三向六自由度力位移混合控制方法技术

三向六自由度力‑位移混合控制方法，涉及一种结构试验加载控制方法。本发明专利技术以解决现有结构试验装置由于作动器之间的耦合无法实现多维空间加载的力‑位移混合控制问题为目标，达到准确再现结构真实受力状态的目的。本发明专利技术包括信号输入模块、笛卡尔坐标系命令、笛卡尔坐标系响应、比较环节、误差、鲁棒控制模块、控制量、力‑位移转换系数、位移命令、笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵、作动器伸缩量命令、作动器、试验体、高精度力/位移传感器、作动器空间响应和作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵。本发明专利技术采用外环控制实现空间多自由度控制之间的解耦，采用多输入多输出鲁棒控制模块解决加载装置几何非线性和试验体材料非线性引起的控制难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种结构试验控制方法，是一种用于实现结构三向六自由度力-位移混合控制的方法，可用于拟静力和拟动力试验，属于结构试验

技术介绍
历次强震导致了工程结构的大量破坏，通过试验手段开展对其抗震性能的研究十分必要。由于地震对工程结构施加的空间作用，因此当对工程结构进行抗震试验时往往需要空间多维的加载装置。现在广泛使用的地震模拟振动台可以进行多向地震动输入，但由于承载能力小而多采用小比例尺的缩尺模型，无法研究结构的局部损伤发展过程。大尺度结构抗震试验多采用拟静力或拟动力试验方法，但实现空间加载比较复杂，通常需要根据结构受力特点采用多台作动器自行搭建空间试验平台，难度极大。一方面，多台作动器通过试验体耦合在一起，一个方向的加载需要多台作动器的同步运行，各作动器之间互相影响，而且根据试验需要，不同方向的作动器通常采用不同的加载模式，比如力控制或者位移控制；另一方面，作动器固有的控制系统是封装的，难以针对特定的试验体系进行修改。针对桥墩或混凝土柱的多自由度加载试验，准确模拟轴向的重力荷载困难，传统的加配重方法的加载能力有限，通常采用的千斤顶施加竖向荷载由于是开环控制，精度不高。由于试验体的竖向刚度大，而作动器直接采用位移加载精度较差，往往采用力控制，因此一些学者提出了在竖向采用力控制，水平向采用位移控制来保证重力荷载的准确施加，然而在大位移时，水平作动器在垂直方向有一个力的分量值得考虑。虽然在机械领域有多自由度加载平台Stewart平台，有学者提出对其采用力控制，但由于试验体太小，较难应用到结构试验中。因此国外有学者提出了一种力-位移混合控制策略应用在LBCBs装置中，对一个加载点的各个笛卡尔坐标轴实现力和位移的同时控制，力-位移混合控制的步骤是首先发送斜坡位移命令达到目标位移，然后采用迭代的方法逐步施加作用力从而实现目标力，在迭代过程中需要不断计算试验体的刚度矩阵，以求得位移命令发送给作动器，用这种方法可以实现6个自由度方向的力、位移同时加载控制。针对试验体竖向和水平向刚度很大，引起LBCBs加载装置出现弹性变形的问题，有人提出了外置高精度传感器，在LBCBs装置控制系统之外再建立一个位移控制闭环来抵消加载装置弹性变形引起的误差。为了实现作动器空间测量信号矢量和笛卡尔坐标信号矢量之间的转换，采用迭代的方法来实时更新转换矩阵，而也有人采用牛顿法求雅可比矩阵的方法来实时更新转换矩阵。然而数学迭代容易受噪声影响，在试件进入非线性时刚度矩阵的迭代求解容易出现病态，从而使求解困难，一般的工程结构构件特性都是路径相关的，迭代过程的反复加载容易导致试件特性的改变。国内有的单位将外环力，内环位移的控制方法应用在拟静力和拟动力试验中，实现了水平和垂直两个自由度的拟动力试验，直接使用初始刚度设计转换矩阵。在他们的研究中，外环控制器采用PI控制器，当试验体的位移较大呈现出几何非线性和试验体进入塑性阶段，刚度下降时，外环控制器的控制效果下降。也有学者提出了在主控自由度采用位移控制，其它自由度采用力控制，通过数学迭代保证各个自由度上的力成比例加载。并采用这种力位移混合控制方法进行了曲线桥墩的弯剪耦合静力循环往复试验，但在试验过程中，弯剪作用是成比例施加的。但是空间三向六自由度的力-位移混合控制方法没有出现，由于空间力控制和位移控制的相互耦合关系，使得空间三维加载控制与上述平行自由度或水平竖向耦合的双闭环控制有本质不同，本方法是一个更通用的解决这一问题的途径。
技术实现思路
