質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng),綜合建立了離心振動臺液壓動力機(jī)構(gòu)的線性耦合模型;然后,結(jié)合液壓動力機(jī)構(gòu)的四類基本方程推導(dǎo)了其耦合傳遞函數(shù),并在三種特殊工況下驗(yàn)證了該傳遞函數(shù)的正確性。最后,建立了離心振動臺中蓄能器、巖土模型、橡膠軸承、液壓動力機(jī)構(gòu)的非線性模型,綜合得到了離心振動臺的非線性耦合模型。離心振動臺是一類既包含耦合特性,又受眾多非線性因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)。離心振動臺伺服控制策略的參考信號是上平臺的絕對運(yùn)動,而位置閉環(huán)的控制量卻是上平臺與吊籃基礎(chǔ)間的相對位移,參考信號與控制量的不一致限制了系統(tǒng)的頻寬。另外,離心振動臺受蓄能器、巖土模型、橡膠軸承等非線性因素影響,保證在各非線性因素影響下位置閉環(huán)的穩(wěn)定性和控制精度是伺服控制策略的另一主要任務(wù)。針對上述兩方面問題,首先根據(jù)線性耦合模型推導(dǎo)相對運(yùn)動到絕對運(yùn)動的標(biāo)準(zhǔn)傳函形式,并采用遞推增廣最小二乘算法來辨識該耦合傳遞函數(shù),對辨識結(jié)果近似求逆且轉(zhuǎn)化為與標(biāo)準(zhǔn)傳函形式相同的連續(xù)傳遞函數(shù),即為所求解耦控制器。然后,推導(dǎo)了非線性因素影響下液壓動力機(jī)構(gòu)模型中各部分的名義傳函和攝動范圍,并選取適當(dāng)?shù)臄z動權(quán)重函數(shù)來包絡(luò)各部分的攝動范圍。其次,采用?綜合方法設(shè)計(jì)出既能保證位置閉環(huán)穩(wěn)定性,又能確保控制精度的魯棒反饋控制器。最后,設(shè)計(jì)了基于兩自由度控制的前饋控制器,進(jìn)一步拓展了位置控制系統(tǒng)的頻寬。仿真研究表明,采用魯棒反饋控制器、基于兩自由度控制的前饋控制器和解耦控制器后,伺服控制系統(tǒng)的加速度頻寬可提高至220Hz以上。為了提高離心振動臺的地震波復(fù)現(xiàn)精度,傳統(tǒng)離線迭代算法需多次重復(fù)激振整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)(包括巖土模型),以生成最終正式試驗(yàn)的驅(qū)動信號。離心振動試驗(yàn)的主要測試對象是巖土模型,振動臺上的每次地震波復(fù)現(xiàn)均會使巖土模型發(fā)生不可逆的破壞;為了減少巖土模型的損失和破壞,需加快離線迭代的收斂速度、減小迭代次數(shù)。文中首先理論推導(dǎo)了離線迭代算法中收斂速度與頻響函數(shù)辨識精度間的關(guān)系,并指出傳統(tǒng)頻響函數(shù)的問題在于估計(jì)結(jié)果的方差過大。其次,基于Welch譜估計(jì)和最大熵譜估計(jì)提出了最優(yōu)頻響函數(shù)的融合方法,仿真表明所得最優(yōu)頻響函數(shù)更加光滑,其對應(yīng)的迭代過程也收斂更快。最后,提出了包含實(shí)時(shí)反饋回路的誤差補(bǔ)償算法,并采用基于靈敏度和輔助靈敏度的H?方法設(shè)計(jì)了算法中的誤差補(bǔ)償控制器,經(jīng)仿真驗(yàn)證,該算法可顯著減少離線迭代的次數(shù)。文中實(shí)驗(yàn)部分介紹了離心振動臺地面試驗(yàn)的總體布置方案,搭建了振動臺的機(jī)械、液壓和電氣系統(tǒng)�；趚 Pc Target快速控制原型技術(shù)開發(fā)了離心振動臺的實(shí)時(shí)控制程序和人機(jī)交互界面,對文中所提出的伺服控制策略和振動控制策略逐一進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了仿真研究中的結(jié)論,驗(yàn)證了文中所提出的各種控制算法的有效性。
[Abstract]:In order to study the damage mechanism of the centrifugal vibrating table itself and its characteristics , the nonlinear coupling model of the centrifugal vibrating table is established . A feedforward controller based on two degrees of freedom control is designed to further expand the frequency width of the position control system . The simulation results show that the acceleration bandwidth of the servo control system can be increased to more than 220Hz by using a robust feedback controller . In order to reduce the loss and damage of the centrifugal vibration table , the paper presents a real - time control program and a man - machine interaction interface of the centrifugal vibrating table .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P315.9

【引證文獻(xiàn)】

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1 馬險(xiǎn)峰;何之民;林明;;同濟(jì)大學(xué)巖土離心機(jī)的研發(fā)[A];中國水利學(xué)會2007學(xué)術(shù)年會物理模擬技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用分會場論文集[C];2007年

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本文編號：1948715