CN108982036A - 一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，包括外环迭代控制子系统和内环控制子系统，在第k次迭代试验中，外环迭代控制子系统根据期望加速度波形、第k‑1次实验中振动台台面的加速度波形以及第k‑1次外环加速度控制命令生成第k次外环加速度控制命令，内环控制子系统接收外环加速度控制命令，采用加速度‑位移双参量控制方式，得到振动台控制命令，激励振动台振动。应用本发明，可以解决电动伺服缸地震模拟振动台台面加速度响应波形跟踪期望波形精度较差的问题，并能通过多次迭代试验进一步提高加速度波形复现精度。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，具体地说，涉及一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统。
背景技术
地震是最严重的自然灾害之一，对人们的生命财产安全构成了严重的威胁，给人类社会带来了巨大的损失。我国处在环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是世界上地震灾害最严重的国家之一，历史上也发生过很多破坏性很大的地震。尤其是1976年7月28日，河北省唐山市发生了里氏7.8级的地震，造成近24万人死亡；2008年5月12日，四川汶川发生了里氏8.0级的地震，造成近7万人死亡，这些地震的灾难性后果让人触目惊心。
地震模拟振动台试验的基本原理是将试验对象放置在具有足够刚性的振动台台面上，通过激振系统使得振动台的台面复现输入的地震波形，使试验对象处于一个模拟的地震环境中，从而测试其在地震作用下的表现。地震模拟振动台试验方法是在实验室中研究结构在地震作用下的响应和地震的破坏机理的最直接的方法，因此已经成为目前结构抗震试验研究中最重要的手段之一。地震模拟振动台试验中最基本的设备就是地震模拟振动台，电动伺服缸地震模拟振动台以其相较于传统地震模拟振动台所具有的结构较为简单、操作简便、生产成本低、投资小等优点而广泛应用于小型工程结构试验。
由于地震波信号反映的是加速度的时域信号，所以采用地震模拟振动台再现地震波的试验，主要是加速度指令信号的再现。单纯的加速度指令跟随控制系统，是通过上位机发送给伺服驱动器的输入电压的变化，来控制伺服电机的实时出力，再通过机械传动传递到振动台的台面，并利用装置在振动台台面上的加速度传感器测量振动台台面的加速度作为控制系统的反馈信号。但是由于振动台的机械传动系统的摩擦力不可消除且在地震波试验过程中变化规律复杂，因此导致振动台台面加速度响应波形跟踪期望波形精度较差。而另一方面，在地震模拟振动台试验中通常台面载有试件，负载的变化也会影响到系统的动态特性，使得振动台的加速度的输出响应无法精确跟踪期望波形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，解决目前电动伺服缸地震模拟振动台台面加速度响应波形跟踪期望波形精度较差的问题。本发明系统采用双闭环控制，内环控制子系统采用加速度-位移双参量控制，外环控制子系统采用迭代学习控制，可以有效提高振动台台面的加速度波形复现精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，用于对电动伺服缸地震模拟振动台进行加速度控制，该控制系统包括外环迭代控制子系统和内环控制子系统；
所述外环迭代控制子系统包括记忆单元和外环控制单元；
在第k次迭代实验中，所述记忆单元用于记忆第k-1次外环加速度控制命令uk-1(t)、第k-1次振动台台面加速度波形yk-1(t)和期望加速度波形yd(t)，并在外环控制单元处理完成后，将uk-1(t)更新为uk(t)，在第k次迭代实验结束后，将yk-1(t)更新为yk(t)；
所述外环控制单元获取记忆单元中存储的期望加速度波形yd(t)、第k-1次外环加速度控制命令uk-1(t)和第k-1次振动台台面加速度波形yk-1(t)，做如下处理：
1)计算uk-1(t)的自功率谱密度Gxx(f)；
2)计算uk-1(t)与yk-1(t)的互功率谱密度Gxy(f)；
