基于AMD多参量控制的振动台子结构试验技术研究

Real-time substructure technique for the shaking table test is a significant development direction in structural testing field. And it is the strategic research area to promote the progress of the civil engineering disaster prevention and mitigation. For the benefit of considering the specimen’s rate dependent character and so on and the improvement of the test devices performance, it has attracted extensive attention all the world. Depending on the research background on synchronous multi-parameter control of shaking table array system, a new substructure test strategy on shaking table by using the multi-parameter control algorithm and Active Mass Driver (AMD) suggests in this application. By applying force to test sub-structure of AMD, the added mass is determined by shaking table test and the dynamic effect of numerical substructure is also simulated. The proposed experimental method has the advantage of no reaction force walls needed, high control precision, technologically advanced, easy implementation and cost savings, etc.The following research is intended to be carried out: the deriving of artificial boundary of real-time substructure test based on the finite element subspace theory; comparative analysis of the overall structure tests, pseudo-dynamic substructure test and shaking table substructure test through MATLAB programming and finite element simulation; Development of multi-parameter control AMD systems, supporting hardware and software based on LabView platform and electromagnetic actuator; further improvement and development of artificial boundary parameters exchange, real-time integration algorithm and delay compensation through system modeling and simulation; comparing the practicability of the shaking table substructure test strategy by real shaking table test.The research work of this project provides a novel test means for structural engineering, could be utilized to expand the functions of existing shaking tables, and could provide technical support for the development of high-performance shaking table control system.

地震模拟振动台子结构试验是结构实验技术的重要发展方向，受到国内外广泛关注。依托振动台台阵多参量同步控制的研究基础，本项目提出主动质量驱动器（AMD）和多参量控制算法应用于振动台子结构试验的研究方案，通过AMD的多参量控制提供附加质量和模拟数值子结构的动力作用，具有不需要附加反力墙、控制精度高、技术先进、实施方便等优点，具有很好的理论研究价值和实用意义。本项目拟基于有限元子结构法推导子结构试验的边界模拟算法；通过MATLAB结合有限元对比分析整体结构试验、子结构拟动力试验和振动台子结构试验的控制效果；基于LabView开发多参量控制AMD系统和配套软硬件装置；结合系统精细化建模和仿真完善和发展界面参数传递方法和实时控制算法；并通过振动台试验检验振动台子结构试验方法的有效性。本项目成果提供了一种先进的子结构试验手段，可用于振动台功能扩充，也可为高性能振动台的研发提供技术支撑。

对结构试验方法的不断改进和持续探索是促进土木学科发展的重要研究任务，结构混合试验经历了拟动力试验、拟动力子结构试验、快速拟动力试验、实时动力试验、实时子结构试验的发展历程，并且与振动台试验结合形成了独具特色的振动台子结构试验技术。与静态慢速加载的拟动力试验相比，实时混合试验在人工边界处理、界面参数量测、加载方式与装置、数值积分算法、闭环控制算法、时滞补偿与系统稳定性等方面存在一系列新的研究课题。本项目将AMD控制装置和三参量控制、多参量控制算法引入到振动台子结构试验领域；通过动力方程推导和传递函数分析建立了剪切型结构的子结构拆分公式；结合理论分析和数值仿真研究了拆分位置、重力效应、集中力效应和附加弯矩对试验效果的影响；结合优化分析设计加工了用于振动台子结构试验的TMD、AMD加载装置，通过性能试验和模态测试开展了TMD、AMD加载装置的性能测试和模型辨识；基于有限元分析、MATLAB编程仿真对整体模型、子结构拆分模型、考虑控制系统特性的混合控制模型进行了对比仿真分析，研究了位移PID控制、三参量控制、多参量控制的控制效果，研究表明三参量和多参量控制可以取得显著优于位移PID的加载控制效果；对传感器噪声、系统状态平衡与时滞、支座刚度与系统非线性、伺服阀特性等对控制效果的影响进行了分析；完成了包含两种数值积分算法和多种闭环控制算法的试验加载控制软件开发，实现了仿真模式和基于NI-PXIe控制器的实时加载控制；通过数值仿真和实际试验检验了振动台子结构试验方法的有效性和可行性。多参量控制AMD装置实施振动台子结构试验，具有不需要反力墙、作动器行程要求低、兼顾配重、试验精度高、实施方便、技术先进等优点，是一种先进的实时子结构试验的加载控制方案。本项目相关研究成果即可应用于实时子结构试验，可也用于振动台功能扩充，可为国内高性能地震模拟振动台的研制提供技术参考，具有很好的理论和应用价值。