多自由度子结构试验的边界解耦控制方法

The decoupling control for boundary loading of multiple degree-of-freedom (MDOF) systems is the key problem for the realization of the boundary condition coordination. And this is the difficult scientific problem that restricts the application of substructure testing to large complicated structures. This project focuses on the boundary decoupling control of multiple degree-of-freedom substructure testing (MDOFST). Theoretical analysis combined with numerical simulation and experimental investigation, enables us to study the mechanisms governing the coupling between the multi-actuator and specimen system. The project will use a force-displacement hybrid control strategy to solve the problem of coupling between MDOF systems. A force-displacement hybrid sliding mode strategy is proposed to control the nonlinear characteristics of the specimen and the geometric nonlinearity of the loading equipment. This allows us to improve the stability and accuracy of MDOFST. Hence we propose a MDOF force-displacement switching control method to ensure the stability and reliability of the inner force control loop of force-displacement hybrid control strategy, when the specimen is seriously destroyed. These developments allow us to establish a boundary decoupling control software platform for MDOFST, which is based on force-displacement hybrid sliding mode control and force-displacement switching control method, and to conduct a case study test of a curved bridge in order to verify the boundary decoupling control software platform in the round. This project has great significance to break through the bottleneck of substructure testing for large complicated structures and to in depth reveal their seismic performance under severe earthquakes. The research results has extensive application foreground in the buildings, bridges and aerospace field and so on.

多自由度系统的边界加载解耦控制，是实现复杂边界条件协调的关键问题，也是制约子结构试验方法应用到大型复杂结构的科学难题。本项目将以多自由度子结构试验的边界解耦控制方法为主要研究对象，理论分析、数值仿真和试验研究相结合，深入剖析多作动器-试件耦合机理，利用力位移混合控制策略实现多自由度之间的解耦，进而提出力位移混合滑动模态控制器，实现对试件材料非线性和加载装置几何非线性的控制，以期提高多自由度子结构试验的稳定性和精确度。同时为确保试件严重破坏时，力-位移混合控制策略内部力控制闭环的稳定性和可靠性，提出多自由度力-位移切换控制方法。在这两种方法基础上，建设多自由度子结构试验的边界解耦控制软件平台，最终进行曲线桥梁多自由度子结构试验全面验证该平台。此项目对突破大型复杂结构子结构试验瓶颈、更深入揭示复杂结构在强震下的抗震性能具有重要意义，研究成果在建筑、桥梁、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

本项目以多自由度子结构试验的边界解耦控制方法为主要研究对象，理论分析、数值仿真、仪器开发和试验研究相结合，建立了多自由度子结构混合试验的边界解耦控制方法体系：.1、从非线性方程求解的角度论述了闭环控制取代数学迭代的理论基础，采用离散传递函数方法研究了多作动器-试件耦合机理；.2、提出了基于Bode的非线性子结构试验系统稳定性分析方法，通过相角裕度和幅值裕度定量地分析对非线性子结构混合试验的稳定性，数值验证了方法可行性；.3、在1基础上发展了三自由度力-位移混合控制方法，提出采用初始刚度矩阵和线性化的空间转换矩阵来实现多自由度之间的近似解耦，构建了双闭环控制的架构并设计外环PI控制器校正试件材料非线性和加载装置几何非线性引起的误差，进行了小型三自由度加载拟动力验证性试验，证明了方法的可行性。.4、在三自由度力-位移混合控制方法的基础上，采用在每个采样步更新线性化矩阵，并采用增量的双闭环控制方法来实现六自由度力-位移混合控制，进行了强耦合试件六自由度力-位移混合控制加载，验证了方法的可行性。.5、联合提出基于位移正反馈的力-位移切换控制，试件严重破坏时为确保试验安全，由力控制到位移控制的平稳切换，并在立柱加载试验中实现了力-位移切换控制。.6、对回澜曲线桥建立了OpenSEES数值模型，进行了全桥模拟，基本再现了真实震害，并初步搭建了OpenSEES+Openfresco+labview子结构混合试验平台，建设了缩尺试件和加载装置，试验在准备中。.7、基于多自由度力-位移混合控制方法搭建了OpenSEES+VB+labview子结构混合试验平台，对采用防屈曲支撑加载老旧混凝土框架结构进行了子结构混合试验，验证了这种减震体系和平台的有效性。.8、基于多自由度力-位移混合控制方法，联合开发制造了一套三向六自由度加载装置，并服务于相关科研人员实验室。.此项目对突破大型复杂结构子结构试验瓶颈、更深入揭示复杂结构在强震下的抗震性能具有重要意义，研究成果在结构试验、数控机床、运动模拟和航天等领域具有广阔的应用前景。