电液伺服加载系统的LQR控制及在实时子结构实验中的应用

论文摘要

结构试验是评价结构抗震性能的有效手段。和传统的结构试验技术相比,实时子结构试验在检验速度相关型结构构件的真实性能,以及足尺试验等方面有明显的优势而得到重视。但是实时子结构试验在系统加载控制等方面的要求比传统的试验方法更严格,因此控制器的性能对试验至关重要。在试验过程中,传统的PID控制器参数的确定和试件动力特性有关,当试件进入非线性状态,控制器参数需重新标定,否则控制效果会下降甚至发散。本文在已有的电液伺服加载系统数学模型的基础上建立了其LQR控制方法,并将其应用于实时子结构试验的数值仿真分析。首先,对Jung建立的电液伺服系统的传递函数模型进行了修正,讨论了影响非线性模型流量饱和的因素。根据修正后的传递函数模型,利用内模设计原理设计了LQR控制器。其次,对如何选取LQR控制器的最优增益进行了讨论,将LQR控制器应用于单自由度实时子结构试验仿真,并将仿真结果和PID控制下的仿真进行了对比。结果表明:当非线性模型达到流量饱和时,两种控制器具有同样的控制效果,当未达到流量饱和时,LQR控制对不同刚度的试件具有更好的控制效果和鲁棒性。仿真结果还表明,随着阶跃命令的减小,LQR控制下系统响应的时滞减小。最后,对多自由度实时子结构试验进行了数值仿真,结果表明,改变试件刚度,LQR控制器有很好的鲁棒性,数值仿真结果和精确解吻合很好。采用PID控制,当试件刚度改变时,控制器的鲁棒性较差。当电液伺服系统未达到流量饱和时,LQR控制下系统具有更小的时滞和更好的稳定性,时程仿真结果更精确。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 实时子结构试验原理
• 1.2.2 数值积分方法
• 1.2.3 试验的实施与控制
• 1.2.4 线性二次最优（LQR）控制
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 电液伺服加载系统的数值模型及控制方法
• 2.1 前言
• 2.2 电液伺服加载系统的传递函数模型
• 2.3 传递函数模型参数的修正
• 2.3.1 流量增益的修正
• 2.3.2 压差反馈增益的修正
• 2.4 影响电液伺服系统流量的因素
• 2.4.1 系统响应速度对流量的影响
• 2.4.2 作动器出力对流量的影响
• 2.5 用LQR算法设计控制器
• 2.5.1 试验系统的状态空间模型
• 2.5.2 内模设计方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 单自由度实时子结构试验数值仿真分析
• 3.1 前言
• 3.2 LQR控制下系统响应分析
• 3.2.1 LQR控制器反馈增益的选取
• 3.2.2 线性试件LQR控制效果分析
• 3.2.3 非线性试件LQR控制效果分析
• 3.3 采用LQG算法设计状态观测器
• 3.4 本章小结
• 第4章 多自由度实时子结构试验数值仿真分析
• 4.1 前言
• 4.2 多自由度实时子结构线性构件仿真分析
• 4.2.1 LQR控制器单独控制
• 4.2.2 多输入多输出控制
• 4.3 多自由度实时子结构非线性构件仿真分析
• 4.3.1 LQR控制器单独控制
• 4.3.2 多输入多输出控制
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