本文關(guān)鍵詞：地震模擬振動臺的時域復(fù)現(xiàn)控制策略研究

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【摘要】：地震是人類社會的重大自然災(zāi)害,利用地震模擬振動臺進行時域復(fù)現(xiàn)試驗是較為真實的地震模擬試驗,是目前研究結(jié)構(gòu)抗震性能最直接也是較準確的試驗方法。地震模擬試驗普遍存在下列特點：試件動態(tài)特性易發(fā)生變化、試驗的下限頻率較低、系統(tǒng)辨識對試件易造成損傷。針對上述問題,目前的控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)較高精度的地震模擬試驗。所以有必要對地震模擬振動臺的伺服控制和振動控制進行研究。為了對地震模擬控制策略進行研究,本文構(gòu)建了單自由度和多自由度地震模擬振動臺,重點描述了其中的全數(shù)字伺服控制和振動控制系統(tǒng),并對地震模擬振動臺的檢定方法進行了研究,按照國家標準對剛性負載下的系統(tǒng)性能進行檢定,結(jié)果表明兩套系統(tǒng)均可以獲得較高的控制精度。由于液壓振動臺系統(tǒng)具有阻尼比小,固有頻率低的特點,需要利用三參量伺服控制的極點配置方法對系統(tǒng)頻響特性進行修正。傳統(tǒng)的三參量伺服控制僅適用于剛性負載,針對彈性負載容易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),所以本文提出了改進的伺服控制方法：首先實現(xiàn)了對彈性試件的三參量伺服控制；然后在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)初始頻響函數(shù)的獲得方法進行了優(yōu)化改良,可以在試驗精度下降不大的前提下,無需系統(tǒng)辨識步驟直接進行較高精度的地震模擬試驗；最后針對液壓振動系統(tǒng)中普遍存在的摩擦力非線性因素提出了基于LUGRE摩擦數(shù)學(xué)模型的反步積分控制方法。通過仿真驗證和試驗驗證了上述控制方法的有效性。要實現(xiàn)高精度的地震模擬試驗,必須要提高系統(tǒng)辨識的精度,在對時域辨識方法和頻域辨識方法分析的基礎(chǔ)上,本文選擇了Hv頻域方法對地震模擬系統(tǒng)的頻響特性進行辨識；由于地震模擬試件與振動臺耦合后容易產(chǎn)生病態(tài)的系統(tǒng)頻響特性矩陣,本文分析了病態(tài)現(xiàn)象的原理以及對控制精度的影響,采用偽秩對頻響特性矩陣進行降秩近似,控制了矩陣病態(tài)性的危害,并通過仿真驗證了算法的有效性。地震模擬試驗在低頻段時域復(fù)現(xiàn)試驗誤差較大,而在試件的彈塑性階段時,頻響特性的快速變化會導(dǎo)致控制精度下降。本文提出多運動參量地震模擬控制方法,同時實現(xiàn)了加速度迭代和位移迭代,大大提高低頻段控制精度；然后,提出地震模擬快速迭代控制方法,在保證低頻控制精度的前提下,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度以適應(yīng)試件頻響特性的快速變化；最后,通過試驗驗證了上述控制算法的有效性。多自由度地震模擬試驗在正式試驗過程中,無法更新系統(tǒng)頻響特性,在地震模擬試件進入彈塑性階段后,由于系統(tǒng)頻響特性變化較快,會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文提出改進算法：實現(xiàn)了在試驗過程中對系統(tǒng)頻響特性變化的估算；進而確定系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的頻率區(qū)域,并在對試件損傷較小的前提下,實現(xiàn)了對這部分頻段的系統(tǒng)頻響特性更新,進而更新系統(tǒng)驅(qū)動信號；通過仿真和試驗研究,驗證了該控制方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：地震模擬振動臺 時域波形復(fù)現(xiàn) 彈性負載 彈塑性試件 阻抗辨識 迭代控制 頻響特性矩陣病態(tài)性 多運動參量復(fù)現(xiàn)控制
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P315.8
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 緒論14-34
• 1.1 研究背景與研究意義14-15
• 1.2 抗震試驗研究的發(fā)展15-17
• 1.2.1 擬靜力試驗方法15-16
• 1.2.2 擬動力試驗方法16
• 1.2.3 地震模擬振動臺試驗方法16-17
• 1.3 地震模擬振動臺的國內(nèi)外研究進展17-22
• 1.3.1 國外發(fā)展17-18
• 1.3.2 國內(nèi)發(fā)展18-20
• 1.3.3 發(fā)展趨勢20-22
• 1.4 地震模擬控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究進展22-30
• 1.4.1 伺服控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀23-24
• 1.4.2 振動控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀24-30
