刚柔耦合论文：吊篮刚度对离心机振动台控制特性的影响.doc

刚柔耦合论文：吊篮刚度对离心机振动台控制特性的影响【中文摘要】本课题来源于哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所与中国地震局工程力学研究所合作的电液式土工离心机振动台。一般的电液振动台的激振器安装在质量近似无穷大和刚度影响可以忽略的基座上,而离心机振动台的激振器安装在质量和刚度较小的吊篮上。在激振过程中,吊篮将产生变形,导致系统共振和加速度波形失真。本文研究吊篮的变形对振动台控制特性的影响。本文首先采用PRO/E、ANSYS和ADAMS联合仿真的方法建立吊篮和振动台的刚柔耦合多体动力学模型。为研究吊篮的多阶模态对系统控制特性的影响打下基础。由于柔性体是多阶模态的组合,在分析过程中由简入繁,分别建立不考虑吊篮刚度和考虑吊篮一阶模态的液压动力机构模型并进行对比分析,研究吊篮一阶模态的参数对液压系统的影响。振动台的伺服控制策略包括三状态控制器、自由度分解与合成矩阵、压力镇定器。本文对不考虑吊篮刚度和考虑吊篮一阶模态的液压系统设计不同的三状态控制器,并比较分析控制器的异同。在控制系统和刚柔耦合动力学模型联合仿真的环境下,对考虑吊篮多阶模态的系统设计控制器并进行仿真,将仿真结果与考虑吊篮一阶模态的控制系统的仿真结果对比分析。分析结果表明,考虑吊篮多阶模态的控制系统的谐振峰值发生在吊篮的一阶固有频率附件。校正环节使吊篮的变形在中高频段增大,对被控对象的校正能力受到系统功率的限制。【英文摘要】This subject comes from IEST and Mechanics Research Institutes cooperation projectelectro-hydraulic centrifugal shaker. Vibration exciters of the ordinary electro-hydraulic shaker are installed on the base whose mass is regarded as infinite and stiffness is ignored. But the basket, the vibration excitersbase of the centrifugal shaker, has lower mass and stiffness. Exciting force can result in deformation of the basket for this reason. This paper mainly studies the influence of deformation of the basket on centrifugal shakers control characteristics.A rigid-flexible coupling and multi-body dynamic model which contains basket and shaker was established by PRO/E、ANSYS and ADAMS Co-simulation method firstly. This job is the foundation to research the influence of baskets multi-order modal on control characteristic.Flexible body has many modals. Two types of hydraulic mechanism models, the hydraulic system not affected by baskets stiffness and the hydraulic system affected by the first-order modal of basket, was established for comparative analysis to study the influence of first-order modalparameters on hydraulic system.Servo control strategy of the centrifugal shaker contains three-state controller, freedom decomposition and synthetic matrix, pressure stabilizer. The baskets stiffness should be considered in the design of three-state controller. Two types of controller were designed for comparative analysis.The controller of hydraulic system affected by baskets multi-order modals is designed in MATLAB and ADAMS Co-simulation environment. The analysis of the simulation results shows that resonance peak of the control system affected by multi-order modal of basket appears nearby the baskets first order natural frequency. The correction function should be added to eliminate the shakers oscillation. But we cant achieve the purpose of correction because of the larger deformation of basket and the restriction of the system power.【关键词】刚柔耦合 伺服控制 离心机振动台 刚度【英文关键词】rigid-flexible coupling servo control centrifugal shaker stiffness【目录】吊篮刚度对离心机振动台控制特性的影响摘要4-5Abstract5第1章 绪论9-151.1 课题背景91.2 课题研究的目的和意义9-101.3 离心机振动台的简要介绍10-111.3.1 离心机振动台的分类101.3.2 离心机振动台的组成10-111.4 国内外在该方向的研究现状及分析11-131.4.1 离心机振动台的研究现状及分析11-131.4.2 离心机振动台控制系统的研究现状及分析131.5 本文主要研究内容13-15第2章 吊篮和振动台的刚柔耦合模型15-252.1 引言152.2 ADAMS 柔性体理论15-172.2.1 利用模态矩阵表示节点变形向量15-162.2.2 柔性体的位移向量16-172.3 创建刚柔耦合模型的流程17-182.4 振动台的三维实体模型18-192.5 将PRO/E 模型导入 ADAMS 生成多刚体动力学模型19-212.5.1 利用MECH/Pro定义刚体202.5.2 利用MECH/Pro添加约束202.5.3 其他20-212.6 生成柔性体21-222.6.1 将PRO/E模型导入ANSYS21-222.6.2 生成模态中性文件222.7 生成刚柔耦合多体动力学模型22-242.7.1 验证模态中性文件是否正确22-232.7.2 柔性体替换刚体23-242.8 本章小结24-25第3章 两种液压动力机构的建模与比较25-393.1 引言253.2 不考虑吊篮刚度的液压动力机构模型25-283.2.1 液压动力机构的基本方程25-273.2.2 动力机构的传递函数的推导27-283.3 考虑吊篮一阶模态的液压动力机构模型28-313.3.1 考虑吊篮一阶模态的液压动力机构模型293.3.2 考虑吊篮一阶模态的动力机构传递函数的推导29-313.4 两种液压控制系统的比较31-373.4.1 液压控制系统的参数31-323.4.2 两种液压控制系统的比较32-343.4.3 对两种系统不同之处的解释34-353.4.4 柔性体参数对液压系统的影响35-373.5 本章小结37-39第4章 振动台的伺服控制策略39-524.1 引言394.2 振动台的伺服控制策略39-404.3 三状态控制器的设计40-494.3.1 不考虑吊篮刚度的系统的三状态控制器设计40-454.3.2 考虑吊篮一阶模态的系统的三状态控制器设计45-494.4 自由度合成与分解矩阵49-504.5 压力镇定控制器504.6 本章小结50-52第5章 控制系统和动力学模型的联合仿真52-655.1 引言525.2 建立正弦扫频信号发生器52-555.2.1 振动台的扫频信号52-535.2.2 正弦扫频信号参数的确定535.2.3 求取扫频信号的幅值和相位