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

In order to meet the earthquake heavy-duty full size experiment requirements as the background, the redundant long stroke parallel driving seismic simulator as the research object, to establish a system dynamics model, to reduce the force dispute between actuators and improve control accuracy as the goal, the rigid-flexible coupling dynamic model of parallel driving mode seismic simulator of redundant long stroke is established, the characterization expression of force disputes is deduced and the control method based on the Jacobin matrix of pressure is put forward. Modal modeling solves the adaptability problem that table mode cannot be ignored in the traditional rigid body modeling method for large size table, and provides a model for dynamic performance analysis and research of control algorithm; at the same time, based on the new characterization of force dispute and the Jacobin matrix, force balance is put forward by using kinematics and inverse real-time efficient solution, force matrix. It overcomes the problem in the traditional method that in super long stroke based on redundant actuation case, low accuracy and force dispute serious control. The research results of this project not only can be applied to such a large seismic simulator, but also can be used to control other redundant parallel mechanism, and has the better value in engineering application and theoretical research.

以满足大型重载全尺寸结构地震模拟实验要求为背景，以超冗余长行程并联驱 动地震模拟台为研究对象，以建立系统动力学模型、减少激振器间内力纷争以及提高控制精 度为目标，建立了超冗余长行程并联驱动地震模拟台的刚柔耦合模态动力学模型，推导出了 系统内力纷争的特性表征，并提出了基于雅可比矩阵的压力镇定控制方法。模态建模解决了 传统刚体建模方法在大尺寸台体中，台体模态无法忽略情况下的适应性问题，为分析系统动 态性能和研究控制算法提供了模型平台；同时，在内力纷争新的特性表征方式下，基于雅可 比矩阵的压力镇定控制方法运用实时高效的运动学正反解、内力矩阵克服了传统方法在超冗 余驱动长行程情况下，控制精度低、内力纷争严重的缺点。该项目研究成果不仅可以应用于 此类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并联机构的控制，具有较高 的工程应用价值和理论研究价值。

为了有效解决减少超冗余长行程并联驱动地震模拟台的内力以及控制问题，.以建立系统动力学模型、减少激振器间内力纷争以及提高控制精度为目标，建立了超冗余长行程并联驱动地震模拟台的刚柔耦合模态动力学模型，完成了柔性基础耦合下地震模拟台的模型建立，推导出了系统内力纷争的特性表征，并提出了基于雅可比矩阵的压力镇定控制方法。首先，在广义自由度空间下求解出了系统的特征值、特征向量与相应的振型矢量，组合出了系统模态矩阵，并确定了地震模拟台的综合固有频率、液压固有频率和基础固有频率之间的关系，分析了柔性基础的参数对系统动态特性的影响，为分析系统动态性能和研究控制算法提供了模型平台。其次，分析了内力与安装误差、伺服阀零偏、负载的刚度以及位移传感器测量误差之间的关系，并给出了内力与给定加速度在频域上的关系，发现对于同一幅值的加速度给定信号，低频时，其内力最大，内力随着频率的增大整体成下降趋势；同时，分析了稳态内力与动态内力的影响因素，由内力空间分解矩阵与矩阵范数理论得到了内力纷争的特性表征。发现系统驱动力是由该方程的最小范数解和齐次线性方程组的通解两部份组成，分别对应系统输出力和内力。最后，以最小化冗余并联机构内力为目标，利用奇异值分解给出了内力空间基底的求解方法，通过将液压缸铰点空间的内力转换成冗余自由度空间上的力并对其进行了抑制，达到了动态抑制内力的目的。该项目研究成果不仅可以应用于此类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并联机构的控制，具有较高的工程应用价值和理论研究价值。