实时子结构实验控制方法及数值仿真分析

摘要

随着抗震技术的发展,新的抗震方法和设备不断涌现,对结构(或构件)的动力特性的研究也提出了更高的要求.日本学者Nakashima提出的实时子结构实验方法通过对结构的关键构件或装置进行足尺(或原型)的实时加载实验,解决了以往的实验方法在实验设备的规模和加载速率上的限制难题.通过实时子结构实验,可以准确的反映速度相关型的结构或装置(如粘滞阻尼器等)的力学性能.为了满足大吨位加载的需要,实时子结构实验一般采用液压伺服加载系统.由于加载的实时性,液压伺服作动器的动力特性必然会对实时子结构的结果产生影响.目前世界各国结构实验室中液压伺服作动器的内部结构、生产工艺、生产厂家千差万别,因而其动力特性有很大差异.因此,通过实验去研究作动器动力特性对实验结果的影响,实验费用将很高.本文首先介绍液压伺服系统的数值模型建模方法,通过数值仿真的方法研究液压伺服系统的动力特性对实验结果的影响.结构在地震作用下往往进入非线性,很多结构控制装置的动力特性也为非线性.液压伺服作动器正常采用PID控制方法,这种控制方法的参数确定与试件的动力特性密切相关,试件参数发生变化时(例如试件更换),需重新标定.如果试件在实验过程中发生非线性现象,PID控制的控制效果会下降,甚至失去稳定.为了提高实时子结构实验控制系统的鲁棒性,本文提出液压伺服实验系统的滑动模态控制方法.本文最后对采用PID控制和滑动模态控制的实时子结构实验进行了数值仿真分析.数值仿真的结果表明:(1)滑动模态控制的控制精度和鲁棒性显著高于PID控制.(2)系统的动力特性对实验结果有很大影响,这种影响与试件的刚度、阻尼、计算时间间隔有关.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的背景和意义

1.2国内外本领域的研究现状及分析

1.2.1实时子结构实验方法的提出及原理

1.2.2实时子结构实验的硬件系统

1.2.3逐步积分算法

1.2.4时滞问题

1.2.5实验系统的控制

1.3本文主要研究内容

第2章实时子结构实验数值建模

2.1引言

2.2实验子结构模型

2.3电液伺服作动器模型

2.3.1电液伺服阀模型

2.3.2阀控液压缸模型

2.4 PID控制器模型

2.5本章小结

第3章液压伺服系统的滑动模态控制

3.1引言

3.2滑动模态控制方法(SMC)的基本原理

3.3实验系统的滑动模态控制

3.3.1实验系统的状态空间模型

3.3.2内模设计方法

3.4本章小结

第4章实时子结构实验数值仿真分析

4.1引言

4.2仿真分析方法及液压伺服作动器参数

4.3阶跃响应对比

4.4实验子结构为弹簧元件时的仿真分析

4.4.1计算时间间隔的影响

4.4.2试件刚度的影响

4.5实验子结构为有阻尼弹性元件时的仿真结果分析

4.5.1计算时间间隔的影响

4.5.2试件阻尼的影响

4.6实验子结构为弹簧元件时的多自由度仿真结果分析

4.7本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间完成的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