结构抗震试验中的多自由度加载由于作动器的相互耦合作用而经常导致加载失控，无法准确再现结构在地震中的真实受力状态。本专利技术采用双闭环控制取代数学迭代，解决多自由度加载控制中的耦合问题，提出三向六自由度力-位移混合控制方法。本专利技术的技术方案是：三向六自由度力-位移混合控制方法包括笛卡尔坐标系命令1、比较环节2、误差3、鲁棒控制模块4、控制量5、力-位移转换系数6、位移命令7、笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵8、作动器伸缩量命令9、作动器10、试验体11、高精度力/位移传感器12、作动器空间响应13、作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵14、笛卡尔坐标系响应15、力-位移滞回曲线16、试验体刚度矩阵17、笛卡尔坐标系位移向量和作动器伸缩量向量之间的非线性关系18、信号输入模块19、卡尔曼滤波器20、加载平台21和反力地板22，所述比较环节2比较笛卡尔坐标系命令1与笛卡尔坐标系响应15得到误差3，所述鲁棒控制模块4由误差3得到控制量5，所述力-位移转换系数6由控制量5得到位移命令7，所述笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵8由位移命令7得到作动器伸缩量命令9，所述多台作动器10按作动器伸缩量命令9驱动试验体11运动，由所述高精度力/位移传感器12得到作动器空间响应13，所述作动器空间响应13经由所述作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵14得到笛卡尔坐标系响应15。所述比较环节2包括笛卡尔坐标系命令1减去笛卡尔坐标系响应15的差值，向量的元素个数为自由度个数，向量的物理意义为位移/力复合向量、位移向量或力向量。所述鲁棒控制模块4包括一个多输入量和多输出量的控制模块，一般采用对角元素为比例积分(PI)控制的多维方阵，矩阵的非对角元素为0，或者采用滑动模态控制，基于控制对象(力-位移转换系数6、笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵8、作动器10、试验体11和作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵14组成的系统)的状态空间矩阵设计滑动模态控制，基于笛卡尔坐标系响应15和控制量5设计卡尔曼滤波器20识别多维向量的状态量，由滑动模态在滑移面上的滑动来使多输入多输出系统特性与试验体材料非线性和加载装置几何非线性无关，从而实现较好的解耦。所述笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵8包括位移命令7与作动器伸缩量命令9的对应关系，由笛卡尔坐标系位移向量与作动器伸缩量向量之间的非线性关系18在平衡位置线性化得到，笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵8的求取步骤如下：首先将以试验体所处空间定义笛卡尔坐标系，将各作动器的轴向伸缩方向定义为作动器空间坐标系。从机械运动学角度说，三向六自由度加载系统从某种意义上是并联机构，要得到作动器伸缩量命令9Ici+1(t)，需要将试验体笛卡尔坐标系命令1di+1与反馈的笛卡尔坐标系响应15dRi+1比较得到误差3ei+1，误差3再经过PI控制器校正得到控制量5u，控制量5u通过加载系统笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵8CTV进行坐标变换得到作动器伸缩量命令9。作动器运动到新的位置后，作动器空间响应13dmi+1(t)，通过作动器空间到笛卡尔坐标系转换系数矩阵14(CV)-1，得到笛卡尔坐标系响应15dRi+1(t)。例如三自由度试验系统的坐标系转换如图2所示：图中，d1，d2，d3分别是水平、轴向和弯矩的笛卡尔坐标系命令7，对应于柱顶水平、竖向和转动自由度的位移，也可以认为是位移命令7，l1，l2，l3是作动器加载之前的长度，l′1，l′2，l′3分别是作动器加载之后的长度，Δl1，Δl2，Δl3分别是作动器伸缩量命令8，h是竖直作动器的球铰中心到加载梁质心的高度，x1是左边缘到作动器1球铰轴心的距离，x2是作动器2和3球铰轴心到试验体中心之间的距离。从图2可以得到，本文档来自技高网...

