CN109375528A - 一种多参量监控地震的模拟仿真系统 - Google Patents

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李剑杰
刘雷
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Abstract

本发明公开一种多参量监控地震的模拟仿真系统，包括：平台、驱动控制单元、与所述驱动控制单元连接的信号反馈单元、与所述信号反馈单元连接的信号处理单元、与所述信号反馈单元以及信号处理单元连接的PID调节单元。本发明采用电机模组进行动力加载，其不需要传动机构就能直接驱动，结构紧凑，定位精密，大大拓宽了频响范围；采用多参数控制，通过多参量扭矩控制算法可以很好地模拟震动平台的动力作用，具有不需要设置反力墙、行程要求低、控制精度高、容易实施等诸多优点。

Description

一种多参量监控地震的模拟仿真系统
技术领域
本发明涉及地震模拟仿真领域，尤其涉及一种多参量监控地震的模拟仿真系统。
背景技术
地震是对人类的威胁最严重的自然灾害之一，目前应对地震比较实用的方法就是增强结构件的抗震性能，目前结构件抗震性能研究的主要方法有拟静力试验、拟动力实验和地震模拟振动台试验。拟静力试验由于设备简单，能够最大限度获取试件的各种信息而得到广泛的应用，其主要的目的是获得结构件的刚度、承载力、变形和耗能等信息，但拟静力试验无法反映结构件在真实地震作用下的动力响应。拟动力试验是从结构件上获取其恢复力特性，其加载过程还是拟静力的。地震模拟振动台试验能够真实再现各种形式的地震波，能直接真实地反映结构件在地震过程中的受力性能和破坏特征。
地震模拟振动台的工作原理是把结构件放在一个刚性足够的台面上，通过动力加载设备使台面实现各种类型的地震波，使得结构件随之产生类似地震作用下的震动，其包括台面、震动装置、控制器等。其中震动装置一般有两种，一种是采用“励磁线圈”的电磁激振器，其位移小，出力小，不能满足低频、大位移结构加载的试验需求，只能用作小型振动台使用。另一种是采用“滚珠丝杠”的电动缸，其不能满足中高频的试验响应需求，并存在丝杠磨损的隐患。
并且现有的模拟仿真系统使用单一的控制参量，不能在宽频带范围内得到平直的响应曲线。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多参量监控地震的模拟仿真系统，用于科研所关于结构抗震的研究与测试。
本发明的技术方案如下：提供一种多参量监控地震的模拟仿真系统，包括：平台、驱动控制单元、与所述驱动控制单元连接的信号反馈单元、与所述信号反馈单元连接的信号处理单元、与所述信号反馈单元以及信号处理单元连接的PID调节单元；
所述驱动控制单元包括伺服电机模组以及驱动控制所述伺服电机模组的伺服驱动器，伺服驱动器用于根据输入信号控制所述伺服电机模组产生相应震动；
所述信号反馈单元包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、以及扭矩传感器，用于监控伺服电机模组运行过程中的各项指标的实际反馈值，并且为信号处理单元以及PID调节单元提供数据信息；
所述信号处理单元用于对输入输出信号进行安全限制，其包括反馈信号处理模块以及命令信号处理模块，所述反馈信号处理模块用于产生的实际反馈值，所述命令信号处理模块用于处理PID调节单元产生的命令信号值；
所述PID调节单元根据信号处理单元发送的命令信号值以及实际反馈值进行实时调节输出，保证输出波形与理论波形的一致性。
进一步地，所述信号反馈单元监控伺服电机模组运行过程中的各项指标包括力、位移、速度以及加速度。
进一步地，本多参量监控地震的模拟仿真系统采用宽带频谱分析，在低频时由位移控制，中频时由速度控制，高频时由加速度控制。
进一步地，所述伺服电机模组包括：底板、设于底板上的导轨、设于导轨上的滑块、设于底板两侧的防尘钣金、设于所述防尘钣金上的负载板、设于所述负载板两侧的缓冲器、以及磁轨、电机、读数头，所述防尘钣金一侧设有拖链安装板，所述拖链安装板上设有拖链。
进一步地，所述负载板两侧设有风琴罩。
进一步地，所述缓冲器为油压缓冲器。
进一步地，所述电机的型号为ILC-150-3-NC，其额定推力为2345N，峰值推力为6060N，峰值电流为50A，连续电流为18A。
进一步地，所述伺服电机模组设有三条导轨。
采用上述方案，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用电机模组进行动力加载，其不需要传动机构就能直接驱动，结构紧凑，定位精密，大大拓宽了频响范围；
2、采用多参数控制，通过多参量扭矩控制算法可以很好地模拟震动平台的动力作用，具有不需要设置反力墙、行程要求低、控制精度高、容易实施等诸多优点。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的控制原理图。
图3为本发明伺服电机模组的正视图。
图4为本发明伺服电机模组的仰视图。
图5为图3中E-E的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种多参量监控地震的模拟仿真系统，包括：平台、驱动控制单元、与所述驱动控制单元连接的信号反馈单元、与所述信号反馈单元连接的信号处理单元、与所述信号反馈单元以及信号处理单元连接的PID调节单元。
所述驱动控制单元包括伺服电机模组以及驱动控制所述伺服电机模组的伺服驱动器，伺服驱动器用于根据输入信号控制所述伺服电机模组产生相应震动。
所述信号反馈单元包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、以及扭矩传感器，用于监控伺服电机模组运行过程中的各项指标的实际反馈值，并且为信号处理单元以及PID调节单元提供数据信息，此处各项指标包括力、位移、速度以及加速度。
所述信号处理单元用于对输入输出信号进行安全限制，其包括反馈信号处理模块以及命令信号处理模块，所述反馈信号处理模块用于产生的实际反馈值，所述命令信号处理模块用于处理PID调节单元产生的命令信号值。
