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論文中文名稱:即時擬動態試驗之時間延遲補償 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Time Delay Compensation on Real-time Pseudo-dynamic Testing [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:98
出版年度:99
中文姓名:林耕賢
英文姓名:Geng -Sian Lin
研究生學號:97428011
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2010-07-08
論文頁數:117
指導教授中文名:尹世洵
指導教授英文名:Shin-Hsun Yin
口試委員中文名:張順益;洪曉慧
中文關鍵詞:即時擬動態試驗時間延遲延遲微分方程式
英文關鍵詞:real-time pseudo-dynamic testingtime delaydelay differential equation
論文中文摘要:進行即時擬動態試驗(real-time pseudo-dynamic testing method)中,若因致動器出現時間延遲(time delay),造成實際讀取結構之回復力與未考慮時間延遲影響之回復力有落差,使得試驗之結果產生誤差,因此本文欲研究一套時間延遲之補償方法(time delay compensation method)來將時間延遲造成之誤差進行修正。首先將結構之動力方程式改寫為延遲微分方程式(delay differential equation,DDE),藉由此延遲微分方程式推導出穩定邊界(stability boundary)的判別公式,觀察時間延遲對結構物動態歷時反應穩定性之影響,分別考慮時間延遲發生在結構之回復力、阻尼力,與同時發生在結構之回復力與阻尼力等狀態進行探討。其次修正Newmark外顯式積分法(Newmark explicit method),使其能求解具有時間延遲之微分方程式,進而觀察時間延遲對結構物動態歷時反應之影響。最後藉由Newmark外顯式積分法與可求解時間延遲微分方程式之外顯式積分法之比較,進一步推導出適用於即時擬動態試驗之時間延遲補償方法。本文以數值模擬及試驗方式來驗證所推導之時間延遲補償方法理論是否能消除即時擬動態試驗中因為時間延遲所引起之誤差。
論文英文摘要:In a real-time pseudo-dynamic test, time-delay occurring in the process of driving the actuator results in the difference between the measured structural recovering force in reality and the ideal one. It causes erroneous results in the test. Therefore, the study aims to develop a time-delay compensation method which can correct the error due to the time-delay. First, a delay differential equation(DDE)is used to represent the equation of motion of a system including time-delay. Based on the characteristic equation associated with the DDE, we can analytically derive the stability boundary equations which show how the dynamic stability of the system is affected by the time delay. We investigate the cases in which the time delay is considered to occur respectively and simultaneously in the recovering force and the damping force. Next, we modify Newmark explicit method such that it can solve for delay differential equations and explore how the time response of a structure is influenced by the time-delay. Finally, we derive a time-delay compensation method applied to a real-time pseudo-dynamic test through comparisons between the Newmark explicit method and the modified one. Then, the proposed compensation method is verified both numerically and experimentally if it can eliminate the error caused by the time-delay in the test.
論文目次:目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 擬動態試驗 2
1.2.2 時間延遲 3
1.3 研究動機與目的 4
1.4 研究大綱 5
第二章 時間延遲補償之理論推導 8
2.1 延遲微分方程式與穩定邊界 8
2.1.1 時間延遲發生於結構回復力 9
2.1.2 時間延遲發生於結構阻尼力 10
2.1.3 時間延遲同時發生於結構之回復力與阻尼力 12
2.2 外顯式積分法求解時間延遲方程式 13
2.2.1 Newmark外顯式積分法 14
2.2.2 可求解時間延遲方程式之外顯式積分法 15
2.3 時間延遲補償方程式 16
第三章 數值模擬與分析 19
3.1 時間延遲方程式之探討及驗證 19
3.1.1 穩定性判別 19
3.1.2 Matlab求解延遲微分方程式副程式DDE23之應用 20
3.2 有阻尼單自由度系統之自由振動 23
3.2.1 可求解時間延遲微分方程式之外顯式積分法驗證 23
3.2.2 時間延遲補償方法驗證 24
3.2.3 Simulink比較 24
3.3 無阻尼單自由度系統之強迫振動 25
3.3.1 可求解時間延遲微分方程式之外顯式積分法驗證 25
3.3.2 時間延遲補償方法驗證 26
3.3.3 Simulink比較 26
第四章 實驗分析 74
4.1 硬體介紹 74
4.1.1 音圈致動器 74
4.1.2 馬達控制器 74
4.1.3 位移量測系統 75
4.1.4 荷重計 75
4.2 軟體介紹 75
4.3時間延遲補償方法驗證 76
4.3.1 步階外力 76
4.3.2 即時擬動態試驗之流程 76
4.3.3 時間延遲補償方法之成果 77
第五章 結論與建議 111
5.1 結論 111
5.2 建議與展望 112
參考文獻 113

