實時子結(jié)構(gòu)試驗的等效力控制方法.pdf

1、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)日趨大型化和復(fù)雜化，對整體結(jié)構(gòu)模型進行試驗是一項很困難且耗資較大的工作。當(dāng)結(jié)構(gòu)的非線性或者不確定性集中于結(jié)構(gòu)的某一部分時，則可僅將這一部分當(dāng)作試件進行子結(jié)構(gòu)試驗，大大降低了試驗成本。當(dāng)試件的性能不僅與位移相關(guān)，還與速度、甚至加速度相關(guān)時，就需要對試件實時加載以準(zhǔn)確測試其性能。實時子結(jié)構(gòu)試驗為解決以上困難提供了有效手段。對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實時子結(jié)構(gòu)試驗，更適宜用無條件穩(wěn)定的逐步積分方法。隱式逐步積分方法通常是無條件穩(wěn)定的，然而需要

2、復(fù)雜耗時的迭代求解非線性方法。為了避免迭代過程，等效力控制方法用反饋控制求解非線性方程，使隱式逐步積分方法在實時子結(jié)構(gòu)試驗中的應(yīng)用成為可能。因此，等效力控制方法的研究對于通過實時子結(jié)構(gòu)試驗客觀真實揭示大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)變過程具有重要意義。
　　本文研究了等效力控制方法用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)試驗時遇到的一些關(guān)鍵科學(xué)問題，并應(yīng)用此方法檢驗海洋平臺結(jié)構(gòu)和砌體填充框架結(jié)構(gòu)的抗振性能。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.用線彈性結(jié)構(gòu)試驗證明了等效

3、力控制方法的有效性。介紹了實時子結(jié)構(gòu)試驗等效力控制方法的原理以及比例-微分等效力控制器的設(shè)計方法，并用彈簧試件試驗檢驗等效力控制方法的有效性。研究表明：對于線彈性結(jié)構(gòu)試驗，反饋控制系統(tǒng)在單步階躍等效力命令輸入下的響應(yīng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)系統(tǒng)中各參數(shù)均選正值時，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件總能滿足。擬動力和實時子結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果表明，通過選擇合理的等效力控制器參數(shù)，此方法可以取得非常好的穩(wěn)定性和精度。
　　2.研究了等效力控制方法用于多自由度結(jié)構(gòu)的超

4、調(diào)問題，并用等效力控制方法檢驗了海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗振性能。分析了多自由度結(jié)構(gòu)等效力響應(yīng)的超調(diào)，提出了用減小比例增益或者減小等效力命令增量的方法降低等效力響應(yīng)的超調(diào)量。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，這兩種降低超調(diào)的方法是非常有效的。對海洋平臺結(jié)構(gòu)的實時子結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果表明，通過減小比例增益和將等效力命令線性插值的方法有效地解決了等效力響應(yīng)的超調(diào)問題，由等效力控制方法得到的結(jié)果具有很好的精度。試驗結(jié)果還表明：磁流變阻尼器對海洋平臺結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)起到了很好

5、的控制作用，而對于加速度反應(yīng)控制效果并不顯著。
　　3.研究了采用比例-微分控制等效力控制方法用于非線性結(jié)構(gòu)時力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)的選取方法。分別從忽略慣性力和阻尼力影響、考慮慣性力和阻尼力影響兩種情況討論了力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)的選取方法，并通過數(shù)值模擬驗證了所提解決方法的有效性。研究結(jié)果表明，在選擇比例-微分控制器的條件下，當(dāng)(ωΔ)4 S t2(或者(')4tωΔ)時，用結(jié)構(gòu)的起始剛度計算力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)就2 S能得到非常滿意的結(jié)果；

6、否則，必須準(zhǔn)確估計其剛度(如上一步割線剛度)才能得到好的結(jié)果。
　　4.為了用結(jié)構(gòu)起始剛度計算力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)，本文還提出了采用比例-積分控制器的等效力控制方法。用勞斯判據(jù)分析了采用比例-積分控制時反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由拉普拉斯終值定理推導(dǎo)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，給出了控制器參數(shù)的整定方法。分別用彈簧試件和阻尼器試件的試驗檢驗了采用比例-積分控制器等效力控制方法的有效性。分析結(jié)果表明，用結(jié)構(gòu)起始剛度計算力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)時，控制系統(tǒng)的穩(wěn)

7、定界限為 I Kξω≈2 A A(1+，此反饋控制系統(tǒng)在K P)單步階躍等效力命令輸入下的響應(yīng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差。數(shù)值模擬和試驗的結(jié)果都表明：當(dāng)采用比例-積分控制器時，用結(jié)構(gòu)的起始剛度計算力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)就能得到非常好的效果。數(shù)值模擬結(jié)果還表明，對于應(yīng)變軟化型結(jié)構(gòu)，此方法優(yōu)于Jung等人的迭代方法。
　　5.用等效力控制方法對兩層砌體填充框架結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬。介紹了應(yīng)用力-位移混合控制、考慮試件質(zhì)量的整體方法和動力子結(jié)構(gòu)方法的試驗原理