[发明专利]一种地震模拟振动台的实验装置及其实验方法

权利要求书

1.一种地震模拟振动台的实验装置，其特征在于：由主控制器、激励装置、振动装置以及采集装置组成；其中，激励装置包括伺服驱动器和伺服电机，振动装置包括振动台座和位于振动台座上的振动台，伺服电机通过传动机构与振动台传动连接；采集装置含有加速度传感器，加速度传感器设置在振动台上；激励装置和采集装置均与主控制器连接。

2.根据权利要求1所述的地震模拟振动台的实验装置，其特征在于：所述传动机构为滚珠丝杆，滚珠丝杆位于振动台座上，振动台座上还设有轨道，振动台底部设有与轨道相互配合连接的滑块，振动台底部还设有与滚珠丝杆相互配合连接的滑套，振动台可沿着轨道在振动台座上水平向左或向右移动。

3.根据权利要求1所述的地震模拟振动台的实验装置，其特征在于：所述主控制器包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的数据读取和处理模块、零电压输出模块、延时模块、中断模块、模拟PWM波模块、模拟速度模块、隔离滤波模块和电压放大模块。

4.根据权利要求1所述的地震模拟振动台的实验装置，其特征在于：所述采集装置还包括采集数据存储模块，采集装置通过加速度传感器采集振动台的加速度信号。

5.根据权利要求1所述的地震模拟振动台的实验装置，其特征在于：所述振动台座由台面板、侧板I、侧板II、侧板III和侧板IV围合而成，其中，侧板I、侧板II、侧板III和侧板IV分别与台面板铰接，相邻侧板之间均通过竖直卡套固定连接。

6.根据权利要求1所述的地震模拟振动台的实验装置，其特征在于：所述主控制器的控制方法为PID闭环控制：首先，经过数据读取和处理模块将预存于SD卡中的原始地震波缩尺信号读取到内存中，同时将数据转换成用于数据处理和运算的double类型数据并存储到预先申请的内存中；然后，控制LED灯占空比使得输出端输出0模拟电压并延时，用于完成硬件电路连接；接着，进入中断中并设置中断时间，即完成对单个数据输出的时间设置；接着，结合中断时间并对中断时间拆分，结合主控制器输出特性，通过将单位时间的平均速度作为该时间点的瞬时速度，完成对加速度信号的模拟积分；再次，判断输入信号和采集信号的偏差情况确定数据流通过程，如果数据存在误差，会将偏差值输入到模糊控制算法中，经过模糊控制算法实时调节PID控制器的三个参数值，同时将偏差经过PID控制器，确定控制信号的输出情况；接着，经过模拟PWM，将PID输出的控制信号经过模拟PWM环节输出对应的PWM波信号，将PWM波信号先转换成用于控制伺服电机的电压信号，再将电压信号放大然后输出给伺服驱动器，伺服驱动器控制电机转动，完成对振动台的激励；最后，判断振动台的振动是否完成对地震波的再现，如果完成则结束，否则，再经过采集系统，采集振动台目标加速度数据，同时进行加速度模拟积分，再次进行误差补偿，形成PID闭环控制。

7.一种权利要求1所述的地震模拟振动台的实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，搭建实验装置；

步骤2，启动主控制器，主控制器根据需要模拟的地震波形对伺服驱动器发出模拟速度信号指令，伺服驱动器对伺服电机产生速度指令，使伺服电机按照所需转速转动，从而带动与伺服电机传动连接的振动台进行振动，振动台上的加速度传感器实时采集振动台的加速度信号，并将采集的加速度信号通过AD转换模块传输给主控制器；

步骤3，主控制器接收到加速度传感器采集的加速度信号后，将采样信号与原始地震波缩尺加速度信号进行比较，当两者存在偏差，将偏差和偏差变化率通过模糊控制算法，输出PID控制三个参数的调整值，实时调节PID算法的参数，并将偏差与下一个时间节点用于控制的速度信号进行PID控制算法权加，实时调节输出；

步骤4，重复步骤2和步骤3，直到所有待模拟的地震波数据全部模拟完成，将控制器的输出电压置0，试验结束。

8.根据权利要求7所述的地震模拟振动台的实验装置的实验方法，其特征在于：步骤4中，当主控制器的输出电压置0后，此时若振动台没有回到平衡位置，则再次启动主控制器，输入相对于平衡位置的方向和距离，主控制器对伺服驱动器发出模拟速度指令信号，伺服控制器对伺服电机产生速度指令，使伺服电机按照所需转速转动，从而带动与伺服电机传动连接的振动台进行振动，使其回到平衡位置。