表目錄

表4.1 位移計測試資料 79
表4.2 荷重計測試資料 79
表4.3 擬動態試驗之第一次試驗結果 80
表4.4 擬動態試驗之第二次試驗結果 82
表4.5 擬動態試驗之第三次試驗結果 84
表4.6 擬動態試驗之第四次試驗結果 86
表4.7 擬動態試驗之第五次試驗結果 88
表4.8 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第一次試驗結果 90
表4.9 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第二次試驗結果 92
表4.10 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第三次試驗結果 94
表4.11 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第四次試驗結果 96
表4.12 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第五次試驗結果 98

圖目錄

圖1.1 擬動態試驗原理 7
圖1.2 研究流程圖 7
圖2.1 擬動態試驗發生時間延遲之示意圖 18
圖2.2 外插法示意圖 18
圖3.1 回復力發生時間延遲之阻尼比與時間延遲參數關係圖 28
圖3.2 阻尼力發生時間延遲之阻尼比與時間延遲參數關係圖 29
圖3.3 回復力與阻尼力同時發生時間延遲之阻尼比與時間延遲參數關係圖 30
圖3.4 Matlab之DDE23範例結果 31
圖3.5 回復力發生時間延遲之三組驗證參數位置圖 31
圖3.6 回復力發生時間延遲 之位移歷時反應圖 32
圖3.7 回復力發生時間延遲 之位移歷時反應圖 32
圖3.8 回復力發生時間延遲 之位移歷時反應圖 33
圖3.9回復力發生三組時間延遲參數之位移歷時反應比較圖 34
圖3.10 阻尼力發生時間延遲之三組驗證參數位置圖 35
圖3.11 阻尼力發生時間延遲 之位移歷時反應圖 35
圖3.12 阻尼力發生時間延遲 之位移歷時反應圖 36
圖3.13 阻尼力發生時間延遲 之位移歷時反應圖 36
圖3.14 阻尼力發生三組時間延遲參數之位移歷時反應比較圖 37
圖3.15 回復力與阻尼力同時發生時間延遲之三組驗證參數位置圖 38
圖3.16 回復力與阻尼力同時發生時間延遲 之位移歷時反應圖 38
圖3.17 回復力與阻尼力同時發生時間延遲 之位移歷時反應圖 39
圖3.18 回復力與阻尼力同時發生時間延遲 之位移歷時反應圖 39
圖3.19 回復力與阻尼力同時發生三組時間延遲參數之位移歷時反應比較圖 40
圖3.20 不同結構系統參數發生時間延遲 之位移歷時反應比較圖 41
圖3.21 不同結構系統參數發生時間延遲 之位移歷時反應比較圖 42
圖3.22 不同結構系統參數發生時間延遲 之位移歷時反應比較圖 43
圖3.23 不考慮時間延遲之有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 44
圖3.24 考慮回復力發生時間延遲 之有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 44
圖3.25 考慮回復力發生時間延遲 之有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 45
圖3.26 考慮回復力發生時間延遲 之有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 45
圖3.27 考慮回復力發生時間延遲 之有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 46
圖3.28 考慮回復力發生時間延遲 時,根據DDE23分析與採用不同時間步長的修正之外顯式積分法分析所得之位移歷時比較圖 47
圖3.29 考慮回復力發生時間延遲 時,根據DDE23分析與採用不同時間步長的修正之外顯式積分法分析所得之位移歷時比較圖 48
圖3.30 考慮回復力發生時間延遲 時,根據DDE23分析與採用不同時間步長的修正之外顯式積分法分析所得之位移歷時比較圖 49
圖3.31 單自由度有阻尼系統受時間延遲影響之自由振動位移歷時反應比較圖 50
圖3.32 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 51
圖3.33 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 51
圖3.34 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 52
圖3.35 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,有阻尼單自由度系統自由振動之位移歷時反應 52
圖3.36 四組時間延遲參數修正後歷時反應與未發生時間延遲歷時反應之比較 53
圖3.37 利用Simulink撰寫Newmark外顯式積分法流程圖 54
圖3.38 利用Matlab程式與Simulink模擬在未受時間延遲影響之有阻尼單自由度系統自由振動位移歷時反應比較 54
圖3.39 利用Simulink撰寫可求解延遲微分方程式之外顯式積分法流程圖 55
圖3.40 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之有阻尼單自由度系統自由振動位移歷時反應比較 55
圖3.41 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之有阻尼單自由度系統自由振動位移歷時反應比較 56
圖3.42 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之有阻尼單自由度系統自由振動位移歷時反應比較 56
圖3.43利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之有阻尼單自由度系統自由振動位移歷時反應比較 57
圖3.44 利用Simulink撰寫可應用於即時擬動態試驗之時間延遲補償方法流程圖 57
圖3.45 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成的反應誤差後之位移歷時反應比較 58
