地震模拟振动台串级控制及结构抗震预测控制方法

作     者：吴淦 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏东;吴杰

授予年度：2023年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 08[工学] 0708[理学-地球物理学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：地震模拟振动台 三参量控制 迭代学习控制 无模型自适应控制 结构主动控制 

摘      要：近年来,世界范围内地震灾害频发,对人类社会产生的负面影响诱发了很多新型抗震问题,结构抗震试验需求在不断增加,特别是对地震模拟振动台试验和结构抗震控制技术的研究已成为热点问题。地震模拟振动台是结构抗震试验中最主要的试验设备,其结构复杂、非线性强、阻尼比低,传统三参量伺服控制具有控制参数难整定、波形复现精度不高的缺点,而一般的迭代学习振动控制不能解决系统参数时变及不确定性等问题。此外,由于地震模拟振动台造价昂贵,且其状态受到振动台本身的动力特性和台面负载试件的影响,存在带负载在线调试困难的问题,需要建立能反映振动台全物理特性的动态模型,通过仿真手段对控制策略进行调试和验证。另一方面,建筑结构传统抗震设计大多是对结构自身材料进行改造,为降低地震带来的损坏,在对结构自身材料改造的基础上,建立一个主动抗震控制系统,能够强化建筑结构在振动情况下的抗震能力。为此,本论文主要研究地震模拟振动台和结构抗震主动控制策略。对于地震模拟振动台控制,将5m×5m三向六自由度大型电液伺服地震模拟振动台作为研究对象;对于结构抗震控制,主要针对装配主动锚索系统的建筑结构开展研究。首先深入分析地震模拟振动台各组成部分(控制系统、液压源系统、激振器系统以及台面及支撑系统等)的工作机理,剖析三级伺服阀、液压缸、蓄能器的动态特性,基于帕斯卡原理、牛顿第二定律推导三级伺服阀、液压缸、蓄能器等振动台物理部件的数学模型,在此基础上构建三向六自由度电液伺服振动台的动态仿真模型。随后,设计地震模拟振动台串级控制策略,内环提出一种基于粒子群优化算法的速度正反馈三参量控制方法,首先采用粒子群优化算法整定三参量控制器的6个参数,再将传统三参量反馈控制中的速度负反馈替换为速度正反馈,通过适当减小系统固有频率来增大系统开环增益和系统阻尼比,以提高系统的波形复现精度;外环提出一种基于自适应迭代学习控制的振动台振动控制策略,采用自适应算法整定振动台试验中的时变参数,再通过迭代学习控制进行波形跟踪误差补偿。最后,为提高建筑结构在不同地震环境中的抗震能力,设计了一种基于加速度反馈的模型预测结构主动抗震控制策略,采用卡尔曼滤波从结构加速度反馈中估计系统的真实状态,再通过模型预测控制对建筑结构进行抗震控制,在提升结构抗震能力的同时,降低执行器能耗。本论文所提出的基于粒子群优化算法的速度正反馈三参量控制方法在允许3d B衰减的情况下将振动台系统工作频宽拓展到了161Hz,改善了系统的动态特性,为外环振动控制奠定了坚实的基础,并且在减少控制器参数整定时间的同时提高了地震波复现精度。此外,本论文所提出的基于自适应迭代学习的振动控制策略能够精确地复现地震波,复现波形与期望波形的相关系数达到0.9994,满足了国标GBT21116-2007内地震模拟振动台的控制精度要求。最后,本论文采用基于加速度反馈的模型预测结构主动抗震控制策略将建筑物实例在地震激励下的一层最大层间位移量降低了76%,二层最大层间位移量降低了80%,并且避免了建筑结构进入塑性域,提高了建筑结构抗震性能。