3)计算传递函数
4)对yd(t)进行傅里叶变换，计算yd(t)的傅氏谱Yd(f)＝FFT[yd(t)]；
5)求第k次外环加速度控制命令傅氏谱
6)对Uk(f)进行逆傅里叶变换，得到第k次外环加速度控制命令uk(t)＝IFFT[Uk(f)]；
7)将记忆单元中存储的uk-1(t)更新为uk(t)；
所述内环控制子系统包括加速度-位移命令转换模块、减法器、加法器、加速度PI控制器和位移PI控制器；
所述加速度-位移命令转换模块接收外环加速度控制命令uk(t)，生成外环位移控制命令sk(t)；
所述减法器将外环加速度控制命令uk(t)与台面加速度反馈信号ak(t)相减得到加速度偏差信号Δak(t)，输入加速度PI控制器，求得加速度控制信号所述减法器将外环位移控制命令sk(t)与台面位移反馈信号dk(t)相减得到位移偏差信号Δdk(t)，输入位移PI控制器，求得位移控制信号
所述加法器将加速度控制信号和位移控制信号合成为振动台控制命令ck(t)，用以控制振动台的伺服电机。
进一步地，所述加速度-位移命令转换模块接收外环加速度控制命令uk(t)，生成外环位移控制命令sk(t)，具体步骤如下：
a)对uk(t)进行数值积分，得到外环加速度控制命令积分信号vk0(t)；
b)对vk0(t)进行线性拟合，求出其拟合表达式y＝kv2x+kv1的拟合系数kv2、kv1；
c)对(vk0(t)-kv2t)进行数值积分，得到外环速度控制命令积分信号sk0(t)；
d)对sk0(t)进行二次多项式拟合，求出其拟合表达式y＝ka3x2+ka2x+ka1的拟合系数ka3、ka2、ka1；
e)求得外环位移控制命令sk(t)＝sk0(t)-(ka3t2+ka2t)。
进一步地，所述振动台台面加速度波形和台面加速度反馈信号由安装在振动台台面上的加速度传感器获得。
进一步地，所述振动台台面位移反馈信号由固定在电机末端的编码器获得。
进一步地，所述电动伺服缸地震模拟振动台包括伺服电机、电动伺服作动器、振动台底座、振动台台面，所述振动台底座通过直线导轨副与振动台台面连接，所述伺服电机的输出轴与用以将转动变换为直线运动的电动伺服作动器的输入轴连接，所述电动伺服作动器的输出轴通过连接件与振动台台面固定相连，电动伺服作动器的运动方向与直线导轨副的运动方向一致，所述振动台台面上放置被测试件。
本发明的有益效果是，本发明的内环控制子系统采用加速度-位移双参量控制方式，接收位移和加速度指令，并利用编码器采集到的位移信号和加速度传感器采集到的加速度信号构成位移和加速度环的负反馈，一起参与控制，解决单纯的位移控制或加速度控制存在的加速度波形复现精度不高的问题，使得振动台台面响应波形能较好的跟踪期望波形；外环迭代控制子系统采用迭代学习控制，估计系统的传递函数并修正控制输入信号，使得可以通过多次迭代实验，进一步提高振动台台面波形复现精度。
附图说明
图1是本发明实施例采用的电动伺服缸地震模拟振动台结构图；
图2是本发明的控制系统示意图；
图3是本发明实施例的期望加速度波形yd(t)；
图4是本发明实施例的第k次外环加速度控制命令uk(t)；
图5是本发明实施例采集的第k次实验中振动台台面的加速度波形yk(t)；
图6是本发明实施例的第k+1次外环加速度控制命令uk+1(t)；
图7是本发明实施例的内环控制子系统示意图；
图8是本发明实施例的第k次外环位移控制命令sk(t)；
图9是本发明实施例的实验结果；
图中：1-振动台底座、2-伺服电机、3-电动伺服作动器、4-直线导轨副、5-振动台台面、6-台面驱动连接座、7-活塞杆、8-预应力无间隙连接机构、9-被测试件、10-外环迭代控制子系统、11-内环控制子系统、12-振动台、13-加速度传感器、14-编码器、15-加速度-位移命令转换模块、16-减法器、17-加速度PI控制器、18-位移PI控制器、19-加法器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，是本实施例采用的一种电动伺服缸地震模拟振动台，该振动台包括振动台底座1、伺服电机2、电动伺服作动器3、振动台台面5和预应力无间隙连接机构8，振动台底座1上通过直线导轨副4与振动台台面5连接，振动台台面5上放置被测试件9，在振动台底座1的下方安装伺服电机2，伺服电机2的输出轴与用以将转动变换为直线运动的电动伺服作动器3的输入轴连接，电动伺服作动器3的输出轴与活塞杆7连接，活塞杆7的运动方向与直线导轨副4的运动方向一致，活塞杆7的前端安装台面驱动连接座6和预应力无间隙连接机构8，台面驱动连接座6的上端与振动台台面5固定连接。在本实施例采用的电动伺服缸地震模拟振动台中，台面驱动连接座6、活塞杆7以及预应力无间隙连接机构8起连接件的作用，将电动伺服作动器3的输出轴与振动台台面5固定相连。
