土工离心机振动台解耦控制策略与试验可靠性分析方法

The kinematic coupling between centrifuge bucket and shaker directly influencing the output waveforms of platform and the whole responses of model test system, is the most distinctive difference in comparison with the actuators of other scientific research experiment shakers and one of bottlenecks that restrict the application ability and quantitative research development of present dynamic centrifuge modeling approach. This project aims to study this centrifuge-shaker coupling problem by theoretical analysis and mathematical deduction as the main method supplemented with verification of numerical simulation and physical modeling. The focus of this study is on several critical problems such as the coupling mechanism, the nonlinear factors, the random disturbance and the modeling system coupling boundary effect, to develop a self-adaptive decoupling control strategy applicable to geotechnical centrifuge shaker and an analysis method for evaluating the coupling boundary effect on the result reliability of dynamic centrifuge model tests and revising data. Compared with previous research, the innovation and scientific value of this project is centered on two aspects. On the one hand, by introducing the real-time identification of dynamic coupling characteristics of centrifuge shaker systems and the suppression and compensation capability of nonlinearity, the developed control strategy is capable of increasing the stability and precision of output waveforms of the platforms together. On the other hand, through the exploration of a numerical model for transforming the coupling boundary of tests into the real bedrock boundary with the consideration of control systems, the parametric sensitivity of coupling boundary, the evaluation index of result reliability and the analysis method of data revision are to be proposed.

离心机吊篮与振动台运动耦合直接关系台面输出波形和模型试验系统整体响应，是与其它科研试验振动台在执行机构上最为本质的区别，也是制约目前动力离心模型试验方法应用能力与量化研究发展的一个瓶颈问题。本项目针对离心机振动台耦合问题，拟采用理论分析和数学推导为主并辅以数值仿真与物理试验校验的方法，重点围绕耦合机制、非线性因素、随机摄动、试验系统耦合边界效应等几个关键问题开展深入研究，发展一种适用于土工离心机振动台的自适应解耦控制策略和一套评价耦合边界影响动力离心模型试验结果可靠性与数据修正的分析方法。与以往研究对比，本项目的创新与科学价值主要体现在两方面：a.增加离心机振动台动态耦合特性实时辨识和非线性抑制补偿能力，建立的控制策略能使台面输出波形稳定性与精确性同时提高；b.开发考虑控制系统的离心机振动台耦合试验边界和真实基岩边界转化数值模型，给出耦合边界参数敏感性、可靠性评价指标和数据修正分析方法。

离心机吊篮与振动台运动耦合直接关系台面输出波形和模型试验系统整体响应，是与其它科研试验振动台在执行机构上最为本质的区别，也是制约目前动力离心试验方法应用能力与量化研究发展的一个瓶颈问题。该项目立足于这一共性科学问题，建立了离心机振动台非线性耦合数学模型，推导了系统耦合运动传递函数，给出了非线性因素和随机摄动对系统耦合特性的影响规律，发展了一种能在线自适应解耦、抑制补偿非线性与随机干扰的新型复合控制策略，以使动力离心试验的控制稳定性和波形控制精度同时显著提升。提出的新型复合控制策略，与现有主流三状态伺服控制策略相比，增加了μ综合解耦、鲁棒控制、干扰补偿等子控制环节，并在申请单位1500kg水平单向离心振动台上应用，获得了性能稳定、高精度的地震波复现性能。经50g离心加速度和1500kg振动负载下27组国内外不同典型地震波输入与输出对比测试，该离心振动台平均波形失真度为8.12%、平均峰值误差为6.63%，均优于同类设备与行业标准20%、10%，达到了国际先进和国内领先技术水平。. 目前该项目已完成全部研究内容和预期目标，以及各项技术考核指标。同时，除完成复合控制策略研究目标之外，本项目针对离心机振动台结构设计方面，还提出了有利于提高离心机振动台的工作稳定性和控制精度的3项关键技术，包含：1）先导阀动态频率一致性协调方法；2）基于偏质量-阻尼特性抑制运动耦合的反力吊篮设计方法；3）基于粘滞非线性缓解高频冲击的支撑导向装置设计方法。