多物理场耦合试验装置及控制算法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多物理场耦合试验装置的控制算法，该控制算法包括实时控制系统，该多物理场耦合试验装置(1)还包括振动台阵组件(30)、降雨组件(40)和滑坡组件(50)，所述实时控制系统包括第一地震控制器(5)、降雨控制器(9)、第二地震控制器(6)，所述实时控制系统包括实时力反馈控制器、辨识误差补偿器、自适应逆控制器。本发明专利技术提出了多物理场耦合作用的试验装置，可实现不同滑坡区域(坡顶、坡底)所受到不同地震动作用激励和降雨作用。同时，在实时力反馈控制方法的基础上，提出了考虑系统辨识误差的自适应逆控制策略，可有效提升多物理场耦合的模拟精度。场耦合的模拟精度。场耦合的模拟精度。

【技术实现步骤摘要】
多物理场耦合试验装置及控制算法


[0001]本专利技术专利属于岩土、地质等工程领域，具体涉及一种多物理场耦合试验装置及控制算法。

技术介绍

[0002]我国西部地区地形地貌复杂、地震多发，重大工程建设与运行将面临大震甚至是特大地震及降雨诱发的山体滑坡威胁。进一步而言，重大工程面临着主震
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强余震
‑
降雨
‑
巨型滑坡耦合与接续作用的威胁。开展多物理场耦合作用试验可以获取地震主震
‑
强余震
‑
降雨接续作用下，巨型滑坡孕育的关键参数、演变机理。进一步厘清多物理场的耦合关系及控制性指标参数，构建多物理场耦合表征模型，为我国重大工程抗震防灾提供理论支撑与技术保障。现有多物理场耦合试验装置及控制算法尚不能很好地进行主震
‑
强余震
‑
巨型滑坡耦合与接续作用的模拟。大多试验装置大都是对单一物理场进行模拟，无法再现多物理场耦合作用环境。同时，也亟需提出多物理场耦合作用控制算法，提升多物理场耦合的模拟精度。具体而言，在多物理场(地震动、降雨、滑坡等)耦合作用下，试验系统特性会发生改变，现有控制策略并不能高精度地再现多物理场耦合作用环境。