【技术保护点】
三向六自由度力‑位移混合控制方法，其特征在于：包括笛卡尔坐标系命令(1)、比较环节(2)、误差(3)、鲁棒控制模块(4)、控制量(5)、力‑位移转换系数(6)、位移命令(7)、笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵(8)、作动器伸缩量命令(9)、作动器(10)、试验体(11)、高精度力/位移传感器(12)、作动器空间响应(13)、作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵(14)、笛卡尔坐标系响应(15)、力‑位移滞回曲线(16)、试验体刚度矩阵(17)、笛卡尔坐标系位移向量和作动器伸缩量向量之间的非线性关系(18)，输入信号模块(19)，所述比较环节(2)比较笛卡尔坐标系命令(1)与笛卡尔坐标系响应(15)得到误差(3)，所述鲁棒控制模块(4)由误差(3)得到控制量(5)，通过力‑位移转换系数(6)得到笛卡尔坐标系下的所述位移命令(7)，通过所述笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵(8)得到作动器伸缩量命令(9)，多个所述作动器(11)在作动器伸缩量命令(9)驱动下控制试验体(11)运动，由所述高精度力/位移传感器(12)得到作动器空间响应(13)，通过所述作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵(14)得到笛卡尔坐标系响应(15)。...

【技术特征摘要】
1.三向六自由度力-位移混合控制方法，其特征在于：包括笛卡尔坐标系命令(1)、比较环节(2)、误差(3)、鲁棒控制模块(4)、控制量(5)、力-位移转换系数(6)、位移命令(7)、笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵(8)、作动器伸缩量命令(9)、作动器(10)、试验体(11)、高精度力/位移传感器(12)、作动器空间响应(13)、作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵(14)、笛卡尔坐标系响应(15)、力-位移滞回曲线(16)、试验体刚度矩阵(17)、笛卡尔坐标系位移向量和作动器伸缩量向量之间的非线性关系(18)，输入信号模块(19)，所述比较环节(2)比较笛卡尔坐标系命令(1)与笛卡尔坐标系响应(15)得到误差(3)，所述鲁棒控制模块(4)由误差(3)得到控制量(5)，通过力-位移转换系数(6)得到笛卡尔坐标系下的所述位移命令(7)，通过所述笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵(8)得到作动器伸缩量命令(9)，多个所述作动器(11)在作动器伸缩量命令(9)驱动下控制试验体(11)运动，由所述高精度力/位移传感器(12)得到作动器空间响应(13)，通过所述作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵(14)得到笛卡尔坐标系响应(15)。2.根据权利要求1所述三向六自由度力-位移混合控制方法，具体实施步骤包括：步骤一：求取笛卡尔坐标系下的力/位移响应误差，所述输入信号模块19从外部获取笛卡尔坐标系命令(1)，比较环节(2)包括在6自由度上的笛卡尔坐标系命令(1)和笛卡尔坐标系响应(15)之间求差值，将各自由度上输入的笛卡尔坐标系命令(1)减去反馈的笛卡尔坐标系响应(15)，得到误差(3)，这是一个混合误差向量，向量中的元素是力或位移；步骤二：设计外部力/位移混合控制模块获得控制量，所述鲁棒控制模块(4)包括一个6输入量和6输出量的控制器，一般采用对角元素为比例积分PI控制的6维方阵，矩阵的非对角元素为0，或者采用滑动模态控制，基于由力-位移转换系数(6)、笛卡尔坐标系到作动器空间转换矩阵(8)、作动器(10)、试验体(11)和作动器空间到笛卡尔坐标系转换矩阵(14)组成的控制对象的状态空间矩阵设计滑动模态控制器，基于笛卡尔坐标系响应(15)和控制量(5)设计卡尔曼滤波器识别多维向量的状态量，由滑动模态控制器在滑移面上的滑动或者PI控制器的参数合理设计保证各自由度的响应没有超调量和稳态误差，从而保证试验体在三向六自由度加载过程中试验体的运动准确地跟踪命令，不受到试验体材料非线性和加载装置几何非线性的影响，从而实现较好的解耦控制；步骤三：将控制量转化为笛卡尔坐标系位移命令，所述力-位移转换系数(6)，由试验体刚度矩阵(17)求逆处理得到，而试验体刚度矩阵(17)由在笛卡尔坐标系中采用摄动法，得到试验体(11)笛卡尔坐标系各自由度上力-位移滞回曲线(16)，由力-位移滞回曲线(16)数据拟合得到各...

【专利技术属性】
技术研发人员：周惠蒙，王涛，李梦宁，滕睿，李海洋，高生，
申请(专利权)人：中国地震局工程力学研究所，北京固力同创工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23