一种大型可视化实时混合试验系统及其试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大型可视化实时混合试验系统及其试验方法；实时混合试验系统分为外环控制以及内环控制，其中内环控制包括伺服液压控制器、控制器编程模块以及伺服液压作动器系统，外环控制包括内环控制的构件以及计算平台有限元软件模块、中间平台Matlab模块。其中，计算平台有限元软件模块与中间平台Matlab模块通过网络通信协议通讯，中间平台Matlab模块与伺服液压控制器通过网线连接实现Ethernet通讯，伺服液压控制器通过电信号控制伺服液压作动器运动。本发明专利技术实时混合试验系统采用自适应控制器，具有可应用大型非线性子结构范围广，控制曲线稳定易于跟随且控制精度高、试验时滞小的优点；同时整个混合试验系统占地面积不大，使用便捷。

【技术实现步骤摘要】
一种大型可视化实时混合试验系统及其试验方法
本专利技术涉及一种大型可视化实时混合试验系统，属于土木工程结构抗震试验

技术介绍
传统结构抗震试验方法领域主要包括拟静力试验、拟动力试验以及地震模拟振动台试验，结构抗震混合试验方法是以上三种传统抗震试验方法外的又一新型方法，是从子结构拟动力试验技术发展而来。在进行结构抗震混合试验时，结构被分为两部分：计算子结构和试验子结构，其中结构中不易数值模拟的非线性较强的部分作为试验子结构并通过作动器在真实情况下加载，其它容易模拟的部分作为数值子结构在计算机中建模计算，通过计算机和作动器控制系统的相互通信，实现全结构的动力反应分析。相比于传统的三种抗震试验方法，结构抗震混合试验方法的主要优势在于可以考虑真实地震动对整体结构的影响，而且通过合理区分试验单元和计算子结构，能够以较小的试验成本，实现物理试验部分的大比例模型或足尺模型试验，提高整体结构试验的精度。且实时混合试验更是可以反应速度相关型试验子结构的性能；所以结构抗震实时混合试验方法逐渐成为结构抗震研究领域的热点方向之一，并被越来越多的研究人员所青睐。然而目前实时混合试验系统采用更多非线性较强的大型试验子结构，对混合试验的控制效果以及试验结果准确性提出了更高级别的要求；传统混合试验系统在进行大型非线性试验子结构的混合试验时试验结果的稳定性与精确性较差，并且可视化程度较低,不利于混合试验操作的安全性和便捷性；再有传统混合试验系统反力架灵活程度较低，不便于移动和试验子结构的安装。因此，研究一种基于自适应控制器的大型可视化实时混合试验系统成为土木结构试验领域亟待解决的问题。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种大型可视化实时混合试验系统及其试验方法，该大型可视化实时混合试验系统采用自适应控制器，具有可应用大型非线性子结构范围广，控制曲线稳定易于跟随且控制精度高、试验时滞小的优点；整个混合试验系统占地面积不大，使用便捷。同时可实时可视化监督试验进行情况，方便检查试验进行过程中可能出现的问题以及试验效果，使得实时混合试验系统能够更广泛的推广及应用，大幅度降低了混合试验研究的门槛。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下具体技术方案：一种大型可视化实时混合试验系统，分为外环控制以及内环控制，其中内环控制包括伺服液压控制器、控制器编程模块以及伺服液压作动器系统；外环控制包括内环控制的构件、计算平台有限元软件模块以及中间平台Matlab模块，其中，所述计算平台有限元软件模块与中间平台Matlab模块通过网络通信协议通讯，中间平台Matlab模块与伺服液压控制器通过网线连接实现通讯，伺服液压控制器通过电信号控制伺服液压作动器运动，所述伺服液压控制器采用自适应控制器，根据非线性试验子结构的力学性能特性，基于修正的最小二乘法和投影算法确定自适应控制器的超前滞后补偿的自整定控制参数，根据采集数据与命令数据的差值进行算法补偿，调整所述伺服液压作动器系统中的液压伺服作动器对命令位移的跟踪，以最小化来自内环的识别误差。所述伺服液压控制器与所述伺服液压作动器系统通过油管线相连，所述伺服液压控制器中的可视化编程软件编制控制程序并储存于所述伺服液压控制器的通讯模块中，作动器作动头实际力或位移曲线、以及力或位移命令曲线实时绘制于所述伺服液压控制器的可视化编程软件中，提供实时可视化监测与操作；所述可视化编程软件中控制程序实现作动器的作动头实际力或位移曲线稳定跟踪通讯模块发送的力或位移命令曲线，为所述内环控制。