本發(fā)明屬于地震研究技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬地震振動(dòng)臺(tái)。

背景技術(shù)：

地震模擬試驗(yàn)中，通常需要數(shù)字控制系統(tǒng)控制液壓伺服模擬地震振動(dòng)臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)參考地震波的波形再現(xiàn)控制。目前數(shù)控系統(tǒng)通常采用的控制方法是頻域下的數(shù)字迭代方法(dic)[1]。該方法需要進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，多次迭代補(bǔ)償修正后才能達(dá)到期望的控制精度。多次的迭代預(yù)試驗(yàn)對(duì)地震模擬試驗(yàn)是不利的，盡管量級(jí)較小(一般為正式試驗(yàn)的30％)，但也是對(duì)土工模型進(jìn)行了預(yù)振動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致在正式試驗(yàn)前土工模型已經(jīng)發(fā)生了變化，以至于地震模擬試驗(yàn)不能準(zhǔn)確的反映土工模型遭受地震波的影響。為此，很多地震模擬試驗(yàn)都是以損失控制精度來(lái)盡可能減少預(yù)迭代次數(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)涉及的參考文獻(xiàn)包括：

1.劉永昌.電子計(jì)算機(jī)在地震模擬中的應(yīng)用.力學(xué)與實(shí)踐.4.1982

2.g.c.goodwin,kwaisangsin《自適應(yīng)慮波、預(yù)測(cè)與控制》科學(xué)出版社,1992(4)：87～88

3.方崇智，蕭德云.《過(guò)程辨識(shí)》.清華大學(xué)出版社,1988(6)：173～174

4.g.c.goodwin,kwaisangsin.《自適應(yīng)慮波、預(yù)測(cè)與控制》科學(xué)出版社,1992(3)：74～76

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種電液伺服模擬地震振動(dòng)臺(tái)，用于地震模擬試驗(yàn)，模擬地震振動(dòng)臺(tái)包括處理器，該處理器執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序模塊，

實(shí)現(xiàn)地震波形再現(xiàn)控制系統(tǒng)，跟蹤控制系統(tǒng)的參考地震波輸入r(k)，引入包括電液伺服振動(dòng)臺(tái)及土工模型的受控對(duì)象模型的最小方差預(yù)測(cè)器，以含有對(duì)象輸出預(yù)測(cè)誤差平方的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極小來(lái)解算出控制系統(tǒng)中的控制器的輸出u(k)，實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象地震波形輸出y(k)，其中，

電液伺服振動(dòng)臺(tái)及土工模型的動(dòng)態(tài)自回歸滑動(dòng)平均(darma)模型為：

式中：

y(k)－系統(tǒng)輸出；

u(k)－系統(tǒng)輸入；

n(k)－系統(tǒng)噪聲；

d－系統(tǒng)延遲，

和給出如下：

式中，表示模型參數(shù)，n,m表示模型的階次。

對(duì)公式(1)采用過(guò)程參數(shù)模型

a(q^-1)y(t)＝q^-db(q^-1)u(t)+n(k)(3)

這里，

d步超前預(yù)測(cè)器是：

y(k+d)＝α(q^-1)y(k)+β(q^-1)u(k)+f(q^-1)n(k)(5)

其中，

α(q^-1)＝α0+α1q^-1+…+αn-1q^-(n-1)

β(q^-1)＝β0+β1q^-1+…+βm+d-1q^-(m+d-1)

f(q^-1)＝1+f1q^-1+…+fd-1q^-d+1(6)

β0＝b0≠0(要求設(shè)計(jì)中保證，β0≠0)

令f(q^-1)n(k)＝d(q^-1)v(k)(7)

其中，v(k)為白噪聲，并令：

寫(xiě)成向量形式為：

令：

其中，是要估計(jì)的參數(shù)向量，在參數(shù)估計(jì)中，要求β0≠0，采用帶約束的增廣最小二乘算法，

取含有平方預(yù)測(cè)誤差的目標(biāo)函數(shù)：

其中，y^*(k+d)為d步超前的參考目標(biāo)信號(hào)，對(duì)u(k)求導(dǎo)并令其為零得到：

β0[α(q^-1)y(k)+β(q^-1)u(k)+d(q)v(k)-y^*(k+d)]＝0(11)

得到控制量輸出：

本發(fā)明對(duì)于數(shù)字迭代控制方法存在的這種問(wèn)題，提出的一步超前最小預(yù)測(cè)方差控制是運(yùn)用時(shí)域自適應(yīng)控制方法，避免了地震模擬預(yù)試驗(yàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了一次性地震波模擬。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考附圖閱讀下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明示例性實(shí)施方式的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本發(fā)明的若干實(shí)施方式，其中：

圖1本發(fā)明的基于一步超前最小預(yù)測(cè)方差的正弦振動(dòng)控制系統(tǒng)框圖。

圖2本發(fā)明電液伺服振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的仿真模型。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一步超前最小預(yù)測(cè)方差跟蹤控制算法。一步超前最小預(yù)測(cè)方差跟蹤控制是一種基于自適應(yīng)策略的時(shí)域參考信號(hào)跟蹤控制，算法中引入受控對(duì)象(液壓振動(dòng)臺(tái)及土工模型)模型的最小方差預(yù)測(cè)器，以含有對(duì)象輸出預(yù)測(cè)誤差平方的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極小來(lái)解算出控制器的一步超前輸出u(k)，實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象輸出y(k)能夠無(wú)靜差地跟蹤系統(tǒng)的參考地震波輸入r(k)。

