基于地震模拟振动台的多维控制方法研究

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近年来,全球发生的大地震灾害引发了许多新的问题,对地震模拟振动台和相关试验的需求持续增加,使振动台相关的试验技术研究成为了热点,特别是冗余多自由度驱动的振动台控制技术、虚拟振动台系统(数字孪生)、台阵控制策略等方面,然而当前这些方面的研究较少。本研究以天津大学水下地震模拟振动台台阵与滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室自行研制的电动地震模拟振动台为研究对象,针对多作动器动态耦合、振动台高低频复合控制、长行程控制等相关问题进行探索,主要的研究工作和成果如下:(1)根据液压伺服阀、液压动力作动缸、蓄能器等振动台物理部件的动力学特性及模拟方法,考虑摩擦力及屈服位移等因素,使用Matlab/Simulink软件构建了振动台各部分的仿真模型。基于实测数据辨识系统参数,标定了水下地震模拟振动台系统的模型参数。通过分析在不同工作条件下仿真测试结果,与真实振动台试验结果比较,对振动台仿真模型的性能进行了分析,验证了所搭建数字孪生模型的可用性和可靠性。(2)对小型电动振动台进行建模,分析了采用8支作动器耦联驱动的小型三向六自由度地震模拟振动台的系统特性,在理论上采用正、反运动学模型对其进行动态解耦;利用共享内存的实时存储与读取功能,采用数字控制器、Simulink/Speed Goat及数据采集系统构建去中心化的控制系统硬件平台,采用Simulink实时机旁路控制器,对所提出的解耦控制方法进行了试验验证,验证了所提控制策略的准确性和可靠性。(3)根据高频台和长周期(长行程)地震模拟的需求,在上述振动台仿真模型基础上,提出了一种双层双频振动台控制方法。通过建立双频振动台控制模型,在多种工况下进行模拟试验分析,验证了该控制方法的可行性。
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