技术实现思路

[0003]针对上述技术问题，本专利技术第一方面提供多物理场耦合试验装置的控制算法，该控制算法包括实时控制系统，该多物理场耦合试验装置1还包括振动台阵组件30、降雨组件40和滑坡组件50，所述实时控制系统包括第一地震控制器5、降雨控制器9、第二地震控制器6，所述实时控制系统的第一地震控制器5和第二地震控制器6均包括实时力反馈控制器和辨识误差补偿器，所述振动台组件20包括阀控系统：
[0004]实时力反馈控制器被配置为：接收输出信号y(a)，结合振动台阀控系统逆传递函数和试验结构特性，生成阀控补偿信号c；
[0005]辨识误差补偿器被配置为：接收阀控补偿信号c和输出信号y(a)，对系统辨识误差进行消除，生成消除辨识误差阀控补偿信号；
[0006]阀控系统被配置为：接收输入信号x(a)、消除辨识误差阀控补偿信号，结合阀控系统传递函数，生成输出信号y(a)。
[0007]本专利技术的第二方面还提供了配置以上控制算法的多物理场耦合试验装置。
[0008]本专利技术的第三发面还提供了多物理场耦合试验装置中的双振动台和试验结构的相互作用影响分析方法，所述双振动台包括第一振动台32和第二振动台33，其中，该方法所用的系统模型如公式(22)所示：
[0009][0010]其中，x1是激振器1的位移，x2是激振器2的位移，u
01
是第一振动台32的控制信号，u
02
是第一振动台33的控制信号，G5、G6、G7、G8、G9和G
10
如公式(20)所示：
[0011][0012]其中，M1是第一振动台32的质量，M2是第一振动台33的质量，C为试验结构阻尼系数，s表示拉普拉斯算子，K为试验结构的刚度系数，M
S
为试验结构的质量，k
q1
G
q1
是伺服阀1的传递函数，k
q2
G
q2
是伺服阀2的传递函数，G
a1
和G
a2
是传感器的传递函数，G
41
和G
42
是两个三参量(TVC)的反馈，A
P1
和A
P2
是两液压缸的有效面积，G
21
和G
22
的解析表达式如公式(15)所示：
[0013][0014]其中，V1和V2是两个液压缸的总容量，K
c1
和K
c2
是稳态工作点附近的流量压力参数，C
c1
和C
c2
为液压缸总泄漏系数，β分别表示有效体积模量；
[0015]优选的是，公式(11)转换的传递函数矩阵如公式(23)所示：
[0016][0017]其中，H11,H12,H12和H22的表达式为公式(24)所示：
[0018][0019]其中，H11和H22是受CSI影响的两个激振器的传递函数，H12和H21是两个激振器之间耦合的传递函数；
[0020]优选的是，所述系统模型的构建考虑动态系统模型、液压驱动模型和三参量控制(TVC)模型三个子模型。
[0021]进一步的方法，其中，动态系统模型如公式(12)所示：
[0022][0023]其中，M1和M2分别是两个振动台台面的质量，F1是激振器1的出力，F2是激振器2的出力，x1是激振器1的位移，x2是激振器2的位移，M
S
为试验结构的质量；x
S
为试验结构的位移，C为试验结构阻尼系数，K为试验结构的刚度系数；
[0024]试验结构的位移为如公式(13)所示：
[0025][0026]其中，M
S
为试验结构的质量；x
S
为试验结构的位移，K为试验结构的刚度系数，s表示拉普拉斯算子，x1是激振器1的位移，x2是激振器2的位移；
[0027]优选的是，液压驱动模型如公式(14)所示：
[0028][0029]其中，k
Q1
G
Q1
和k
Q2
G
Q2
是两个伺服阀的传递函数，u1和u2是两个振动台的控制误差信号，A
p1
和A
P2
是两液压缸的有效面积；
[0030]优选的是，TVC模型如公式(16)所示：
[0031][0032]其中：u
01
和u
02
是两个振动台的控制信号，G
31
和G
32
是两个TVC的发生器和前馈，G
41
和G
42
是两个TVC的反馈，G
a1
和G
a2
是传感器的传递函数。
[0033]进一步的方法，其中，传感器的传递函数的表达式为：
[0034][0035]其中：n
a1
和n
a2
是传感器的频率，D
a1
和D
A2
是传感器的阻尼比。
[0036]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了多物理场耦合作用的试验装置，可实现不同滑坡区域(坡顶、坡底)所受到不同地震动作用激励和降雨作用。同时，在实时力反馈控制方法的基础上，提出了考虑系统辨识误差的自适应逆控制策略，可有效提升多物理场耦合的模拟精度。
附图说明
[0037]图1多物理场耦合试验装置及控制算法；
[0038]图2多物理场耦合试验装置；
[0039]图3多物理场耦合试验装置；
[0040]图4降雨系统；