所述伺服液压作动器系统包括作动器、伺服油源、油冷机、钢反力架、试验子结构以及智能控制箱，其中，所述钢反力架用于安装和固定作动器以及试验子结构，包括：呈框架结构的钢反力架本体；固定钢板，固定连接在所述钢反力架的一端；两块连接钢板，两块连接钢板沿所述钢反力架本体轴向前后布置，并且，每块连接钢板均通过安装件与所述钢反力架本体之间可调节位置的连接；作动器本体末端与所述固定钢板之间通过若干螺栓刚性连接，作动器本体另一端与第一连接钢板之间通过若干螺栓刚性连接，第一连接钢板上设有供所述作动器的作动头端穿过的孔，所述作动器的作动头穿过所述孔后与试验子结构一端传力连接，试验子结构另一端与钢反力架上的第二连接钢板连接；所述智能控制箱可拆卸的连接于试验子结构外部，用于对试验子结构的试验温度进行调节。所述钢反力架本体的底部设有可自锁的移动轮。所述伺服液压控制器中的伺服液压阀模块将通讯模块的力或位移命令电压信号转换成电流信号输入所述伺服液压作动器系统中，控制作动器的作动头运动；所述伺服液压控制器中的单轴模块接收来自所述伺服液压作动器系统中伺服液压作动器中位移传感器的SSI数字信号，并转换为位置信号储存于所述伺服液压控制器的通讯模块中供调用；所述伺服液压控制器中的扩展模块接收来自所述伺服液压作动器系统中作动器中载荷传感器的电压或电流信号，并将其转换为力信号储存于所述伺服液压控制器的通讯模块中供调用。所述伺服液压作动器系统中伺服油源与作动器通过油管线连接，所述伺服液压控制器与伺服油源通过数据线连接，所述伺服液压控制器通过远程I/O控制伺服油源，伺服油源中蓄能器将电能转化成机械能，提供给作动器运动所需动力，实现作动器作动头运动；所述伺服液压作动器系统中油冷机与伺服油源通过管线连接。所述计算软件有限元平台模块是与中间平台Matlab模块有接口的软件，包括OpenSees、ABAQUS或ANSYS；所述计算平台有限元软件模块与所述中间平台Matlab模块通过TCP/IP网络通讯协议中的socket协议实现双向实时通信，所述中间平台Matlab模块调用所述计算平台有限元软件模块定义的位移变量，所述中间平台Matlab模块将力变量转化为字符串形式并通过fwritef函数发送给所述计算平台有限元软件模块。所述中间平台Matlab模块基于以太网与所述伺服液压控制器实现实时双向通信，所述中间平台Matlab模块所在的操作电脑通过有线通信或无线通信与所述伺服液压控制器连接，所述中间平台Matlab模块通过调用所述伺服液压控制器中通讯模块建立本地OLE自动化服务器实现连接；所述中间平台Matlab模块通过数据调用函数向所述伺服液压控制器变量映射区写入力或位移命令，所述中间平台Matlab模块通过数据调用函数从所述伺服液压控制器变量映射区读取位移或力反馈变量。所述试验子结构为试验整体结构中某一需检测性能的非线性部件，所述非线性部件为非线性阻尼器、非线性钢筋混凝土构件或局部结构。一种基于所述大型可视化实时混合试验系统的试验方法，包括以下几个试验步骤：S1、在钢反力架上安装试验子结构，通过网线将伺服液压控制器与计算机连接；S2、在计算平台有限元软件模块中建立工程结构的数值计算模型；S3、在计算平台有限元软件模块以及中间平台Matlab模块中编写通信程序并运行；S4、先运行计算机可视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型可视化实时混合试验系统，分为外环控制以及内环控制，其中内环控制包括伺服液压控制器、控制器编程模块以及伺服液压作动器系统；/n外环控制包括内环控制的构件、计算平台有限元软件模块以及中间平台Matlab模块，其中，所述计算平台有限元软件模块与中间平台Matlab模块通过网络通信协议通讯，中间平台Matlab模块与伺服液压控制器通过网线连接实现通讯，伺服液压控制器通过电信号控制伺服液压作动器运动，其特征在于，所述伺服液压控制器采用自适应控制器，根据非线性试验子结构的力学性能特性，基于修正的最小二乘法和投影算法确定自适应控制器的超前滞后补偿的自整定控制参数，根据采集数据与命令数据的差值进行算法补偿，调整所述伺服液压作动器系统中的液压伺服作动器对命令位移的跟踪，以最小化来自内环的识别误差。/n