圖3.46 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成的反應誤差後之位移歷時反應比較 58
圖3.47 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成的反應誤差後之位移歷時反應比較 59
圖3.48 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成的反應誤差後之位移歷時反應比較 59
圖3.49 不考慮時間延遲之無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 60
圖3.50 考慮回復力發生時間延遲 時,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 60
圖3.51 考慮回復力發生時間延遲 時,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 61
圖3.52 考慮回復力發生時間延遲 時,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 61
圖3.53考慮回復力發生時間延遲 時,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 62
圖3.54 考慮回復力發生時間延遲 時,根據DDE23分析與採用不同時間步長的修正之外顯式積分法分析所得之位移歷時比較圖 62
圖3.55 考慮回復力發生時間延遲 時,根據DDE23分析與採用不同時間步長的修正之外顯式積分法分析所得之位移歷時比較圖 63
圖3.56 考慮回復力發生時間延遲 時,根據DDE23分析與採用不同時間步長的修正之外顯式積分法分析所得之位移歷時比較圖 63
圖3.57 無阻尼單自由度系統受時間延遲影響之強迫振動位移歷時反應比較 64
圖3.58 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 65
圖3.59 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 65
圖3.60 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 66
圖3.61 考慮回復力發生時間延遲 ,經時間延遲補償方法修正後,無阻尼單自由度系統強迫振動之位移歷時反應 66
圖3.62 四組時間延遲參數修正後歷時反應與未發生時間延遲歷時反應之比較 67
圖3.63 利用Simulink撰寫Newmark外顯式積分法流程圖 68
圖3.64 利用Matlab程式與Simulink模擬未受時間延遲影響之無阻尼單自由度系統強迫振動位移歷時反應比較 68
圖3.65 利用Simulink撰寫可求解延遲微分方程式之外顯式積分法流程圖 69
圖3.66 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之無阻尼單自由度系統強迫振動位移歷時反應比較 69
圖3.67 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之無阻尼單自由度系統強迫振動位移歷時反應比較 70
圖3.68 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之無阻尼單自由度系統強迫振動位移歷時反應比較 70
圖3.69 利用Matlab程式與Simulink模擬考慮時間延遲 時之無阻尼單自由度系統強迫振動位移歷時反應比較 71
圖3.70 利用Simulink撰寫可應用於即時擬動態試驗之時間延遲補償方法流程圖 71
圖3.71 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成之反應誤差後之位移歷時反應比較 72
圖3.72 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成之反應誤差後之位移歷時反應比較 72
圖3.73 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成之反應誤差後之位移歷時反應比較 73
圖3.74 利用Matlab程式與Simulink修正完時間延遲 所造成之反應誤差後之位移歷時反應比較 73
圖4.1 音圈致動器 100
圖4.2 馬達控制器 100
圖4.3 位移量測系統 101
圖4.4 荷重計 102
圖4.5 步階外力示意圖 102
圖4.6 受正、負步階外力作用之動態反應比較 103
圖4.7 即時擬動態試驗示意圖 103
圖4.8 金屬懸臂梁試體 104
圖4.9 控制程式介面 104
圖4.10 擬動態試驗之第一次試驗結果 105
圖4.11 擬動態試驗之第二次試驗結果 105
圖4.12 擬動態試驗之第三次試驗結果 106
圖4.13 擬動態試驗之第四次試驗結果 106
圖4.14 擬動態試驗之第五次試驗結果 107
圖4.15 擬動態試驗之試驗結果(虛線部分)與精確解(粗實線)之比較 107
圖4.16 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第一次試驗結果 108
圖4.17 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第二次試驗結果 108
圖4.18 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第三次試驗結果 109
圖4.19 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第四次試驗結果 109
圖4.20 使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之第五次試驗結果 110
圖4.21使用時間延遲補償方法進行擬動態試驗之試驗結果(虛線部分)與精確解(粗實線) 110
論文參考文獻:參考文獻

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論文全文使用權限:同意授權於2010-08-03起公開