冗余多轴振动台耦合特性分析及其控制策略研究

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1、博士学位论文冗余多轴振动台耦合特性分析及其控制策略研究COUPLINGANALYSISANDITSCONTROLSTRATEGYOFREDUNDANTMULTI-AXISSHAKINGTABLE魏巍哈尔滨工业大学2015年06月国内图书分类号：TP271.3/V526学校代码：10213国际图书分类号：621/626密级：公开工学博士学位论文冗余多轴振动台耦合特性分析及其控制策略研究博士研究生：魏巍导师：韩俊伟教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:TP271.3/V526U.D.C:621/626DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCOUPLINGANALYSISANDITSCONTROLSTRATEGYOFREDUNDANTMULTI-AXISSHAKINGTABLECandidate：WeiWeiSupervisor：Prof.HanJunweiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsAffiliation：SchoolofMech

3、atronicsEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要中国是地震多发国家，振动台作为在实验环境中可以实现地震信号模拟的试验设备，广泛的用于高层建筑、桥梁和大型结构件振动试验检测。冗余多轴振动台可以克服小尺寸缩尺模型所带来的试验精度问题，并能评价分析重载大型结构试件的地震破坏机理和结构整体抗震能力。本课题来源于国家自然科学基金项目：“超冗余长行程并联驱动地震模拟台内力耦合机理及其抑制方法研究”以及“

4、超冗余长行程并联驱动地震模拟台模态建模及压力镇定控制机理研究”，对冗余多轴液压振动台的柔性基础耦合、内力耦合和动力学耦合特性进行了深入研究，并提出了相应的解耦控制策略。冗余液压振动台激振器伺服阀的流量非线性将导致加速度波形失真现象，为此，本文建立了液压系统的非线性模型，通过流量压力的非线性方程设计了其非线性逆模型，实现了流量的非线性补偿，仿真结果验证了其有效性。同时，通过基于状态空间的状态反馈设计了自由度的三状态反馈控制器，并对其稳定性进行了分析，给出了理想三阶传递函数所对应的三状态控制参数。当冗余振动台的反力墙柔性较大时，会影响振动台的整体特性

5、，使得振动台的频宽降低。本文建立了柔性基础耦合下液压振动系统的模型，通过等效二自由度系统的模态研究，确定了综合固有频率、液压固有频率和基础固有频率之间的关系，并分析了柔性基础的参数对系统动态特性的影响，改进了常规的三状态前馈控制器。仿真结果表明前馈改进控制可以有效拓展柔性基础耦合时的系统频宽。同时，为了提高高频时正弦信号的跟踪精度，克服传统幅相控制参数设置繁琐的缺点，提出了新的幅相控制策略。在时域内给出了正弦信号的幅值误差、相位误差和零点偏移的辨识公式。结合辨识误差，建立了三个参数的迭代序列，在考虑低频快速性与高频稳定性的基础上，对迭代速率进行了

6、分段处理，并分别给出了辨识和迭代部分有限状态机程序的计算机实现方法。冗余振动台的液压缸数大于控制的自由度数，电液伺服系统间特性不一致会导致系统产生较大的内力耦合。为了分析内力耦合特性，首先建立了单冗余系统在自由度控制下的内力耦合模型，给出了稳态时内力与伺服阀零偏、安装精度、测量误差和平台刚度之间的关系。然后将冗余振动台的平台分别沿水平和垂直方向进行网格划分，建立了其刚柔耦合动力学模型，并对自由度控制下的内力进行了仿真分析。最后根据稳态时内力与伺服阀零偏的关系，提出了静态内力积分补偿控制策略来消除稳态内力。对于动态内力，则在冗余振动台内-I-摘要力

7、耦合空间分析的基础上，通过内力合成矩阵，对合成内力进行闭环反馈补偿，由冗余变形分解矩阵将补偿量分配到各液压伺服阀的输入端，提出了动态压力的均衡控制策略。仿真结果表明所提的内力控制方法能有效降低冗余液压振动台的静态及动态耦合内力，减少内力控制参数。冗余振动台在带负载工作时，由于负载的偏心，各个自由度之间会出现动力学耦合现象。为此，建立了动力学耦合模型，根据动力学耦合模型引入耦合力观测器，经过雅可比矩阵变换，将耦合力分解到各液压缸上，视耦合力为液压系统的干扰力进行控制，并给出了干扰力的顺馈补偿控制策略，提出基于动力学模型下的解耦控制策略。基于动力学模

8、型的解耦控制需要对加速度反馈信号进行微分处理，由于实际控制时加速度反馈信号的噪声较大，在此基础上，提出了模态的解耦控制策略。将液压缸视为