實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)的控制和時(shí)間積分算法.pdf

1、鑒于工程材料和地震動(dòng)的復(fù)雜性,抗震試驗(yàn)方法在地震工程領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。在目前的多種抗震試驗(yàn)方法中,混合試驗(yàn)以其突出的優(yōu)點(diǎn)更具魅力,比如能以較低的代價(jià)完成大型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析。而實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)方法作為混合試驗(yàn)方法家族的新成員,自從1992年提出以來展示了它獨(dú)特的性質(zhì)和分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件尤其是率相關(guān)部件的能力。
　　實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)方法常把原型結(jié)構(gòu)分成多個(gè)部分,然后根據(jù)對(duì)各部分的認(rèn)知程度選擇采用數(shù)值方法或者物理試驗(yàn)實(shí)時(shí)模擬。具體而言,

2、關(guān)鍵、非線性部分或者率相關(guān)部分常采用真實(shí)的實(shí)時(shí)試驗(yàn)物理模擬,而其余部分通過求解微分方程同步分析。顯而易見,該類方法的挑戰(zhàn)在于通過實(shí)時(shí)加載和實(shí)時(shí)計(jì)算保證不同部分之間的界面耦合。
　　截至目前,實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)領(lǐng)域已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。本博士論文主要研究實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)的傳遞系統(tǒng)控制和時(shí)間積分算法。具體而言,本文的研究工作和主要成果總結(jié)如下:
　　本論文首先將基于模型的控制策略-內(nèi)部模型控制應(yīng)用于新近設(shè)計(jì)的高性能試驗(yàn)系統(tǒng),并且與經(jīng)典PID

3、/PI控制方法相比較。本研究中電磁式作動(dòng)器的控制由三個(gè)環(huán)組成,即轉(zhuǎn)速環(huán)、內(nèi)位移環(huán)和外位移環(huán)。外位移環(huán)采用內(nèi)部模型控制或者PID/PI調(diào)節(jié),其余兩環(huán)均采用比例控制。為了比較不同的控制方法,分別完成了采用掃頻位移信號(hào)的真實(shí)試驗(yàn)和檢驗(yàn)方法魯棒性能的數(shù)值模擬。分析表明,內(nèi)部模型控制具有更好的魯棒性能和方便的執(zhí)行、在線調(diào)節(jié)特性。對(duì)于此類可以簡(jiǎn)化成一階模型和純延遲環(huán)節(jié)的作動(dòng)器,內(nèi)部模型控制和PID控制性能都較好且類似。另外,所完成的實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)表明

4、整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。
　　為了準(zhǔn)確補(bǔ)償實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)中的時(shí)變時(shí)滯,提出并討論了基于簡(jiǎn)化作動(dòng)器模型的在線時(shí)滯估計(jì)方法。該模型由一個(gè)靜態(tài)增益和純延遲構(gòu)成,從而可以導(dǎo)出不同位移量之間的非線性關(guān)系。通過引入考慮遺忘因子的遞推最小二乘算法進(jìn)一步發(fā)展了基于泰勒級(jí)數(shù)的估計(jì)方法。接著,在純數(shù)值模擬和混合試驗(yàn)中,與另外兩種在線估計(jì)方法進(jìn)行了比較。研究表明,所提出的方法具有令人滿意的收斂速度、估計(jì)精度和可重復(fù)性,優(yōu)于其他兩種現(xiàn)有方法。
　　

5、在認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有時(shí)滯補(bǔ)償方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,我們提出了兩種考慮最新位移和速度目標(biāo)的多項(xiàng)式時(shí)滯補(bǔ)償表達(dá)式,通過頻響函數(shù)和譜穩(wěn)定性分析了該類方法。為了降低時(shí)滯補(bǔ)償?shù)睦щy,設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)滯過補(bǔ)償和最優(yōu)反饋恢復(fù)力的新型時(shí)滯補(bǔ)償方法,并完成了檢驗(yàn)該方法性能的數(shù)值模擬和真實(shí)試驗(yàn)。分析表明,所提出的多項(xiàng)式補(bǔ)償表達(dá)式具有較小的位移預(yù)測(cè)誤差,而二階方法與LSRT2積分算法結(jié)合具有略微較大的穩(wěn)定界限。并且,時(shí)滯過補(bǔ)償方法具有容許時(shí)滯變化、減小同步誤差和有時(shí)提高

6、算法穩(wěn)定性的能力,能降低時(shí)滯補(bǔ)償?shù)睦щy。
　　本論文在積分方法方面發(fā)展了等效力控制方法以完成分離質(zhì)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)。等效力控制方法是一種基于隱式積分算法的實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)方法。譜分析表明,與顯式積分算法相比,等效力控制方法具有更好的穩(wěn)定性。認(rèn)識(shí)到二次插值的等效力命令可能導(dǎo)致更大的控制誤差,提出了位移修正措施以降低該誤差的影響。鑒于實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)內(nèi)在的特征—界面上多變量耦合,我們把修正方法推廣到同時(shí)更新位移和加速度的方法。譜穩(wěn)定性分析

7、和數(shù)值模擬表明:(1)同時(shí)修正位移和加速度的方法能解除零穩(wěn)定性的約束和減小算法阻尼;(2)對(duì)于多自由度問題該修正方法仍然性能良好。
　　改進(jìn)了一種實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)的域間并行算法—IPLSRT2方法。該方法基于Rosenbrock方法(LSRT2)和一個(gè)現(xiàn)有的域間并行算法—PLSRT2方法。為了避免或弱化PLSRT2方法的缺點(diǎn),比如較低的計(jì)算效率、位移和速度漂移以及復(fù)雜的啟動(dòng)過程,引入了不等級(jí)步長(zhǎng)的LSRT2方法、速度投影和修正的雅克比