[0041]图5降雨系统；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多物理场耦合试验装置的控制算法，该控制算法包括实时控制系统，其特征在于，该多物理场耦合试验装置(1)还包括振动台阵组件(30)、降雨组件(40)和滑坡组件(50)，所述实时控制系统包括第一地震控制器(5)、降雨控制器(9)、第二地震控制器(6)，所述实时控制系统的第一地震控制器(5)和第二地震控制器(6)均包括实时力反馈控制器和辨识误差补偿器，所述振动台组件(20)包括阀控系统：实时力反馈控制器被配置为：接收输出信号y(a)，结合振动台阀控系统逆传递函数和试验结构特性，生成阀控补偿信号c；辨识误差补偿器被配置为：接收阀控补偿信号c和输出信号y(a)，对系统辨识误差进行消除，生成消除辨识误差阀控补偿信号；阀控系统被配置为：接收输入信号x(a)、消除辨识误差阀控补偿信号，结合阀控系统传递函数，生成输出信号y(a)。2.如权利要求1所述的多物理场耦合试验装置的控制算法，其特征在于，振动台阵组件(30)的阀控系统接收到输入信号x(a)进行多物理场模拟，数采分析系统采集试验信号，该数采分析系统将该试验信号处理后发给数值仿真系统来实时更新系统特性，该数值仿真系统向实时控制系统发送输出信号y(a)。3.如权利要求1或2任一项所述的多物理场耦合试验装置的控制算法，其特征在于，所述消除辨识误差阀控补偿信号为控制误差信号E2，控制误差信号E2为输出信号y(a)和输入信号x(a)的差值，按式10计算：其中，K
a
和K
b
为动态可调因子，G(F)为辨识得到的振动台阀控系统传递函数，ΔF是辨识阀控系统传递函数与真实传递函数间的误差，G(S)是辨识得到的结构传递函数，ΔS是辨识传递函数与真实传递函数间的误差；优选的是：在区间范围内动态调整K
a
和K
b
的大小，使得输出信号y(a)和输入信号x(a)的差值的不断减小达到性能最优。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的多物理场耦合试验装置的控制算法，其特征在于，所述实时控制系统还包括自适应逆控制器：所述自适应逆控制器被配置为：S1：对加速度闭环系统进行辨识，得到加速度闭环系统的逆传递函数；S2：在S1的基础上采用零相差跟踪技术校正加速度闭环系统的逆传递函数；S3：将校正后的逆传递函数串联在加速度闭环系统的前端，得到一个近似线性的系统；S4：采用自适应逆控制策略对系统进行控制与补偿。5.一种配置如权利要求1
‑
4任一项所述的控制算法的多物理场耦合试验装置。6.如权利要求5所述的多物理场耦合试验装置，其特征在于，振动台阵组件(30)包括双台阶形本体(31)、第一振动台(32)和第二振动台(33)，其中，第一振动台(32)设置在双台阶形本体(31)的底部台阶上，第二振动台(33)设置在双台阶形本体(31)的顶部台阶上；
降雨组件(40)包括水箱(41)和水泵(42)，其中，水泵(42)将水箱(41)中的水泵出经降雨口(43)模拟雨水注向第一振动台(32)上的试验结构(2)和/或第二振动台(33)上的土箱(51)；滑坡系统(50)包括设置在第二振动台(33)上的土箱(51)、土箱(51)底部为可调整坡度坡底(53)和搭接在第一振动台(32)和第二振动台(33)上的滑坡本体(52)，其中，第二振动台(33)可调整坡度坡底(53)将土箱(51)中的土壤注入滑坡本体(52)后模拟滑坡泄向第一振动台(32)上的试验结构(2)；优选的是，滑坡本体(52)包括设置在其上端的上合页(56)和设置在其下端的下合页(57)，所述上合页(56)上设置有上端螺栓口(54)，所述下合页(57)设有下端螺栓口(55)；进一步优选的是，降雨组件(40)包括可在第一振动台(32)上方移动的移动板(44)、和设置在移动板(44)上的降雨口(43)、将水箱(41)中的水输送到移动板(44)上的模拟雨水输送管道、以及设置在模拟雨水输送管道上的雨水控制阀(45)；进一步优选的是，所述模拟雨水输送管道包括钢管道(46)和/或软管道(47)；优选的是，所述雨水控制阀(45)设置在钢管道(46)上。进一步优选的是，降雨组件(40)还包括移动板支架(410)、设置在移动板支架(410)上的电磁阀(48)、以及设置在移动板(44)上的电磁导轨(49)，其中，电磁阀(48)和电磁导轨(49)使得移动板(44)在第一振动台(32)上方移动。7.如权利要求5
‑
6任一项所述的多物理场耦合试验装置，其特征在于，第一振动台(32)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈苏，王巨科，李小军，俞言祥，王进廷，范立峰，傅磊，刘浩然，
申请(专利权)人：中国地震局地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：