一种基于三参量控制AMD的振动台子结构试验方法

摘要

本发明公开了一种基于三参量控制AMD的振动台子结构试验方法，属于结构试验技术领域，可用于多高层等建筑结构的抗震试验。该方法在已有混合试验研究的基础上，采用AMD加载装置(亦称为主动质量驱动器)作为数值子结构与试验子结构界面力的施加手段，通过三参量控制算法提高AMD加载装置的控制精度。与现有振动台子结构试验方法相比，本发明所提出的试验方法具有易于满足试验条件(不需要附加反力墙)、解决惯性质量加载忽略上部子结构高阶振型影响的同时提供竖向自重效应(AMD加载装置的质量可以提供配重)、试验精度高(三参量控制高频性能优越)、对作动器行程要求低(不需要跟踪地震模拟振动台台面的位移)等诸多优点。

权利要求

1.一种基于三参量控制AMD的振动台子结构试验系统，其特征在于：该系统由地震模拟振动台、试验子结构、数值子结构、AMD加载装置、传感器和三参量控制器组成；

AMD加载装置包括作动器、质量块、支座和竖向支撑，带球铰的作动器通过螺栓与支座和质量块相连接，质量块通过低摩擦的竖向支撑安装在支座上，竖向支撑为滚珠轴承、直线导轨或竖向连杆；AMD加载装置用于模拟数值子结构对试验子结构的影响；

传感器包括满足量程和频宽要求的加速度传感器、位移传感器和力传感器，加速度传感器和位移传感器设置在试验子结构的顶部和质量块上，力传感器设置在作动器内；传感器用于量测试验子结构和质量块的动力响应；

三参量控制器包括数值子结构求解方法和试验子结构加载控制方法，数值子结构的求解采用现有的显式数值积分算法或基于有限元的时程积分算法，试验子结构加载控制算法是由三参量控制方法来实现；三参量控制器用于控制AMD加载装置；

试验子结构通过高强螺栓固定在地震模拟振动台上，AMD加载装置的支座通过法兰盘或连接板与试验子结构进行连接；各传感器根据试验设定安装在试验子结构的顶部和AMD加载装置上，各传感器与计算机连接；数值子结构利用带有采集卡的计算机或嵌入式控制器进行算法模拟，计算得到数值子结构的动力反应和基底反力；通过三参量控制方法将数值子结构的计算结果转化为控制信号，驱动AMD加载装置将作用力施加到试验子结构上，同时AMD加载装置也提供对试验子结构的竖向重力。

2.利用权利要求1所述系统进行的一种基于三参量控制AMD的振动台子结构试验方法，其特征在于：试验方法的实施流程如下：

1)地震模拟振动台对试验子结构实施基底的地震加速度激励；

2)由安装在试验子结构顶部的加速度传感器采集试验子结构顶部产生的加速度响应；

3)将试验子结构顶部的加速度响应作为数值子结构的基底输入，通过基于直接积分或有限元的数值求解算法计算数值子结构的基底反力；

4)将计算得到的数值子结构的基底反力除以AMD加载装置的质量得到AMD加载装置的等效加速度控制指令；

5)对AMD加载装置实施三参量控制：将AMD加载装置的等效加速度控制指令进行积分和滤波后得到速度指令和位移指令，将传感器采集得到的质量块的相对位移、质量块的绝对加速度和试验子结构顶部的绝对加速度作为反馈量，按照三参量控制方法的规则进行求和运算后得到输入作动器的控制指令；

三参量控制器的控制增益通过AMD加载装置的理论分析和现场AMD加载装置控制系统参数整定得到；在振动台进行加速度激励的过程中以特定的时间间隔重复步骤2)至步骤

5)，通过三参量控制器中的三参量控制方法来控制AMD加载装置中质量块运动，产生的惯性力用来满足试验子结构与数值子结构的界面力平衡，实现对试验子结构的精确动力加载。

说明书

一种基于三参量控制AMD的振动台子结构试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地震模拟振动台试验方法，属于结构试验技术领域。

背景技术

[0002] 地震模拟振动台是一种广泛应用于建筑结构、桥梁、地下结构、电气设备等结构物、构筑物和附属设施的抗震技术研究与性能测试的试验设备。受振动台台面尺寸和承载力限制，常规的振动台试验一般需要对试验对象进行缩尺处理，有的大型结构物的振动台试验甚至由于振动台尺寸和性能的限制而无法实现。为了克服振动台试验中试件尺寸大、对振动台性能要求高的问题，产生了基于地震模拟振动台的子结构试验方法。振动台子结构试验又称为基于振动台的实时混合试验，现有的做法是将试验结构根据需要拆分为数值子结构和试验子结构，一般试验中不会发生破坏或者力学行为清晰的部分作为数值子结构，结构的其余部分作为试验子结构，经数值计算得到数值子结构对试验子结构的影响并通过在振动台旁边设置反力墙，利用安装在反力墙上的作动器对试验子结构进行加载来模拟数值子结构对试验子结构的影响。