本發(fā)明電液伺服模擬地震振動(dòng)臺(tái)受控系統(tǒng)的darma模型中，電液伺服模擬地震振動(dòng)臺(tái)是單輸入、輸出系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電液伺服振動(dòng)臺(tái)及土模型可以近似看作為一個(gè)高階線(xiàn)性模型，其階數(shù)主要取決于振動(dòng)臺(tái)和土模型的特性。地震波形再現(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

假設(shè)電液伺服振動(dòng)臺(tái)及土模型的動(dòng)態(tài)自回歸滑動(dòng)平均(darma)模型為：

式中：

y(k)－系統(tǒng)輸出；

u(k)－系統(tǒng)輸入；

n(k)－系統(tǒng)噪聲；

d－系統(tǒng)延遲。

和給出如下：

式中，表示模型參數(shù)，n,m表示模型的階次。

電液伺服模擬地震振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)中的控制器設(shè)計(jì)中，已知darma模型和階的上界不是確切的階數(shù)，用下面的過(guò)程參數(shù)模型：

a(q^-1)y(t)＝q^-db(q^-1)u(t)+n(k)(3)

這里

由于最小預(yù)測(cè)誤差控制律依賴(lài)d步超前預(yù)測(cè)器的參數(shù)，為此首先把(3)式轉(zhuǎn)化為d步超前預(yù)測(cè)器形式以便于直接控制。模型的d步超前預(yù)測(cè)器^[2]是：

y(k+d)＝α(q^-1)y(k)+β(q^-1)u(k)+f(q^-1)n(k)(5)

其中，

α(q^-1)＝α0+α1q^-1+…+αn-1q^-(n-1)

β(q^-1)＝β0+β1q^-1+…+βm+d-1q^-(m+d-1)

f(q^-1)＝1+f1q^-1+…+fd-1q^-d+1(6)

β0＝b0≠0(要求設(shè)計(jì)中保證，β0≠0)

令f(q^-1)n(k)＝d(q^-1)v(k)(7)

其中，v(k)為白噪聲，并令：

因此，寫(xiě)成向量形式為：

令：

其中，是要估計(jì)的參數(shù)向量，在參數(shù)估計(jì)中，要求β0≠0，這里采用帶約束的增廣最小二乘算法^[3][4]。

取含有平方預(yù)測(cè)誤差的目標(biāo)函數(shù)：

其中，y^*(k+d)為d步超前的參考目標(biāo)信號(hào)，對(duì)u(k)求導(dǎo)并令其為零得到：

β0[α(q^-1)y(k)+β(q^-1)u(k)+d(q)v(k)-y^*(k+d)]＝0(11)

因此，得到控制量輸出：

為驗(yàn)證本發(fā)明的控制算法仿真計(jì)算，根據(jù)上述提出的控制方法，在matlab軟件下建立了控制器模型和電液伺服振動(dòng)臺(tái)模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算。建立的電液伺服振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)模型，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)描述如圖2所示，其中，vr(t)為系統(tǒng)給定，vy(t)為液壓缸的位移反饋，kr，ka為系統(tǒng)增益，ξ和ωn分別為阻尼比和系統(tǒng)固有頻率。

計(jì)算中，選取某一原始地震波，其波形持續(xù)時(shí)間為80秒，波形頻帶為0hz～25hz。引入一步超前最小預(yù)測(cè)方差控制器，選取估計(jì)模型的階次n＝4,m＝4，噪聲模型階次nd＝2，時(shí)間延遲d＝1，最小二乘算法初值p0＝10000*i(i為單位陣)，系統(tǒng)采樣頻率為2000hz。

在系統(tǒng)不引入噪聲情況下，系統(tǒng)輸出與參考地震波形，可以得到控制最大絕對(duì)誤差小于0.002g,相對(duì)誤差在1‰左右，其控制誤差較大的區(qū)域正是控制系統(tǒng)處于模型估計(jì)未收斂階段。

另外，系統(tǒng)引入均方根值為0.14g的測(cè)量噪聲，此時(shí)系統(tǒng)的信噪比為40％左右，系統(tǒng)的較大控制誤差是由系統(tǒng)的測(cè)量噪聲所引起，但對(duì)測(cè)量噪聲有比較明顯的抑制作用，其控制誤差比噪聲量值小一倍左右。盡管系統(tǒng)遭受較大的噪聲其模型參數(shù)估計(jì)仍然能夠較好的收斂。

一步超前最小預(yù)測(cè)方差跟蹤控制的地震波模擬方法，無(wú)需預(yù)先辨識(shí)系統(tǒng)模型和進(jìn)行多次迭代預(yù)試驗(yàn)，能一次性再現(xiàn)地震波。其仿真結(jié)果表明，該方法具有較高的控制精度和抗干擾能力。

值得說(shuō)明的是，雖然前述內(nèi)容已經(jīng)參考若干具體實(shí)施方式描述了本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原理，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的具體實(shí)施方式，對(duì)各方面的劃分也不意味著這些方面中的特征不能組合，這種劃分僅是為了表述的方便。本發(fā)明旨在涵蓋所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)所包括的各種修改和等同布置。