地震模拟振动台台阵系统控制理论与算法研究

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地震模拟振动台台阵系统是为实现多维多点地震场激励的大型抗震试验设备,其控制理论和技术较单振动台更为复杂,在试验实施工程中存在相位难以满足要求和波形相关度较差等问题。目前国内外相关研究工作主要集中在单台控制的理论分析和系统仿真,且控制算法的研究已滞后于控制器硬件技术的发展。本文充分借鉴国内外有关研究成果,采用Matlab仿真与试验相结合等手段,对北京工业大学九子台台阵系统的建模、性能影响因素、主要参数辨识、时频域控制策略及系统波形评价等进行研究,主要研究工作及成果包括如下几个方面。  (1)地震模拟振动台台阵系统的参数辨识和系统性能影响因素分析  介绍了台阵控制系统、激振系统、动力系统及台面支撑系统等主要部件的组成;采用最小二乘算法对九子台台阵系统水平有效刚度、等效质量、总耗散力、随动部件的质量、摩擦系数、液压油参数及液压伺服阀名义流量等参数进行了辨识;仿真分析了伺服阀的特性、机械元件间隙特性、机械元件间摩擦、蓄能器的开关、基础刚度、活塞杆等各部分刚度对台阵系统传递函数和系统整体性能的影响,提出了各因素的合理补偿措施,提高了系统的稳定性和波形再现精度。  (2)地震模拟振动台台阵系统精细化建模与仿真分析  考虑不同非线性影响因素的情况下,对台阵系统的激振器、蓄能器、伺服阀及试件与台面相互作用进行了精细化建模与仿真分析,验证了模型的有效性和正确性;建立了该系统的数学模型、力学模型及仿真模型并对其中两个单台进行了仿真与试验分析,结果表明,两单台幅频特性和相频特性仿真与试验结果均较为接近,尤其是在中低频部分仿真模型可以很好的模拟真实系统的频响特性,验证了模型的正确性及有效性。  (3)地震模拟振动台台阵系统时频域控制策略  推导了台阵系统时频域迭代算法,并对其四点激励的正弦振动试验进行仿真分析,验证了所提时频域控制策略的有效性及稳定性,得出了临界增益合理取值范围;从幅值及相位两方面对传统控制算法与时频域控制算法进行了分析,得出了时频域控制算法的优越性;提出了阶式滤波器与离线迭代学习控制相结合拓宽了系统的使用频带、提高了系统的波形再现能力;比较了台阵系统的辨识曲线与实测曲线,两者具有较好的吻合度,验证了时频域控制策略的有效性。  (4)地震模拟振动台统计最大功能曲线和同步控制性能的评价方法  对以往发生的830条随机地震波的最大加速度、速度及位移进行了统计分析,得出了地震模拟振动台的统计最大功能曲线,为振动台的建设提供可靠的理论依据;仿照单向台指标对九子台阵系统性能指标进行了检测,为多向地震模拟振动台检测提供了思路;对多激振器同步控制及台阵系统同步控制进行了推导并进行了试验验证,借鉴医学及通讯工程学上的组间波形相似度基础上提出了采用多参量加权波形相似度对台阵系统同步性进行评价。
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