[0003] 对试验子结构实施加载的作动器一般采用基于PID的力控制、位移控制或者等效力控制算法进行控制，而地震模拟振动台自身的控制一般采用基于加速度和位移反馈的三参量控制算法和频域迭代补偿算法。这种地震模拟振动台子结构试验方法虽然解决了整体结构试验难度大、费用昂贵和对振动台性能要求高的一些问题。但由于需要在振动台旁边设置专用的反力墙，很多实验室受安装条件和空间限制无法设置专用的反力墙；安装在反力墙上的作动器不仅要跟踪试件产生的位移，也要同时跟踪振动台台面的位移，因此对作动器行程的要求很高；安装在反力墙上的作动器不能对试件提供竖向的重力作用，如果在试件上附加配重，则需要作动器提供更大的出力，如果采用拉索的方式对试件施加竖向力，在试件振动的过程中所施加的竖向力会随着试件的水平运动产生不希望的变动；同时，基于PID的力控制、位移控制或者等效力控制算法存在加速度控制精度差和力的高频控制性能较差的缺点。

[0004] AMD是一种应用于高层、高耸结构和大型桥梁结构的减振控制装置，可以用来减小结构的风振和地震响应，AMD一般有两种形式：一种称为主动调谐质量阻尼器(Active Mass Damper)，是一种包含阻尼器、弹簧、质量块和作动器的控制装置；另一种称为主动质量驱动器(Active Mass Driver)，是一种以质量块和作动器为主的减振装置。包含弹簧、阻尼器的AMD由于在作动器失效时能够转换成一种被动形式的减振装置，因此在减振控制领域应用比较广泛。而主动质量驱动器能够更好的发挥作动器的控制效果，系统模型也相对简单，因此适用于振动台子结构试验的加载。三参量控制算法(TVC)是地震模拟振动台的一种基本控制算法，通过加速度指令的积分和滤波得到对应的速度指令和位移指令，利用加速度传感器和位移传感器采集得到的加速度反馈信号和位移反馈信号进行合成得到等效的速度反馈信号，通过加速度指令、位移指令和计算得到的速度指令、加速度反馈信号、位移反馈信号和计算得到的速度反馈信号进行加权求和得到对应的控制指令。用于地震模拟振动台的三参量控制算法可以显著拓展振动台的使用频率范围。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有振动台子结构试验方法中存在的需要反力墙、对作动器行程要求高、控制精度低等问题，给出了一种三参量控制AMD(Active Mass Driver，主动质量驱动器)的振动台子结构试验方法的系统组成和实施流程。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于三参量控制AMD的振动台子结构试验方法，实施该试验方法的系统由地震模拟振动台、试验子结构、数值子结构、AMD加载装置、传感器和三参量控制器组成。

[0007] 地震模拟振动台可以为单水平向振动台、双向振动台或三向六自由度振动台。

[0008] 试验子结构可以是多高层建筑结构、桥梁结构、或构筑物的缩尺或足尺模型。

[0009] 数值子结构是以运动微分方程形式描述的数学模型，通过数值积分算法或显式有限元算法求解得到数值子结构的动力反应。

[0010] AMD加载装置包括作动器、质量块、支座和竖向支撑，带球铰的作动器通过螺栓与支座和质量块相连接，质量块通过低摩擦的竖向支撑安装在支座上，竖向支撑为滚珠轴承、直线导轨或竖向连杆。AMD加载装置用于模拟数值子结构对试验子结构的影响。

[0011] 传感器包括满足量程和频宽要求的加速度传感器、位移传感器和力传感器，加速度传感器和位移传感器设置在试验子结构的顶部和质量块上，力传感器设置在作动器内。传感器用于量测试验子结构和质量块的动力响应。

[0012] 三参量控制器包括数值子结构求解方法和试验子结构加载控制方法，数值子结构的求解采用现有的显式数值积分算法或基于有限元的时程积分算法，试验子结构加载控制算法是由三参量控制方法来实现。三参量控制器用于控制AMD加载装置。

[0013] 试验子结构通过高强螺栓固定在地震模拟振动台上，AMD加载装置的支座通过法兰盘或连接板与试验子结构进行连接；各传感器根据试验设定安装在试验子结构的顶部和AMD加载装置上，各传感器与计算机连接；数值子结构利用带有采集卡的计算机或嵌入式控制器进行算法模拟，计算得到数值子结构的动力反应和基底反力。通过三参量控制算法将数值子结构的计算结果转化为控制信号，驱动AMD加载装置将作用力施加到试验子结构上，同时AMD加载装置也提供对试验子结构的竖向重力。

