三维六自由度地震模拟振动台系统控制技术研究与应用

摘要

近年来，随着大地震暴露出的新抗震问题，对地震模拟振动台试验提出了新的要求，地震模拟振动台控制技术研究也成为了热点问题。在台面控制技术、虚拟地震模拟振动台、非线性高级控制算法、台阵系统控制算法等方面的研究具有很高的理论应用价值，可为抗震理论提供重要的试验技术支撑。
　　本文以西安建筑科技大学三维六自由度地震模拟振动台为对象，在地震模拟振动台基本控制理论、地震模拟振动台基准性能、虚拟地震模拟振动及地震模拟振动台试验技术应用等方面进行了深入的研究，本文的主要研究内容如下：
　　（1）在已有控制理论的基础上，对地震模拟振动台电液伺服控制系统的作动器、蓄能器、三级伺服阀的工作原理进行了深入的理论研究；分析了地震模拟振动台的运动控制理论，包括系统闭环控制和三参量（TVC）控制的工作原理，可以实现系统的基本控制；分析了地震模拟振动台台面控制原理，包括了台面运行形式和自由度控制，可以确保系统的稳定性和良好工作状态；分析了APC、AHC、AIC、OLI等自适应控制技术的基本原理，实现系统的精度控制；对几何交叉耦合补偿、倾覆力矩补偿、偏心负载补偿、力平衡补偿、压差稳定补偿等特殊控制补偿技术进行了理论研究，分析了补偿功能原理，实现系统的重现精度。
　　（2）提出了地震模拟振动台基准性能测试方法，建立了静态性能、动态性能测试指标体系；基于地震模拟振动台静态性能，测试了位移精度、旋转角、加速度信噪比等性能指标，分析了各项测试数据，均以达到设计要求；基于地震模拟振动台动态性能，测试了在空载、20t、30t载荷三种情况下的X向、Y向、Z向的最大位移、最大速度、最大加速度，得出了地震模拟振动台最大功能曲线和最优性能；测试了地震模拟振动台系统的加速度不均匀度和倾覆力矩（80t·m），测试数据均表明控制系统反馈精度高，性能优良，达到设计要求。
　　（3）对地震模拟振动台的动力基础、台面及支撑系统、激振器系统、液压源系统、数字控制系统等进行全面系统的介绍，为今后地震模拟振动台的建设提供参考依据；采用Matlab-Simulink构建了三维六自由度虚拟地震模拟振动台系统模型，得出了虚拟地震模拟振动台系统幅频响应和运动姿态，结果显示与真实振动台具有相同的性态，能够精确模拟出系统存在的油柱共振等非线性动力特性，具备离线参数调试等功能。
　　（4）开展了5层钢筋混凝土框架结构模型地震模拟振动台试验，进行了静态支撑，三参量（TVC）、自适应逆控制（AIC）等参数研究，达到模型抗震试验要求；得出了5层钢筋混凝土框架结构模型的动力特性和关键部位加速度、位移响应，分析了不同工况下的动力反应规律，验证了结构模型的抗震性能。
　　（5）开展了GIS电气设备地震模拟振动台试验，设计合成了电气设备用人工地震动；进行了三参量（TVC）、自适应控制（AIC、OLI）等系统参数研究，达到抗震试验的控制精度要求；得出了GIS电气设备的动力特性和关键部位加速度、位移、应变动力响应，为GIS电气设备的抗震性能试验提供了理论依据。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 本文研究的背景和意义

1.2 地震模拟振动台的发展

1.3 地震模拟振动台系统控制技术的研究与发展

1.4 本文研究的主要内容

第2章 地震模拟振动台控制系统理论研究

2.1 地震模拟振动台电液伺服控制系统

2.2 地震模拟振动台系统运动控制理论

2.3 台面控制理论

2.4 自适应控制技术

2.5 特殊控制补偿技术

2.6 本章小结

第3章 地震模拟振动台系统基准性能研究

3.1 概述

3.2 地震模拟振动台主要性能参数

3.3 地震模拟振动台试验系统静态性能测试研究

3.4 地震模拟振动台试验系统动态性能测试研究

3.5 本章小结

第4章 虚拟地震模拟振动台系统研究

4.1 概述

4.2 地震模拟振动台系统

4.3 虚拟地震模拟振动台系统

4.4 虚拟地震模拟振动台系统特性仿真与分析

4.5 本章小结

第5章 钢筋混凝土结构模型地震模拟振动台试验研究

5.1 试验概况

5.2 地震模拟振动台控制系统参数研究

5.3 试验结果分析

5.4 本章小结

第6章 电气设备地震模拟振动台试验研究

6.1 概述

6.2 电力系统地震破坏状况

6.3 电气设备试验人工地震动合成

6.4 电气设备地震模拟振动台试验

6.5 本章小结

第7章 结论及展望

7.1 本文主要研究结论

7.2 值得进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录

附录1：已发表或录用的学术论文

附录2：攻读博士学位期间主持和参与的科研项目

附录3：地震模拟振动台一览表