如图2所示，本发明提供的一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，用于对电动伺服缸地震模拟振动台进行加速度控制，该控制系统包括外环迭代控制子系统10和内环控制子系统11；
外环迭代控制子系统10包括记忆单元和外环控制单元；图3为记忆单元中存储的期望加速度波形yd(t)，图4为第k次迭代试验中记忆单元存储的第k-1次外环加速度控制命令uk-1(t)，图5第k次迭代试验中记忆单元存储的第k-1次实验中振动台台面的加速度波形yk-1(t)，外环控制单元做如下处理：
1)计算uk-1(t)的自功率谱密度Gxx(f)；
2)计算uk-1(t)与yk-1(t)的互功率谱密度Gxy(f)；
3)计算传递函数
4)对yd(t)进行傅里叶变换，计算yd(t)的傅氏谱Yd(f)＝FFT[yd(t)]；
5)求第k次外环加速度控制命令傅氏谱
6)对Uk(f)进行逆傅里叶变换，得到第k次外环加速度控制命令uk(t)＝IFFT[Uk(f)]；
7)将记忆单元中存储的uk-1(t)更新为uk(t)；
计算得到的第k次外环加速度控制命令uk(t)如图6所示。
如图7所示，内环控制子系统11包括加速度-位移命令转换模块15、减法器16、加法器19、加速度PI控制器17和位移PI控制器18；
在第k次迭代实验中，所述加速度-位移命令转换模块15接收外环加速度控制命令uk(t)，生成外环位移控制命令sk(t)；所述减法器16将外环加速度控制命令uk(t)与台面加速度反馈信号ak(t)相减得到加速度偏差信号Δak(t)，输入加速度PI控制器17，求得加速度控制信号所述减法器16将外环位移控制命令sk(t)与台面位移反馈信号dk(t)相减得到位移偏差信号Δdk(t)，输入位移PI控制器18，求得位移控制信号
所述加法器19将加速度控制信号和位移控制信号合成为振动台控制命令ck(t)，用以控制振动台12的伺服电机。
其中，振动台台面加速度波形和台面加速度反馈信号可由安装在振动台台面上的加速度传感器13获得。振动台台面位移反馈信号可由固定在电机末端的编码器14获得。
更具体地，所述的加速度-位移命令转换模块15需要对加速度控制命令进行连续两次数值积分求得位移控制命令，但由于积分器容易混入直流噪声，从而造成积分曲线整体偏移，因此需先对积分曲线进行拟合趋势项，从积分器中减去该积分趋势项，对积分结果进行校正，并注意在校正过程中保证振动台的初始位移和速度为零，具体步骤如下：
1)对uk(t)进行数值积分，得到外环加速度控制命令积分信号vk0(t)；
2)对vk0(t)进行线性拟合，求出其拟合表达式y＝kv2x+kv1的拟合系数kv2、kv1；
3)对(vk0(t)-kv2t)进行数值积分，得到外环速度控制命令积分信号sk0(t)；
4)对sk0(t)进行二次多项式拟合，求出其拟合表达式y＝ka3x2+ka2x+ka1的拟合系数ka3、ka2、ka1；
5)求得外环位移控制命令sk(t)＝sk0(t)-(ka3t2+ka2t)。
图4所示的第k次外环加速度控制命令uk(t)通过该运算生成的外环位移控制命令sk(t)如图8所示。
在本实施例中，采用实验采集到的振动台台面加速度波形与期望加速度波形的相关系数作为衡量控制效果的指标，相关系数越接近1，表明控制得到的加速度波形与期望波形越接近，控制效果越好。在本实施例中，单纯采用位移控制方式，实验结果得到的相关系数为0.8524，采用本发明的控制系统，在仅采用内环控制子系统的情况下，实验结果得到的相关系数为0.8893，在此基础上采用外环迭代控制子系统，通过4次迭代实验，得到的相关系数可提高到0.9067，本实施例中实验得到的相关系数与迭代次数的关系图如图9所示。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，用于对电动伺服缸地震模拟振动台进行加速度控制，其特征在于，该控制系统包括外环迭代控制子系统和内环控制子系统；
