粘弹性结构台阵模拟系统随机振动自适应控制方法研究

Multiple shaking tables test system is a new prospect in long span structures vibration simulation. Vibration control is the key technology for multiple shaking tables simulation. The moving platforms of the shaking tables and the payload are taken as a whole body in the vibration simulation and then the control of multiple shaking tables is transformed into the control of a redundantly actuated multi-axis shaking table. The disturbance compensation and modal control of a multi-axis electro-hydraulic shaking table, the force balance control of the redundantly actuated system and the adaptive identification of frequency response matrix (FRM) of a rapidly time varying multi-input multi-output (MIMO) system are presented based on the coupling analysis between the payload and the frequency response of the multi-axis shaking table. The nonparametric model random control method is proposed to improve the model-based modal space decoupling control. The adaptive control of the redundantly actuated multi-axis shaking tables is developed to compensate the time varying characteristics of FRM and model parameters and reduce the error between the control signals and reference signals by the correction of the drive signals. The adaptive random control of multiple shaking tables with the damping and flexible payload would achieve high precision, robustness and real-time performance. This project would promote the development of the multiple shaking tables test system and provide more effective experimental approach for seismic performance assessment.

台阵模拟是振动环境模拟的新发展方向，控制系统是台阵模拟系统的关键技术。本项目以大跨度粘弹性结构台阵振动模拟系统为研究对象，将各振动台动平台和负载作为整体考虑，进而将台阵模拟系统的控制问题转化为具有冗余驱动的多轴振动模拟系统的控制问题。分析粘弹性负载对多轴电液振动台频率特性的耦合机理，研究负载干扰力补偿方法、模态空间解耦控制方法、冗余驱动系统压力镇定器设计方法、快时变参数MIMO系统FRM自适应辨识方法等科学问题。建立台阵振动模拟系统自适应控制框架，利用基于非参数模型的随机振动控制方法对驱动信号进行迭代修正，削弱负载特性变化及模型参数摄动对基于模型的模态空间解耦控制方法的影响，减小响应信号与参考信号之间的偏差，设计高精度、强鲁棒性、高实时性的粘弹性结构台阵模拟系统随机振动自适应控制器。本项目的实施有助于促进台阵模拟系统的发展，为拓展工程结构抗震研究空间提供更加有效的实验手段。

台阵振动模拟系统是大跨度结构环境模拟实验的关键设备，控制系统是台阵模拟系统的关键技术。本项目以粘弹性结构台阵振动模拟系统为研究对象，以伺服控制到振动控制、单轴控制到多轴控制、单振动台系统到台阵系统为研究思路，循序渐进展开研究。.在伺服控制技术研究过程中，针对传统压力镇定控制难以削弱超冗余驱动系统内力的问题，提出基于并联机构力雅可比矩阵零空间理论分析的内力协调控制方法，削弱冗余驱动机构的内力耦合。提出冗余驱动机构的刚度控制方法，通过协调各驱动机构冗余力，提升并联机构刚度。将负载的粘性弹性等特性等效为干扰力，基于振动台动力学模型估计干扰力向量，将基于铰点空间的干扰力补偿方法、模态解耦控制方法与传统三状态控制器相结合，构建多轴振动台加速度解耦控制系统。在考虑伺服阀动态特性的前提下，设计鲁棒自抗扰控制器，进一步削弱干扰力对系统控制精度的影响。.在振动控制方法研究过程中，针对多轴振动模拟自适应控制系统的瓶颈问题——MIMO系统FRM自适应辨识，提出基于复频域优化理论，分别利用拟牛顿Broyden法、DFP法及BFGS法，构建系统广义阻抗迭代模型。基于广义阻抗辨识结果对驱动信号进行实时更新，构建台阵模拟系统随机振动自适应控制器，明显提高了多轴振动模拟系统加速度波形再现精度。.搭建了10缸驱动双电液振动台两自由度台阵振动模拟系统，通过两桥墩桥梁模型的振动模拟实验，验证了上述控制方法的有效性。.本项目的成功实施有助于促进台阵振动模拟自适应控制系统的产业化发展进程，为工程结构抗震研究提供更加有效的实验手段。