土力学抗震分析用双向电液激振控制的基础研究

针对当前高速公路、高速铁路、地铁、大坝等许多重大而复杂岩土工程土力学抗震试验分析中急缺同时考虑水平地震波和竖向地震波试验仪器的现状，本课题提出新的设计方案能够实现任意幅值比、任意相位差和任意波形的双向激振控制解决上述问题。该方案全部采用液压伺服系统组建实现试样径向（水压加载）和轴向（力加载）双向激振，保证双向激振均具有优良的动态响应特性。课题拟解决双向激振控制中的关键技术问题有：(1)提出改进的高精度双向激振非常规同步控制策略和摩擦非线性补偿方法；(2)研究双向激振过程中强耦合的解耦控制方法；(3)采用数字图像测试技术解决激振力实时补偿中的关键测量问题。课题的研究成果为复杂岩土工程土力学分析提供先进的试验条件，对突破国外的技术封锁提高自主知识产权水平具有重要意义。

本项目针对当前高速公路、高速铁路、地铁、大坝等许多重大而复杂岩土工程土力学抗震试验分析中急缺同时考虑水平地震波和竖向地震波试验仪器的现状，提出了新的设计方案实现了双向激振控制解决了上述问题。主要完成的工作如下：(1) 试制了双向激振动三轴仪（试验样机）。试制过程中解决了压力室泄露、透光差、装样繁琐等一系列问题。试验样机包括控制软件、数字图像处理系统、加载架、压力室、加载系统等，该样机加载系统全部采用液压伺服系统组建实现了试样径向（水压加载）和轴向（力加载）双向激振，保证了双向激振均具有优良的动态响应特性。该设备为实验内模拟复杂的载荷提供了先进的条件，从试验结果来看利用液压伺服系统组建双向激振动三轴试验仪是不错的选择；(2) 完成了双向激振非常规同步控制的研究。首先建立了双向激振动三轴仪非常规同步系统数学模型并分析系统稳定性能和动态特性，接着研究了几种典型的同步控制策略并对这些控制策略进行了理论分析和实验研究，最后通过对比实验，验证了基于交叉耦合控制的补偿方案比基于等同方式的补偿方案同步误差能减小40%左右，有效提高了双缸系统的同步性能；(3) 研究了摩擦非线性补偿方法。对摩擦问题进行了理论分析，建立了静态摩擦模型和动态摩擦模型，设计了摩擦模型参数辨识方法，利用实验结果对摩擦模型参数进行了辨识。设计了基于LuGre 模型的状态观测器，然后对动三轴试验仪轴向加载系统进行了摩擦力补偿实验和仿真，结果表明：带有摩擦补偿的系统跟踪误差与无补偿的系统跟踪误差相比误差减少明显；(4) 研究了模糊解耦控制方法，耦合系统中增加模糊解耦控制器后，虽无法从根本上消除耦合影响，但可以明显地降低了轴向激振与径向激振控制之间耦合的影响把耦合影响减小到允许范围之内；(5) 为实现径向动态补偿，本项目利用高速数字图像测试系统实现了试样径向平均尺寸的动态测量。采用基于亚像素角点检测的数字图像测量系统实现了快速实时测量，实时性满足1Hz常规试验的要求。使用数字图像测量系统对试样变形进行测量时，利用橡皮膜上标志线把试样分为12个截面，实现了为更准确地计算试样动态变化的平均直径；(6) 利用项目指导了3 名硕士研究生、协助指导2名博士研究生，在国内外期刊、学术会议等上发表学术论文十篇，其中被EI、SCI 检索4 篇。申报了国家发明专利5项，其中4项已经获得授权。