液压离心地震模拟振动台模型的建立及其控制策略研究

摘要

继汶川8.0级特大地震灾害后，近五年中国又相继遭受了玉树、雅安、鲁甸地震的洗礼，中国已进入一个地震灾害频发的时代。地震灾害除引起房屋或其他结构的大面积坍塌外，岩土结构破坏造成的直接、间接损失也逐渐引起了众多学者的关注。为了研究岩土结构在地震环境下的破坏机理，中国地震局工程力学研究所联合哈尔滨工业大学正在研制世界第二大单轴离心地震模拟振动台，待其研制成功后将为国内土工抗震领域研究提供便利的试验条件，具有极其重要的现实意义。本文针对离心振动台本身及其所完成试验的特殊性，建立离心振动台的耦合模型，研究相应的伺服控制和振动控制策略以获得满意的地震波复现精度。
　　与普通振动台相比，离心振动台安装在离心机转臂末端的动力吊篮内，其主要试验对象是高缩比尺的岩土模型。高模型压缩比对离心振动台工作频宽提出了更高要求，通常可达200Hz~300Hz；此时，吊篮基础和岩土模型的动态特性不可忽略。文中首先阐明了吊篮基础对振动台水平激振影响最大的主导模态，并将其与上平台的动态耦合划分为运动学和动力学耦合两部分；其次，将岩土模型的动态特性简化为一阶质量-弹簧-阻尼系统，综合建立了离心振动台液压动力机构的线性耦合模型；然后，结合液压动力机构的四类基本方程推导了其耦合传递函数，并在三种特殊工况下验证了该传递函数的正确性。最后，建立了离心振动台中蓄能器、岩土模型、橡胶轴承、液压动力机构的非线性模型，综合得到了离心振动台的非线性耦合模型。
　　离心振动台是一类既包含耦合特性，又受众多非线性因素影响的复杂系统。离心振动台伺服控制策略的参考信号是上平台的绝对运动，而位置闭环的控制量却是上平台与吊篮基础间的相对位移，参考信号与控制量的不一致限制了系统的频宽。另外，离心振动台受蓄能器、岩土模型、橡胶轴承等非线性因素影响，保证在各非线性因素影响下位置闭环的稳定性和控制精度是伺服控制策略的另一主要任务。针对上述两方面问题，首先根据线性耦合模型推导相对运动到绝对运动的标准传函形式，并采用递推增广最小二乘算法来辨识该耦合传递函数，对辨识结果近似求逆且转化为与标准传函形式相同的连续传递函数，即为所求解耦控制器。然后，推导了非线性因素影响下液压动力机构模型中各部分的名义传函和摄动范围，并选取适当的摄动权重函数来包络各部分的摄动范围。其次，采用?综合方法设计出既能保证位置闭环稳定性，又能确保控制精度的鲁棒反馈控制器。最后，设计了基于两自由度控制的前馈控制器，进一步拓展了位置控制系统的频宽。仿真研究表明，采用鲁棒反馈控制器、基于两自由度控制的前馈控制器和解耦控制器后，伺服控制系统的加速度频宽可提高至220Hz以上。
　　为了提高离心振动台的地震波复现精度，传统离线迭代算法需多次重复激振整个试验系统(包括岩土模型)，以生成最终正式试验的驱动信号。离心振动试验的主要测试对象是岩土模型，振动台上的每次地震波复现均会使岩土模型发生不可逆的破坏；为了减少岩土模型的损失和破坏，需加快离线迭代的收敛速度、减小迭代次数。文中首先理论推导了离线迭代算法中收敛速度与频响函数辨识精度间的关系，并指出传统频响函数的问题在于估计结果的方差过大。其次，基于Welch谱估计和最大熵谱估计提出了最优频响函数的融合方法，仿真表明所得最优频响函数更加光滑，其对应的迭代过程也收敛更快。最后，提出了包含实时反馈回路的误差补偿算法，并采用基于灵敏度和辅助灵敏度的H?方法设计了算法中的误差补偿控制器，经仿真验证，该算法可显著减少离线迭代的次数。
　　文中实验部分介绍了离心振动台地面试验的总体布置方案，搭建了振动台的机械、液压和电气系统。基于xPc Target快速控制原型技术开发了离心振动台的实时控制程序和人机交互界面，对文中所提出的伺服控制策略和振动控制策略逐一进行了实验研究，实验结果进一步证明了仿真研究中的结论，验证了文中所提出的各种控制算法的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 地震模拟振动台及相关领域的发展历程

1.3 离心振动台的国内外发展现状及综合比较分析

1.4 离心振动台中各关键技术的研究现状及综合比较分析

1.5 本文的主要研究内容

第2章 液压离心振动台的非线性耦合模型研究

2.1 引言

2.2 DCIEM离心振动系统与单轴离心振动台的总体结构介绍

2.3 离心振动台中吊篮基础的模态分析与耦合特性简化

2.4 离心振动台液压动力机构的耦合模型与传递函数建立

2.5 四类非线性因素的建模及离心振动台的非线性耦合模型

2.6 仿真分析

2.7 本章小结

第3章 液压离心振动台的伺服控制策略研究

3.1 引言

3.2 离心振动台伺服控制系统的特殊性及总体解决方案

3.3 离心振动台解耦控制器的标准传函形式和辨识求解方法

3.4 基于?综合方法的鲁棒位置反馈控制器设计与求解

3.5 基于两自由度控制策略的前馈补偿控制器设计

3.6 仿真研究

3.7 本章小结

第4章 液压离心振动台的振动控制策略研究

4.1 引言

4.2 离心振动台中离线迭代算法的应用及其收敛性分析

4.3 影响传统频响精度的因素分析及最优频响函数的融合求解

4.4 误差补偿控制算法对迭代过程的改善及补偿控制器的求解

4.5 仿真研究

4.6 本章小结

第5章 液压离心振动台的实验研究

5.1 引言

5.2 离心振动台的硬件及软件系统

5.3 离心振动台中三级伺服阀的频响及一致性测试

5.4 离心振动台的伺服控制策略验证

5.5 离心振动台的振动控制策略验证

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

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