多运动参量时域复现的地震模拟控制方法研究

摘要： 针对加速度时域复现控制方法存在位移幅值正偏差的缺点，提出多运动参量时域复现的地震模拟控制方法。该控制方法将地震模拟试验频段划分为位移控制区和加速度控制区，利用自适应控制不断对系统加速度阻抗和位移阻抗进行辨识，再设计合成方法生成系统驱动信号，能同时对位移和加速度参考信号进行时域复现，最终实现在整个试验频段内的高精度地震模拟试验。在浙江大学构建的振动台上进行地震模拟试验表明：该控制方法在进行数帧地震模拟试验后，加速度复现时域相关系数能达到97%；同时能实现较高的位移时域复现精度，位移峰值误差小于5%。关键词： 地震模拟试验； 多运动参量复现控制； 阻抗辨识； 驱动信号合成； 自适应控制

中图分类号：P315.8； TP273+.2文献标识码： A文章编号： 10044523（2013）05071507

引言

地震模拟试验作为一门应用科学可以对土木建筑结构、电力电器设备和通信设备的抗震性能进行研究，获知试件在地震作用下的损坏情况[1]。中国是多地震国家，随着经济建设的飞速发展，要求进行地震模拟试验的项目越来越多，如何提高地震模拟试验的精度，成为试验控制方法研究的重点。

由于目前涉及地震模拟试验的国内外标准（比如国内建筑行业JGJ10196，电力设备行业GB/T135402009，以及国外GR63CORE）中，都是将加速度作为参考值，故当前国内外对于地震模拟试验的研究都是基于加速度时域复现控制。文献[2，3]中介绍的地震模拟台采用了伺服控制和振动控制双闭环控制方法来实现加速度时域复现，通过理论和试验研究，验证了该控制方法在特定条件下能获得较好的试验效果。但是地震模拟试验下限频率较低（比如核电地震模拟试验中低频段可低至0.1 Hz[4]），低频段的加速度参考信号量级很小。加速度传感器在低频段幅频特性精度会下降，加之测控系统存在噪声，故通过加速度传感器输出信号估计系统低频段加速度阻抗的精度较差[5]。如果使用加速度参量实现时域复现控制，容易在低频段出现位移控制误差较大的现象，严重时会导致台面和液压油缸缓冲层发生碰撞。

针对出现的问题，首先分析了加速度时域复现控制在低频段精度差的原因，提出了按照频率分段进行多运动参量时域复现的控制方法；然后利用自适应控制分别对位移和加速度阻抗进行估计更新，并使用合成的方法生成总驱动信号，从而对多运动参量复现控制进行了具体实现；最后，在浙江大学构建的地震模拟台上，通过试验验证了多运动参量时域复现控制的有效性。

1加速度时域复现的控制方法分析

基于加速度时域复现控制的地震模拟试验的基本思路为：使得振动台面控制点的加速度信号和参考加速度信号在时程上一致，从而实现地震模拟加速度波形的时域复现。该方法的控制结构如图1所示。

该控制方法包括内环三参量伺服控制和外环自适应控制（在线迭代控制）。内环三参量伺服控制对液压激振系统进行校正以改善系统传递特性[6]；外环自适应控制在每帧的地震模拟试验中，通过系统驱动信号和台面控制加速度信号估计出系统加速度阻抗，进而生成可以不断更新的系统驱动信号，使得台面控制加速度信号与加速度参考信号时域相关系数保持较高水平。

地震模拟试验的下限频率通常较低（可达到0.1 Hz），而加速度传感器在低频段幅频特性会下降（比如地震模拟试验常用的中国地震局力学所941B型拾振器[7]，幅频特性如图2所示，在0.25 Hz处，幅值下降幅度就已经达到3 dB），即加速度传感器示值小于实际加速度值，从而使得低频段加速度实际控制幅值要大于加速度参考幅值，出现正偏差现象；另外，由于低频段控制加速度量级很小，测控系统的电本底噪声也会对控制精度产生影响。以上原因会导致地震模拟试验在低频段幅值误差较大，虽然低频段的加速度信号量级很小，精度的下降不会对地震模拟试验精度指标（时域相关系数）产生太大影响。但低频段加速度正偏差就意味着存在有较大的位移正偏差，也即增加了台面和液压油缸缓冲层发生碰撞的风险，从而影响振动台的最大实际使用量级[8]。

4结论

本文针对地震模拟振动台，提出一种多运动参量时域复现的控制方法，和传统的加速度时域复现控制进行比较。通过理论和试验研究，得到下列结论：

（1）针对振动台低频段的系统动态特性，利用位移阻抗进行辨识，可以大大提高低频段系统辨识精度，进而提高地震模拟低频段时域复现精度，使得位移参考信号和位移控制信号的幅值误差小于5%；

（2）将地震模拟试验频段分为位移控制区和加速度控制区，分别生成位移和加速度驱动信号，再设计合成方法生成系统总驱动信号，可以在不影响系统动态特性的情况下，实现在整个试验频率范围内的高精度地震模拟试验。

参考文献：

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