NEBS GR －63－CORE 抗震試驗及其控制策略研究

第一作者 欒強利 男，博士，1984年生

NEBS GR-63-CORE抗震試驗及其控制策略研究

欒強利1，陳宇1，陳章位1，賀惠農2

(1.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州310027；2.杭州億恒科技有限公司，杭州310015)

摘要：對通信設備抗震試驗方法進行了討論，重點研究了NEBS GR-63-CORE抗震試驗方法。針對抗震試驗中地震模擬振動臺頻寬不夠及存在非線性因素影響的問題，設計了地震模擬振動臺三參量伺服控制算法，有效拓展了試驗系統的頻寬，提高試驗系統的動態響應范圍；并提出一種基于頻域的驅動信號修正迭代算法，通過在線迭代修正驅動信號，補償試驗系統中非線性因素對系統的影響。NEBS GR-63-CORE抗震試驗表明，基于三參量控制算法及驅動信號修正迭代算法的地震模擬振動臺控制策略，能夠實現高精度的地震波形復現試驗。

關鍵詞：抗震試驗；三參量控制；修正迭代算法；地震波形復現試驗

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-03-03

中圖分類號:TB534+; TH137文獻標志碼： A

Aseismic tests of NEBS GR-63-CORE and its control strategy

LUANQiang-li1,CHENYu1,CHENZhang-wei1,HEHui-nong2(1. The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Hangzhou ECON Science and Technology Co., LTD, Hangzhou 310015, China)

Abstract:Through discussing aseismic test technique for telecommunication equipments, the aseismic test method for GR-63-CORE criteria of NEBS (network equipment-building system) was studied. For the problems that the system bandwidth was not enough and there existed the effects of nonlinear factors, a TVC (three-variable control) algorithm for servo control of a seismic simulation shaking table was designed, and a correction iteration algorithm in frequency domain for the driving signal correction of the shaking table was proposed. The research results showed that the TVC algorithm can effectively be used to expand the bandwidth of the test system and improve its dynamic response range; and the correction iteration algorithm can effectively be used to compensate the influences of the nonlinear factors on the test system by on-line correcting the driving signal iteratively. The aseismic tests of NEBS GR-63-CORE showed that with the control strategies of the TVC algorithm and the correction iteration algorithm, the shaking table can realize seismic waveform replication tests precisely.

Key words: aseismic test; TVC (three-variable control); correction iteration algorithm; seismic waveform replication test

地震發生時，通信設備中的機架、電路板及連接器等因受到強迫震動承受較大的應力，可能發生一定程度的破壞，因此，通信設備的抗震性能將影響震后搶險的及時性和針對性。通信設備受到地震時的運動量和合成應力是由設備所在的建筑物以及承載設備的機架的結構特性和地震等級決定的[1]，通信公司對于通信產品的抗震性能都有相關的要求，在核心機房通信設備抗震性能檢測方面，目前國內外已建立的主要規范見表1。

表1　通信設備抗震性能檢測的相關規范

發達國家對通信設備抗震性能研究起步早，根據其本國的地震情況開展了大量的試驗工作，將通信設備抗震設計和抗震性能試驗有機地結合起來。國內通信設備抗震測試處于發展階段，因此了解測試的具體需求，對于通信設備成功通過抗震測試尤為重要。地震模擬振動臺能夠在實驗室較精確地再現地震過程及人工地震波形，是目前研究結構地震反應和破壞機理的最直接方法。通過對國內外通信設備抗震試驗方法的研究，重點討論了NEBS GR-63-CORE抗震試驗方法，研究其試驗控制方案進行了研究,并設計了基于三參量控制算法的伺服控制器，以及基于試驗系統傳遞函數和驅動信號在線更新的振動控制器，從而保證地震模擬振動臺系統能夠實現高精度波形復現。

1抗震性能檢測

抗(地)震性能檢測有多種測試方法，需要地震模擬振動臺以及專門的檢測機構完成測試，測試費用較高，因此通信設備的設計生產要注意設備抗震性能的具體要求。設備供應商充分了解設備抗震性能檢測的具體要求，對于通信設備能否成功通過抗震性能檢測尤為重要，同時，如果設備供應商能將通信設備抗震設計和抗震性能檢測有機地結合起來，便能及時規避因設備抗震檢測失敗而導致設備重新設計和試驗的風險。