【技术特征摘要】
1.一种大型可视化实时混合试验系统，分为外环控制以及内环控制，其中内环控制包括伺服液压控制器、控制器编程模块以及伺服液压作动器系统；
外环控制包括内环控制的构件、计算平台有限元软件模块以及中间平台Matlab模块，其中，所述计算平台有限元软件模块与中间平台Matlab模块通过网络通信协议通讯，中间平台Matlab模块与伺服液压控制器通过网线连接实现通讯，伺服液压控制器通过电信号控制伺服液压作动器运动，其特征在于，所述伺服液压控制器采用自适应控制器，根据非线性试验子结构的力学性能特性，基于修正的最小二乘法和投影算法确定自适应控制器的超前滞后补偿的自整定控制参数，根据采集数据与命令数据的差值进行算法补偿，调整所述伺服液压作动器系统中的液压伺服作动器对命令位移的跟踪，以最小化来自内环的识别误差。


2.根据权利要求1所述的大型可视化实时混合试验系统，其特征在于，所述伺服液压控制器与所述伺服液压作动器系统通过油管线相连，所述伺服液压控制器中的可视化编程软件编制控制程序并储存于所述伺服液压控制器的通讯模块中，作动器作动头实际力或位移曲线、以及力或位移命令曲线实时绘制于所述伺服液压控制器的可视化编程软件中，提供实时可视化监测与操作；
所述可视化编程软件中控制程序实现作动器的作动头实际力或位移曲线稳定跟踪通讯模块发送的力或位移命令曲线，为所述内环控制。


3.根据权利要求1所述的大型可视化实时混合试验系统，其特征在于，所述伺服液压作动器系统包括作动器、伺服油源、油冷机、钢反力架、试验子结构以及智能控制箱，其中，
所述钢反力架用于安装和固定作动器以及试验子结构，包括：
呈框架结构的钢反力架本体；
固定钢板，固定连接在所述钢反力架的一端；
两块连接钢板，两块连接钢板沿所述钢反力架本体轴向前后布置，包括第一连接钢板，所述第一连接钢板的四个角上分别固定连接有第一安装钢圈，所述第一连接钢板通过所述安装钢圈与所述钢反力架本体之间可调节位置的连接；
第二连接钢板，位于所述第一连接钢板的后方，所述第一连接钢板的四个角上分别固定连接有第二安装钢圈，所述第一连接钢板通过所述第二安装钢圈与所述钢反力架本体之间可调节位置的连接；
作动器本体一端与所述固定钢板之间通过若干螺栓刚性连接，作动器本体另一端与第一连接钢板之间通过若干螺栓刚性连接，第一连接钢板上设有供所述作动器的作动头端穿过的孔，所述作动器的作动头端穿过第一连接钢板上的所述孔与试验子结构一端传力连接，试验子结构另一端与钢反力架上的第二连接钢板连接；
所述智能控制箱可拆卸的连接于试验子结构外部，用于对试验子结构的试验温度进行调节。


4.根据权利要求3所述的大型可视化实时混合试验系统，其特征在于，所述钢反力架本体的底部设有可自锁的移动轮。


5.根据权利要求1所述的大型可视化实时混合试验系统，其特征在于，所述伺服液压控制器中的伺服液压阀模块将通讯模块的力或位移命令电压信号转换成电流信号输入所述伺服液压作动器系统中，控制作动器的作动头运动；
所述伺服液压控制器中的单轴模块接收来自所述伺服液压作动器系统中伺服液压作动器中位移传感器的SSI数字信号，并转换为位置信号储存于所述伺服液压控制器的通讯模块中供调用；
所述伺服液压控制器中的扩展模...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐赵东，曾令辉，董尧荣，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32