所述外环迭代控制子系统包括记忆单元和外环控制单元；
在第k次迭代实验中，所述记忆单元用于记忆第k-1次外环加速度控制命令uk-1(t)、第k-1次振动台台面加速度波形yk-1(t)和期望加速度波形yd(t)，并在外环控制单元处理完成后，将uk-1(t)更新为uk(t)，在第k次迭代实验结束后，将yk-1(t)更新为yk(t)；
所述外环控制单元获取记忆单元中存储的期望加速度波形yd(t)、第k-1次外环加速度控制命令uk-1(t)和第k-1次振动台台面加速度波形yk-1(t)，做如下处理：
1)计算uk-1(t)的自功率谱密度Gxx(f)；
2)计算uk-1(t)与yk-1(t)的互功率谱密度Gxy(f)；
3)计算传递函数
4)对yd(t)进行傅里叶变换，计算yd(t)的傅氏谱Yd(f)＝FFT[yd(t)]；
5)求第k次外环加速度控制命令傅氏谱
6)对Uk(f)进行逆傅里叶变换，得到第k次外环加速度控制命令uk(t)＝IFFT[Uk(f)]；
7)将记忆单元中存储的uk-1(t)更新为uk(t)；
所述内环控制子系统包括加速度-位移命令转换模块、减法器、加法器、加速度PI控制器和位移PI控制器；
所述加速度-位移命令转换模块接收外环加速度控制命令uk(t)，生成外环位移控制命令sk(t)；
所述减法器将外环加速度控制命令uk(t)与台面加速度反馈信号ak(t)相减得到加速度偏差信号Δak(t)，输入加速度PI控制器，求得加速度控制信号所述减法器将外环位移控制命令sk(t)与台面位移反馈信号dk(t)相减得到位移偏差信号Δdk(t)，输入位移PI控制器，求得位移控制信号
所述加法器将加速度控制信号和位移控制信号合成为振动台控制命令ck(t)，用以控制振动台的伺服电机。
2.根据权利要求1所述的一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，其特征在于，所述加速度-位移命令转换模块接收外环加速度控制命令uk(t)，生成外环位移控制命令sk(t)，具体步骤如下：
a)对uk(t)进行数值积分，得到外环加速度控制命令积分信号vk0(t)；
b)对vk0(t)进行线性拟合，求出其拟合表达式y＝kv2x+kv1的拟合系数kv2、kv1；
c)对(vk0(t)-kv2t)进行数值积分，得到外环速度控制命令积分信号sk0(t)；
d)对sk0(t)进行二次多项式拟合，求出其拟合表达式y＝ka3x2+ka2x+ka1的拟合系数ka3、ka2、ka1；
e)求得外环位移控制命令sk(t)＝sk0(t)-(ka3t2+ka2t)。
3.根据权利要求1所述的一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，其特征在于，所述振动台台面加速度波形和台面加速度反馈信号由安装在振动台台面上的加速度传感器获得。
4.根据权利要求1所述的一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，其特征在于，所述振动台台面位移反馈信号由固定在电机末端的编码器获得。
5.根据权利要求1所述的一种电动伺服缸地震模拟振动台控制系统，其特征在于，所述电动伺服缸地震模拟振动台包括伺服电机、电动伺服作动器、振动台底座、振动台台面，所述振动台底座通过直线导轨副与振动台台面连接，所述伺服电机的输出轴与用以将转动变换为直线运动的电动伺服作动器的输入轴连接，所述电动伺服作动器的输出轴通过连接件与振动台台面固定相连，电动伺服作动器的运动方向与直线导轨副的运动方向一致，所述振动台台面上放置被测试件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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