1.1抗震性能檢測方法

目前常用的抗震性能檢測方法有人工合成地震波測試和正弦共振拍波測試[5]。

我國通信設備抗震性能檢測方法依據工信部在2006年頒布實施的《YD 5083-2005 電信設備抗地震性能檢測規范》[3](簡稱《規范》)對設備進行地震烈度7度、8度、9度測試，檢測設備是否符合《規范》的要求。根據《規范》要求，通信設備需要進行三個安裝方向(垂向、縱向、側向)上的抗震性能檢測?！兑幏丁分幸幎?，在電信設備抗地震性能檢測試驗中，輸入波形采用單軸正弦五拍波，烈度越高，測試波形加速度越大。NEBS認證是北美國家對通信設備實施的非強制性認證，對保證電信系統的安全和質量可靠性起到了重要作用[5]，且北美市場廣泛認可，成為電信設備進入北美市場的通行證。GR-63-CORE是NEBS認證所依據的核心標準之一，該標準強調產品的物理結構和可靠性，地震測試是GR-63-CORE標準中最關鍵的測試項目之一。NEBS GR-63-CORE對設備進行區域地震風險等級抗震測試，通信系統需要進行垂向、縱向和側向三個方向的抗震性能檢測。GR-63-CORE中規定，在電信設備抗震性能檢測中，輸入波形采用人工合成地震波，地震風險等級越高，測試波形加速度越大。

美國NEBS GR-63-CORE中把地震風險分為5個區域(見圖1)，從第0區域到第4區域風險等級逐漸加大。第0區域基本沒有地震風險，無相應的抗震性要求，安裝在第1區域到第4區域中的設備均需測試其抗震能力，第4區域等級最高，對應的是測試等級最高，如果設備只安裝到第1區域，那么它需要通過的測試等級也相對低一些。

圖1　美國地震區域圖 Fig.1 Telcordia earthquake zone map

圖2為美國NEBS GR-63-CORE定義的區域4[6]人工合成地震測試加速度-時間波形。人工合成地震波是綜合分析曾經發生過的地震，根據地震發生時不同的建筑情況及不同的土壤狀況人工合成的測試波形。在試驗中，設備通過地震模擬振動臺按照合成地震波形實現目標波形復現。

圖2　第4區地震合成波形 Fig.2 Earthquake synthesized waveform-zone 4

圖3　目標響應譜 Fig.3 Required response spectra

圖3所示為美國NEBS GR-63-CORE中第1區～第4區人工合成地震測試波形對應的響應譜(RRS)[6]，頻譜范圍主要為1.0～50 Hz。GR-63-CORE地震波形復現過程中，要求控制信號(加速度)的響應譜，即測試響應譜(TRS)，必須滿足或超過目標響應譜(RRS)。

1.2GR-63-CORE抗震性能檢測過程

GR-63-CORE抗震性能檢測的主要過程如下：

(1) 在地震模擬振動臺上按照設備安裝方式用螺栓固定被測設備。

(2) 對系統進行加速度幅值0.2 g，頻率1～50 Hz正弦掃頻試驗，掃描速率為1.0O ct/min。(為降低設備應力可允許較高的掃頻速率。)

(3) 對設備的功能及物理結構進行檢查。

(4) 對設備進行地震波形(VERTEQⅡ)復現試驗，試驗過程中確認測試響應譜(TRS)在1～50 Hz范圍內滿足或超過目標響應譜(RRS)。如果存在測試響應譜(TRS)在任一點處低于其目標響應譜(RRS),則更新系統傳遞函數及其驅動信號。

在1～7 Hz范圍內，測試響應譜(TRS)不應該超過目標響應譜(RRS)的30%。如果在1～7 Hz范圍內，測試響應譜(TRS)超過目標響應譜(RRS)30%時設備發生故障，本次試驗可能無效。

