實時混合試驗的控制和時間積分算法.pdf

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

2、關(guān)鍵、非線性部分或者率相關(guān)部分常采用真實的實時試驗物理模擬,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)在于通過實時加載和實時計算保證不同部分之間的界面耦合。
　　截至目前,實時混合試驗領(lǐng)域已經(jīng)取得了重要進展。本博士論文主要研究實時混合試驗的傳遞系統(tǒng)控制和時間積分算法。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)計的高性能試驗系統(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器的控制由三個環(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的真實試驗和檢驗方法魯棒性能的數(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。對于此類可以簡化成一階模型和純延遲環(huán)節(jié)的作動器,內(nèi)部模型控制和PID控制性能都較好且類似。另外,所完成的實時混合試驗表明

4、整個試驗系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。
　　為了準確補償實時混合試驗中的時變時滯,提出并討論了基于簡化作動器模型的在線時滯估計方法。該模型由一個靜態(tài)增益和純延遲構(gòu)成,從而可以導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一步發(fā)展了基于泰勒級數(shù)的估計方法。接著,在純數(shù)值模擬和混合試驗中,與另外兩種在線估計方法進行了比較。研究表明,所提出的方法具有令人滿意的收斂速度、估計精度和可重復性,優(yōu)于其他兩種現(xiàn)有方法。
　　

5、在認識到現(xiàn)有時滯補償方法缺點的基礎(chǔ)上,我們提出了兩種考慮最新位移和速度目標的多項式時滯補償表達式,通過頻響函數(shù)和譜穩(wěn)定性分析了該類方法。為了降低時滯補償?shù)睦щy,設(shè)計了一種基于時滯過補償和最優(yōu)反饋恢復力的新型時滯補償方法,并完成了檢驗該方法性能的數(shù)值模擬和真實試驗。分析表明,所提出的多項式補償表達式具有較小的位移預(yù)測誤差,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,時滯過補償方法具有容許時滯變化、減小同步誤差和有時提高

6、算法穩(wěn)定性的能力,能降低時滯補償?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)的實時混合試驗。等效力控制方法是一種基于隱式積分算法的實時混合試驗方法。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。認識到二次插值的等效力命令可能導致更大的控制誤差,提出了位移修正措施以降低該誤差的影響。鑒于實時混合試驗內(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)對于多自由度問題該修正方法仍然性能良好。
　　改進了一種實時混合試驗的域間并行算法—IPLSRT2方法。該方法基于Rosenbrock方法(LSRT2)和一個現(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,比如較低的計算效率、位移和速度漂移以及復雜的啟動過程,引入了不等級步長的LSRT2方法、速度投影和修正的雅克比