[0014] 试验方法的实施流程如下：

[0015] 1)地震模拟振动台对试验子结构实施基底的地震加速度激励；

[0016] 2)由安装在试验子结构顶部的加速度传感器采集试验子结构顶部产生的加速度反应；

[0017] 3)将试验子结构顶部的加速度响应作为数值子结构的基底输入，通过基于直接积分或有限元的数值求解算法计算数值子结构的基底反力；

[0018] 4)将计算得到的数值子结构的基底反力除以AMD加载装置的质量得到AMD加载装置的等效加速度控制指令；

[0019] 5)对AMD加载装置实施三参量控制：将AMD加载装置的等效加速度控制指令进行积分和滤波后得到速度指令和位移指令，将传感器采集得到的质量块的相对位移、质量块的绝对加速度和试验子结构顶部的绝对加速度作为反馈量，按照三参量控制算法的规则进行求和运算后得到输入作动器的控制指令。

[0020] 三参量控制器的控制增益通过AMD加载装置的理论分析和现场AMD加载装置控制系统参数整定得到。在振动台进行加速度激励的过程中以特定的时间间隔重复步骤2)至步骤5)，通过三参量控制器中的三参量控制算法来控制AMD加载装置中质量块运动，产生的惯性力用来满足试验子结构与数值子结构的界面力平衡，实现对试验子结构的精确动力加载。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0022] 1)不需要附加反力墙，可以大幅度降低试验成本。

[0023] 2)通过AMD加载装置施加与上部数值子结构相一致的控制作用，解决惯性质量加载忽略上部子结构高阶振型影响，同时AMD加载装置中的质量块可以为试验子结构提供竖向重力。

[0024] 3)由于三参量控制算法的高频性能优越，因此可以有效提高试验精度。

[0025] 4)在试验过程中作动器不需要跟踪地震模拟振动台台面的位移，对作动器的行程要求低，从而易满足试验条件。

附图说明

[0026] 图1为试验子结构与数值子结构构拆分示意图；

[0027] 图2为现有的振动台子结构试验方法示意图；

[0028] 图3为本发明提出振动台子结构试验方法示意图；

[0029] 图4为AMD加载装置的构成示意图；

[0030] 图5为三参量控制器的原理图；

[0031] 图6为本发明的试验流程示意图。

[0032] 图中，1—整体结构，2—试验子结构，3—数值子结构，4—作动器，5—反力墙，6—地震模拟振动台，7—AMD加载装置，8—支座，9—质量块，10—竖向支撑。

具体实施方式

[0033] 为了清楚地、明确地阐述本发明的原理、技术方案和应用效果，以下通过具体实施例对本发明进行详细的说明。此处提供的实施例仅用于阐述本发明的目的，而非限定本发明的技术方案。

[0034] 1)子结构拆分

[0035] 参阅图1，选用5层的剪切型框架结构作为试验模型，选择底部两层结构作为试验子结构2，顶部的3层结构作为数值子结构3，整体结构1的运动微分方程如式(1)所示：

[0036]

[0037] 式中mi，ci，ki，i＝1,2…5分别表示对应各层结构的集中质量、层间阻尼系数和层间刚度，xi， 分别为对应层相对于基础或台面的位移、速度和加速度， 是基础或台面输入加速度。

[0038] 根据拆分后结构的受力关系，试验子结构2的运动微分方程如式(2)所示：

[0039]

[0040] 式中{fit}为数值子结构3对试验子结构2的界面力，由AMD加载装置7来施加。数值子结构3的运动微分方程如式(3)所示：

[0041]

[0042] 式中 为试验子结构2顶部的绝对加速度，通过加速度传感器测量得到。

[0043] 理论的界面力 由数值子结构3通过时程积分求解得到。

[0044] 2)AMD加载装置的设计

[0045] 采用液压伺服作动器型的AMD加载装置7，作动器4的最大动出力、最大速度和最大行程根据整体结构1在不同地震波下进行数值仿真计算得到的层间剪力、层间相对位移和层间相对速度进行优化选取。质量块9的质量取上部数值子结构3的质量之和，也可以根据试验的需要结合作动器4选型对质量块9的质量进行优化取值。AMD加载装置7的质量块9由竖向支撑10设置在支座8上。竖向支撑10采用低摩擦的直线导轨。

[0046] 3)AMD加载装置的三参量控制

[0047] 试验过程中通过加速度传感器采集试验子结构2的顶部绝对加速度，并将此加速度值作为数值子结构3的输入(见图5)，通过数值积分求解得到数值子结构3的理论水平基底反力。将此理论水平基底反力除以AMD加载装置7的质量转化为等效加速度指令后作为AMD加载装置7的对应的控制加速度输入，根据三参量控制算法对加速度输入进行积分和滤波后得到速度指令和位移指令信号，通过作动器4上的位移传感器和质量块9上的加速度传感器所采集到的位移反馈信号和加速度反馈信号作为反馈量从而实现AMD加载装置7的三参量反馈控制，三参量控制器的控制增益由液压系统分析并结合现场参数整定得到。由三参量控制器控制AMD加载装置7的作动器4，推动质量块9产生试验子结构2所需要的界面作用力。由于三参量控制算法的引入，AMD加载装置7的高频控制性能可以得到很大的改善，从而得到与整体结构1试验基本一致的试验效果。