(5) 記錄振動過程中的位移和加速度數據。

(6) 對設備進行全面檢查并記錄設備所有的物理結構變化。

(7) 記錄設備錨點及固定螺栓的松動情況。

(8) 再次檢查設備的功能。

2抗震試驗控制方案

地震模擬振動臺的控制主要包括伺服控制及振動控制兩部分，其中，伺服控制主要采用一種基于位移、速度、加速度反饋控制的三參量控制算法，三參量控制算法通過改變控制系統的極點配置，拓展系統的頻寬，提高系統的動態響應范圍。三參量控制算法在一定程度上提高了地震時程的再現精度，但由于液壓系統中非線性因素的影響，將導致系統的傳遞函數發生變化，因此，在地震模擬振動臺振動控制算法中，設計了一種基于系統傳遞函數和驅動信號在線更新的閉環控制策略，能夠實時修正系統的每一幀驅動信號，從而保證地震模擬振動臺系統能夠實現高精度波形復現。

2.1三參量控制原理

地震模擬振動臺進行地震試驗單一對位移控制時，存在系統頻寬有限和系統阻尼小的缺陷，試驗不能很好地實現波形復現。三參量控制中的位移控制低頻段、速度控制中頻段、加速度控制高頻段，從而達到擴寬控制頻帶的目的，避免了單一位移控制時對一些高頻的情況不能很好控制而導致波形失真的情況。三參量控制器主要由三參量反饋控制和三參量前饋控制組成(見圖4)。圖4中，kdf為位移反饋增益，kvf為速度反饋增益，kaf為加速度反饋增益，kdr為位移前饋增益，kvr為速度前饋增益，kar為加速度反饋增益。

三參量反饋控制中通過引入速度反饋可以有效地擴展系統的頻寬；通過引入加速度反饋可以有效地增加系統的阻尼比，降低系統在共振頻率點的幅值；三參量前饋控制通過對伺服控制系統極點的配置，對消閉環傳遞函數中距離虛軸較近的極點，進一步消除系統共振對試驗的影響，改善系統的頻域特性[7-8]。

圖4　三參量控制原理圖 Fig.4 TVC (three-variable control) schematic diagram

地震模擬振動臺試驗系統開環傳遞函數

(1)

式中:ω0為系統固有頻率，ζ0為系統阻尼系數，kv為系統開環增益。

三參量反饋控制可表示為

(2)

式中:

式(2)可進一步表示為:

(4)

設:

(5)

則:

(6)

由式(3)可知，通過引入加速度反饋能夠提高系統阻尼比；引入速度反饋能夠提高系統固有頻率。通過改變系統反饋增益kdf、kvf及kaf可以實現對系統開環增益、固有頻率和阻尼比的調節。

聯立式(5)和式(6)，則有

(7)

x3+px+q=0

(8)

式中：

(9)

由卡爾丹公式：

(10)

所以方程有一個實根，兩個虛根。實根為：

(11)

由此可得到ωb，從而

(12)

三參量前饋通過對消系統傳遞函數中距離虛軸較近的極點，實現系統頻寬的進一步擴展，由三參量反饋傳遞函數式(4)可知：

(1) 如果ωb<ωc，那么三參量前饋環節應抵消其一階慣性因子，則三參量前饋傳遞函數為

(13)

即

(14)

(2) 如果ωb>ωc，那么三參量前饋環節應抵消其二階振蕩因子，則三參量前饋傳遞函數為

(15)

即

(16)

2.2驅動信號修正迭代算法

早期的振動試驗技術是采用模擬帶通濾波器組均衡傳遞函數，來補償傳遞函數的幅頻特性變化。隨著數字技術的發展，不改變系統的傳遞函數，而通過采用修正迭代方法改變輸入信號實現高精度波形再現[11]?；谌齾⒘克欧刂萍靶拚刂苹A上的地震模擬振動臺試驗系統控制原理見圖5[12]。

圖5　地震模擬振動臺控制原理圖 Fig.5 Control diagram of the seismic simulating shaking table

地震模擬振動臺試驗系統本質上是一個十分復雜的非線性系統。伺服閥非線性因素的影響、振動臺面與試件的相互作用、以及環境變化(如溫度、油壓等)對試驗系統的影響等，導致系統的傳遞函數在試驗過程中是發生變化的，因此，在試驗過程中，我們需要在線修正系統的驅動信號，目前地震模擬振動臺系統驅動信號修正策略主要有兩種：直接迭代方法和修正迭代方法[9-14]。

為提高振動臺時域波形復現的精度，本文重點研究了一種頻域修正迭代方法，修正迭代方法中，通過對試驗系統傳遞函數及驅動信號的在線更新，可以得到高精度的復現波形，修正迭代方法的實施流程(見圖6)，具體過程包括：