• 1.5 論文研究思路與內(nèi)容安排30-34
• 1.5.1 論文的研究思路30-31
• 1.5.2 論文的內(nèi)容安排31-34
• 2 地震模擬振動臺系統(tǒng)的構(gòu)建34-62
• 2.1 引言34
• 2.2 研究對象概況34-36
• 2.2.1 單自由度地震模擬振動臺34-35
• 2.2.2 多自由度地震模擬振動臺35-36
• 2.3 地震模擬振動臺系統(tǒng)整體構(gòu)成36-42
• 2.3.1 電液激振系統(tǒng)36-39
• 2.3.2 臺體及臺面機械系統(tǒng)39-42
• 2.3.3 傳感器42
• 2.4 地震模擬振動臺控制系統(tǒng)42-50
• 2.4.1 全數(shù)字式多通道伺服控制關(guān)鍵技術(shù)43-48
• 2.4.2 多軸振動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)48-50
• 2.5 地震模擬振動臺的技術(shù)性能指標50-60
• 2.5.1 單自由度液壓振動臺的檢定方法51-55
• 2.5.2 多自由度液壓振動臺的檢定方法55-60
• 2.6 本章小結(jié)60-62
• 3 地震模擬臺伺服控制系統(tǒng)研究62-90
• 3.1 引言62
• 3.2 振動臺液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型62-66
• 3.2.1 伺服閥流量方程62-63
• 3.2.2 液壓缸的流量方程63-64
• 3.2.3 試件特性方程64-66
• 3.3 傳統(tǒng)的三參量伺服控制策略66-69
• 3.3.1 三參量反饋控制66-68
• 3.3.2 三參量順饋控制68
• 3.3.3 輸入濾波器的設(shè)計68-69
• 3.4 改進的三參量伺服控制方法研究69-79
• 3.4.1 彈性試件力學(xué)模型70-72
• 3.4.2 彈性試件的伺服控制研究72-74
• 3.4.3 系統(tǒng)初始頻響特性辨識方法優(yōu)化74
• 3.4.4 試驗研究74-79
• 3.5 基于LUGRE模型的振動臺摩擦力補償研究79-88
• 3.5.1 摩擦力對地震模擬系統(tǒng)的影響79
• 3.5.2 LUGRE摩擦力模型79-80
• 3.5.3 反步積分控制器的設(shè)計80-85
• 3.5.4 仿真研究85-88
• 3.6 本章小結(jié)88-90
• 4 地震模擬振動臺的系統(tǒng)辨識及其病態(tài)問題研究90-114
• 4.1 引言90
• 4.2 系統(tǒng)辨識中的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)90-94
• 4.2.1 時域模型90-91
• 4.2.2 頻域模型91-93
• 4.2.3 辨識模型分析93-94
• 4.3 地震模擬系統(tǒng)頻響函數(shù)估計方法94-99
• 4.3.1 輸出端存在噪聲的模型94-96
• 4.3.2 輸入端存在噪聲的模型96-97
• 4.3.3 輸入輸出端存在噪聲的模型97-99
• 4.4 頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的病態(tài)問題99-113
• 4.4.1 病態(tài)問題的概念100-101
• 4.4.2 病態(tài)程度的度量方法101-105
• 4.4.3 病態(tài)現(xiàn)象的消除105-109
• 4.4.4 仿真研究109-113
• 4.5 本章小結(jié)113-114
• 5 單軸時域復(fù)現(xiàn)振動控制技術(shù)研究114-134
• 5.1 引言114
• 5.2 多運動參量地震模擬控制方法研究114-122
• 5.2.1 加速度時域復(fù)現(xiàn)的控制方法分析115-116
• 5.2.2 多運動參量時域復(fù)現(xiàn)的控制方法116-119
• 5.2.3 試驗研究119-122
• 5.3 試件彈塑性階段的地震模擬臺控制方法研究122-131
• 5.3.1 地震臺在試件彈塑性階段的頻響特性研究122-124
• 5.3.2 加速度迭代控制方法分析124
• 5.3.3 地震模擬快速迭代控制方法124-127
• 5.3.4 試驗研究127-131
• 5.4 本章小結(jié)131-134
• 6 多軸時域復(fù)現(xiàn)振動控制技術(shù)研究134-156
• 6.1 引言134
• 6.2 傳統(tǒng)控制方法134-139
• 6.2.1 控制原理134-135
• 6.2.2 系統(tǒng)特性變化對試驗性能的影響分析135-139
• 6.3 多軸時域復(fù)現(xiàn)改進的控制方法139-145
• 6.3.1 頻響特性誤差的估算139-141
• 6.3.2 系統(tǒng)阻抗的局部更新方法141-142
• 6.3.3 仿真研究142-145
• 6.4 試驗研究145-154
• 6.5 本章小結(jié)154-156
• 7 總結(jié)與展望156-160
• 7.1 論文總結(jié)156-158
• 7.2 主要創(chuàng)新點158-159
• 7.3 工作展望159-160
• 參考文獻160-172
• 科研成果172

【參考文獻】

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本文編號：1134142