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

To carry out seismic testing of full-scale and heavy structure, seismic simulator.is usually with hyper-redundant parallel actuation and long stroke to get enough drive force and displacement.Redundant actuation has a good payload capacity,but .It's easy to generate inner force coupling among actuators, seriously leading to the seismic simulator unable to work.To avoid that,the inner force coupling is investiged and its effective rejeciton method is proposed. Fistly,the integrated dynamic model is built considering modal of the flexibility of motion platform and .small stiffness caused by long stroke. Secondly,the inner force coupling phenomenon is analyzed based on the dynamic model,the coupling nature is revealed,and the mathmatic model of nature space of inner force coupling is given. Finally,the rejeciton approaches of inner force coupling is provided based on the basis elements of inner force space including the characteristics of the actuators.The research results not onlly used for the aboved large seismic simulator, but also for other redundantly driven mechanism. So it has higher engineering value and theory research value.

为了满足重载大型结构进行全尺寸地震模拟实验的要求，地震模拟台通常采用超冗余长行程并联驱动的形式，以获得足够的出力和位移。冗余驱动形式虽然具有良好的承载能力，但是运动过程中各激振器之间很容易产生内力耦合，严重时将导致地震模拟台无法正常工作。为此，本课题将深入分析其内力耦合的机理，并提出有效的抑制方法。首先，考虑台体柔性和长行程低刚度液压弹簧的机液耦合，建立冗余驱动并联机构的整体动力学刚柔耦合模型；然后，根据此模型分析各激振器间的内力耦合特性，揭示内力耦合的本质，建立内力耦合空间的数学模型；最后，基于内力耦合空间的基底，同时考虑激振器本身特性提出有效的抑制方法。这些研究成果不仅可以应用于上述大型地震模拟台的分析与控制，而且也可以应用到其他冗余驱动并联机构的分析与控制，因此具有较高的工程应用价值和理论研究价值。

为了满足重载大型结构进行地震模拟实验的要求，地震模拟台通常采用超冗余长行程并联液压驱动的形式，而且通常液压作动器数量远大于控制的自由度数量，以获得足够的出力和位移。冗余驱动形式虽然具有良好的承载能力，但是运动过程中各激振器之间很容易产生内力耦合，严重时将导致地震模拟台无法正常工作。.为了探究此类超冗余并联驱动机构内力产生的机理，同时寻找合适的抑制方法，本课题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。然后将超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，对常规自由度控制模式下的内力进行了仿真分析。其次分析激振空间位移/力与结构空间位移/力的关系，建立了激振空间至结构空间的位移转换矩阵和力转换矩阵，从而获得结构刚体运动量和扭曲变形量间的描述，其中结构扭曲变形/力的描述即为内力空间的本征形式。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，则在超冗余振动台内力耦合空间分析的基础上，通过内力空间矩阵，对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。.这种控制方法相对于常规方法大幅度地减少了内力控制参数，控制结构更加简洁和通用，这些研究成果不仅可以应用于上述大型地震模拟台的分析与控制，而且也可以应用到其他冗余驱动并联机构的分析与控制，因此具有较高的工程应用价值和理论研究价值。