(1)逆傳遞函數辨識，根據式(17)辨識得到試驗系統的初始阻抗矩陣。

Z(f)0=X(f)/Y(f)

(17)

(2) 由式(18)計算系統的第一幀輸出驅動信號。

式中:R(f)為系統參考信號的頻譜。

X(f)0=R(f)Z(f)0

(18)

(3) 驅動信號頻譜X(f)k經逆傅里葉變換得到對應時域信號x(t)k并輸出，測量系統的響應信號y(t)k，其頻譜為Y(f)k。

(4) 根據式(17)更新系統的逆傳遞函數(阻抗矩陣)Z(f)k。

(5) 根據式(19)計算試驗系統的響應偏差信號。

E(f)k=R(f)-Y(f)k

(19)

(6) 根據式(20)修正系統的驅動信號頻譜，其逆傅里葉變換后得到修正的時域驅動信號。重復“(3)”～“(6)”操作，直到得到滿意控制曲線為止。

X(f)k+1=X(f)k+uE(f)kZ(f)k

(20)

圖6　修正迭代法流程圖 Fig.6 Process of the correcting iteration method

3GR-63-CORE地震波形復現試驗

基于三參量控制算法以及驅動信號修正迭代控制算法對一款出口型通信設備進行GR-63-CORE地震波形復現試驗，地震波形選用區域4控制波形，地震模擬振動臺選用浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室的地震模擬振動臺，振動臺的相關參數如表(2)和表(3)所示，通信設備的垂向、縱向、側向抗震試驗如圖7中(a)、(b)、(c)所示。

表2　垂直方向地震模擬振動臺參數

表3　水平方向地震模擬振動臺參數

圖7　通信設備抗震試驗 Fig.7 Anti-seismic tests for the telecommunications equipment

通信設備GR-63-CORE地震性能測試結果如圖8～圖10所示，圖8為通信設備的垂向抗震測試結果，圖9為通信設備的縱向抗震測試結果，圖10為通信設備的側向抗震測試結果。圖8(a)、圖9(a)和圖10(a)記錄了抗震試驗中地震模擬振動臺加速度信號變化的曲線，其與目標信號(見圖2)的相關系數均達到95%以上，說明基于三參量控制算法和驅動信號修正迭代算法的地震模擬振動臺控制策略具有很好的控制效果，能夠實現高精度的地震時域波形復現。

圖8(b)、圖9(b)和圖10(b)記錄了通信設備GR-63-CORE抗震試驗中地震模擬振動臺加速度信號的沖擊響應譜(測試響應譜)，通過與目標響應譜曲線的比較，在1～50 Hz頻寬范圍內，測試響應譜能夠滿足或超過目標響應譜，并且在1～7 Hz頻率范圍內，三個方向的測試響應譜未超過目標響應譜的30%，抗震試驗結束后對通信設備的功能進行全面的測試，設備未出現故障，能夠可靠正常運行，設備符合NEBS GR-63-CORE中地震測試的要求。

圖8 通信設備垂向抗震測試曲線Fig.8Theverticalseismictestcurvesofthetelecommunicationsequipment圖9 通信設備縱向抗震測試曲線Fig.9Thelongitudinalseismictestcurvesofthetelecommunicationsequipment圖10 通信設備側向抗震測試曲線Fig.10Thelateralseismictestcurvesofthetelecommunicationsequipment

4結論

通信設備的抗震能力是GR-63-CORE標準的一項很重要的測試指標，它直接關系到地震發生后通信設備能否繼續保持通信暢通，這對于震后搶險救災至關重要。我國工信部已把通信設備抗震性能檢測作為一項強制性的要求，表明了國家對通信設備抗震能力的重視。通信設備的抗震性能測試需要在地震模擬振動臺上進行，通過討論NEBS認證中關于GR-63-CORE標準中通信設備抗震性能測試的相關內容，并對其試驗控制策略進行研究，并設計了基于三參量控制算法及驅動信號修正迭代算法的地震模擬振動臺控制方案。針對一款出口型通信設備對其進行GR-63-CORE標準規定的區域4抗震性能測試，測試結果表明控制策略對地震模擬振動臺具有很好的控制能力，能夠實現高精度的波形復現。

參 考 文 獻

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