摘 要

地震是一种由于地壳快速释放能量而产生振动的自然现象，它会对人类的生命财产造成严重威胁。目前，随着理论研究的不断深入以及实际应用的进一步发展，结构抗震理论的研究已经形成一个内容范围宽泛的科学领域，结构抗震的实验研究逐渐成为结构抗震理论的一个重要方向，抗震理论如果没有试验验证基础很难被广泛应该到实际工程中。因此，地震模拟振动台在建筑结构的减震和抗震研究中，具有十分重要的地位。它能根据用户的需求对试验简化结构模型施加期望振动，结构模型在振动台下的试验结果经过计算能够转换为其原型在真实振动下的响应，能够极大地推动结构减震和抗震的研究进度。伴随着理论研究的深入，试验结构模型趋于精简化，中小型功率的振动台在研究中的地位在逐渐提高。

地震模拟振动台系统设计，实现振动台台面在误差要求范围内准确地根据输入的地震波信号进行振动，这是控制的关键。因为这关乎到后期科研人员在振动台试验中是否能得到可靠而准确的试验数据。无疑该研究具有着重要的现实意义。 本课题针对地震模拟振动台试验中产生的误差进行数据分析和数据处理，从而根据要求设计出最优的地震模拟振动台的闭环系统，使试验能够更好和更准确的反映物体的受震情况，更有利于科研的数据分析，从而设计出更有效的抗震结构。本文通过对以小型伺服电机为激励的地震模拟振动台的研究，利用“黑箱”理论对控制系统进行了建模；同时使用MATLAB工具箱利用最小二乘法原理对系统进行了参数辨识；最后通过PID控制算法校正系统误差，从而得到了一个精确的控制系统来实现地震波的再现。

关键词：振动台；ＭＡＴＬＡＢ；地震波再现；闭环控制系统；ＰＩＤ；

Ｄesign and Analysis of the Earthquake Simulator Shaker Table Closed-up Control System

ABSTRACT

Earthquake is a kind of vibration due to the crust rapid release of energy from natural phenomena, it will pose a serious threat to human life and wealth.At present, with the deepening of theoretical research and the further development of practical application,The study of structural seismic theory has formed a scientific field with broad content,The experimental research on the seismic behavior of structures has become an important direction of the seismic theory, and it is difficult to be widely applied to the practical engineering.Because of this,the earthquake simulation shaker table is a very important equipment,which is used in seismic research of structures.According to people ‘s demand,It can impose certain and particular vibration on test structure.By taking the respond of the test structure,after converting,it can serve as a prototype in the real vibration response.The respond can be used in study of structure vibration.With the further development of structure theory,physical structure model is developing toward miniaturization and high-precision,both middle-power and low-power shaking tables have been more widely used than before.

In the design of earthquake simulation shaking table system, how to realize the vibration of the table of vibration table in the range of error requirement and accurately according to the input vibration signal is the key of control. Because it is related to whether the researchers can obtain reliable and accurate test data in the shaking table test at the late stage. There is no doubt that this research has important practical significance. Intended for earthquake simulation shaking table test error in data analysis and the analysis of existing problems and processing the data of this topic, which is designed according to the optimal shaking table of the closed-loop system, make the test better and more accurately reflect the objects by the earthquake, more conducive to the analysis of research data. In order to design a more effective seismic structure.Based on the shaking table incentive to mini servo motor, a model of the control system by using the theory of "black box"; at the same time using the MATLAB toolbox using the principle of least square method to identify the parameter of the system; finally, through the PID control algorithm of correcting the system error, and obtain an accurate control system the reproduction of seismic wave.

Key words：Shaker table;MATLAB;Earthquake wave reproduction;Closed-up Control System;PID;

第一章 绪论 2

1.1课题研究的目的和意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容和主要工作 5

第二章 地震模拟振动台控制系统设计方案 6

2.1地震台控制系统控制方案规划 6

2.2地震模拟振动台模型建立 6

2.2.1系统建模 7

2.2.2系统的参数辨识 7

2.3地震模拟振动台控制算法 8

2.4本章小结 9

第三章 地震模拟振动台系统概述 10

3.1地震模拟振动台机械结构 10

3.2伺服电机型号及相关参数 10

3.3伺服驱动器相关参数 12

第四章 地震模拟振动台控制系统设计 14

4.1地震模拟振动台伺服控制系统 14

4.2地震模拟振动台模型 14

4.2.1机械传动部分 14

4.2.2交流电动机数学模型 16

4.2.3控制环节的数学模型 17

4.3地震模拟振动台控制系统参数辨识 18

4.3.1系统参数辨识简介 18

4.3.2地震模拟振动台的模型的选择 19

4.3.3地震模拟振动台的参数辨识和仿真 19

第五章 PID控制器的设计 22

5.1PID控制的研究 23

5.2 PID参数整定概述 25

5.3使用试凑法进行PID参数整定 25

5.4完整系统的阶跃输入仿真及采样地震波输入仿真 30

结 论 33

致 谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

　　众所周知，地震是人类所面临的最难以预测并且毁灭性最强的自然灾害之一。更为重要的是，随着全世界经济的快速发展以及城镇化的扩张，地震造成的损失将越来越严重。近年来，全球地震灾害频发，直接或者间接的导致了人类的惨重的生命和财产损失^[1-3]。我国是一个地震频发的国家，因为地理上我国有四成国土、一半以上的城市位于地震基本裂度7 度以上地区^[4]。由于地震是特别难预测的自然灾害，所以目前人类尚不能对地震进行的精准预测，因此对建筑结构及减震材料的研究显得尤其重要，而此研究也是减少地震灾害影响的主要方向之一。 在抗震研究中，振动台试验是评判研究成果的重要手段和依据。地震模拟振动台是集结构激振、性能测试和数据分析等功能为一体的装置。地震模拟振动台在建筑结构的减震和抗震研究中，具有举足轻重的地位^[5-7]。在试验的结构模型的抗震效能检测和减震材料的性能考核中，振动台能够根据人们的实际需要，让试验负载进行符合要求振动，以此来模拟试验对象在实际激励下的动作，也就是说试验负载在振动台下的试验结果经过反推能够转化为其真实对象在实际激励下的动作^[8,9]。

  在地震模拟振动台系统设计中，如何实现振动台台面在误差要求范围内准确地根据输入的振动信号进行振动，这是控制的关键。因为这关乎到后期科研人员在振动台试验中是否能得到可靠而准确的试验数据。无疑该研究具有着重要的实际意义。 本课题拟针对地震模拟振动台试验中产生的误差进行数据分析和存在的问题进行数据的分析和处理，从而根据要求设计出最优的地震模拟振动台的闭环系统，使试验能够更好和更准确的反映物体的受震情况，更有利于科研的数据分析，从而设计出更有效的抗震结构。

1.2国内外研究现状

地震模拟振动台技术是集合了土建、振动、电子、机械传动、自动控制和计算机技术等在内的多学科综合性技术^[10]。最开始，抗震研究工作的主要形式是在地震频发地区的建筑物上进行检测地震反应的数据,这种方法造成了实验的周期长且不可控等缺点，研究人员总是希望能够把建筑或者抗震材料等模型在地震或者特定振动下的性能试验和结构破坏试验从真实现场转移到室内进行，以此来缩短数据采样周期，加速试验进度，地震模拟振动台试验便应运而生了^[11]。地震模拟振动台试验既能完成对已建成的建筑的抗震试验，同时也能够对正进行结构设计的建筑的抗震性能进行检验，同时还能在减震材料以及抗震减震措施的研究中提供很大帮助^[2]。