所述PID调节单元根据信号处理单元发送的命令信号值以及实际反馈值进行实时调节输出，保证输出波形与理论波形的一致性。
本多参量监控地震的模拟仿真系统采用宽带频谱分析，使用单一的控制参量，不能在宽频带范围内得到平直的响应曲线，而且在实验的进行过程中，构件从线弹性阶段向非线性塑性阶段发展，受力效应会发生变化，使得系统的响应函数发生变化，震动平台输出的不再是期望的波形。为了实现在典型地震波宽频带下的平稳的性能，使系统的频率响应函数曲线能基本随频率变化而保持平直，并能根据构件的物理特性发展阶段的变化而自动调节控制参数，本系统采用多参数控制，以位移反馈内闭环控制为基础，将力、位移、速度、加速度作为控制参量，设定合适的初始权值，并应用自适应PID调节实时调整多参数控制的权值，来构件外控制闭环，以实现波形高精度跟踪和高带宽控制。
权值的调整基本方向是要实现：在低频时由位移控制，中频时由速度控制，高频时由加速度控制。多参数控制并不是同时并行控制，而是只有一个主控参数，另外的参数作为补充信号来减少幅度随频率衰减程度，以提高系统稳定性。
如图2所示，首先输入地震波(也就是图中的加速度命定值)，根据该加速度命令值可以算出位移命令值、速度命令值、以及加速度命令值。与此同时，位置传感器、速度传感器、加速度传感器、以及扭矩传感器将不同的电信号反馈到系统，也就是位移反馈值、速度反馈值、加速度反馈值，PID调节单元将各个反馈值与命令值作比较，比较后的差值信号通过伺服驱动器驱动执行器(也就是伺服电机模组)动作，直到反馈信号与指令信号的比值差值小于规定的允许误差。
请参阅图3至图5，所述伺服电机模组包括：底板1、设于底板1上的导轨2、设于导轨2上的滑块3、设于底板1两侧的防尘钣金4、设于所述防尘钣金4上的负载板5、设于所述负载板5两侧的缓冲器6、以及磁轨7、电机8、读数头9，所述防尘钣金4一侧设有拖链安装板10，所述拖链安装板10上设有拖链11。
所述负载板5两侧设有风琴罩12。
由于整个模组的加速度大、负载大，故缓冲器6选用油压缓冲器。
所述电机8的型号为ILC-150-3-NC，其额定推力为2345N，峰值推力为6060N，峰值电流为50A，连续电流为18A。整个伺服电机模组的重复精度为±10um，定位精度±10m(补偿后)，冲击性大，负载大(11kN)，所以使用铝合金结构来设计此模组。
所述伺服电机模组设有三条导轨2，型号为THK-SHS30R，此导轨2的额定载荷为44KN，可满足使用要求，共配备3个滑块3。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用电机模组进行动力加载，其不需要传动机构就能直接驱动，结构紧凑，定位精密，大大拓宽了频响范围；
2、采用多参数控制，通过多参量扭矩控制算法可以很好地模拟震动平台的动力作用，具有不需要设置反力墙、行程要求低、控制精度高、容易实施等诸多优点。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，包括：平台、驱动控制单元、与所述驱动控制单元连接的信号反馈单元、与所述信号反馈单元连接的信号处理单元、与所述信号反馈单元以及信号处理单元连接的PID调节单元；
所述驱动控制单元包括伺服电机模组以及驱动控制所述伺服电机模组的伺服驱动器，伺服驱动器用于根据输入信号控制所述伺服电机模组产生相应震动；
所述信号反馈单元包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、以及扭矩传感器，用于监控伺服电机模组运行过程中的各项指标的实际反馈值，并且为信号处理单元以及PID调节单元提供数据信息；
所述信号处理单元用于对输入输出信号进行安全限制，其包括反馈信号处理模块以及命令信号处理模块，所述反馈信号处理模块用于产生的实际反馈值，所述命令信号处理模块用于处理PID调节单元产生的命令信号值；
所述PID调节单元根据信号处理单元发送的命令信号值以及实际反馈值进行实时调节输出，保证输出波形与理论波形的一致性。
2.根据权利要求1所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，所述信号反馈单元监控伺服电机模组运行过程中的各项指标包括力、位移、速度以及加速度。
3.根据权利要求2所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，本多参量监控地震的模拟仿真系统采用宽带频谱分析，在低频时由位移控制，中频时由速度控制，高频时由加速度控制。
4.根据权利要求1所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，所述伺服电机模组包括：底板、设于底板上的导轨、设于导轨上的滑块、设于底板两侧的防尘钣金、设于所述防尘钣金上的负载板、设于所述负载板两侧的缓冲器、以及磁轨、电机、读数头，所述防尘钣金一侧设有拖链安装板，所述拖链安装板上设有拖链。
5.根据权利要求4所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，所述负载板两侧设有风琴罩。
6.根据权利要求4所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，所述缓冲器为油压缓冲器。
7.根据权利要求4所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，所述电机的型号为ILC-150-3-NC，其额定推力为2345N，峰值推力为6060N，峰值电流为50A，连续电流为18A。
8.根据权利要求4所述的多参量监控地震的模拟仿真系统，其特征在于，所述伺服电机模组设有三条导轨。
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Title
曾军 等: "交流伺服电动缸在地震模拟振动台中的应用", 《实验技术与管理》, vol. 28, no. 4, pages 67 - 70 *

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