[發明專利]一種大型可視化實時混合試驗系統及其試驗方法

有效

• 申請號: 202110537007.7
• 申請日: 2021-05-14
• 公開（公告）號: CN113324718B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 徐趙東;曾令輝;董堯榮
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01N3/12;G01N3/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王美章

1.一種大型可視化實時混合試驗系統，分為外環控制以及內環控制，其中內環控制包括伺服液壓控制器、控制器編程模塊以及伺服液壓作動器系統；

外環控制包括內環控制的構件、計算平臺有限元軟件模塊以及中間平臺Matlab模塊，其中，所述計算平臺有限元軟件模塊與中間平臺Matlab模塊通過網絡通信協議通訊，中間平臺Matlab模塊與伺服液壓控制器通過網線連接實現通訊，伺服液壓控制器通過電信號控制伺服液壓作動器運動，其特征在于，所述伺服液壓控制器采用自適應控制器，根據非線性試驗子結構的力學性能特性，基于修正的最小二乘法和投影算法確定自適應控制器的超前滯后補償的自整定控制參數，根據采集數據與命令數據的差值進行算法補償，調整所述伺服液壓作動器系統中的液壓伺服作動器對命令位移的跟蹤，以最小化來自內環的識別誤差，具體是：

自適應控制是參數估計和控制律的結合，基于模型的前饋控制器是通過系統辨識過程開發的，將伺服液壓系統建模為三極傳遞函數，將自適應律計算出的估計參數用于前饋控制器，以改善非線性系統的跟蹤性能，

其中伺服液壓系統用傳遞函數形式表示：

參數s為拉普拉斯變換中的復數，和均為參數，同時將前饋控制器作為伺服液壓系統的逆控制器，其傳遞函數表示為：

為前饋控制器的系數，前饋控制器計算輸入位移的前饋位移值，為了應用自適應控制律，建立了靜態參數模型，在線參數估計的第一步是將未知參數從已知信號中分離出來，然后用估計參數替換未知參數進行計算得到參數模型估計值，利用梯度算法可驗證參數的收斂性；

為了減小指令和測量之間的誤差，采用了反饋控制，該最小化過程試圖補償建模誤差、傳感器噪聲和干擾，采用兩步法設計LQR反饋控制器，第一步利用線性二次型調節器控制理論獲得狀態反饋增益，第二步利用卡爾曼濾波器設計建立觀測器，將線性二次型狀態反饋增益與卡爾曼濾波器結合實現伺服液壓控制器基于模型反饋跟蹤的位移跟蹤；

所述中間平臺Matlab模塊基于以太網與所述伺服液壓控制器實現實時雙向通信，所述中間平臺Matlab模塊所在的操作電腦通過有線通信或無線通信與所述伺服液壓控制器連接，所述中間平臺Matlab模塊通過調用所述伺服液壓控制器中通訊模塊建立本地OLE自動化服務器實現連接；

所述中間平臺Matlab模塊通過數據調用函數向所述伺服液壓控制器變量映射區寫入力或位移命令，所述中間平臺Matlab模塊通過數據調用函數從所述伺服液壓控制器變量映射區讀取位移或力反饋變量；

所述試驗子結構為試驗整體結構中某一需檢測性能的非線性部件，所述非線性部件為非線性阻尼器、非線性鋼筋混凝土構件或局部結構；

所述伺服液壓控制器與所述伺服液壓作動器系統通過油管線相連，所述伺服液壓控制器中的可視化編程軟件編制控制程序并儲存于所述伺服液壓控制器的通訊模塊中，作動器作動頭實際力或位移曲線、以及力或位移命令曲線實時繪制于所述伺服液壓控制器的可視化編程軟件中，提供實時可視化監測與操作；

所述可視化編程軟件中控制程序實現作動器的作動頭實際力或位移曲線穩定跟蹤通訊模塊發送的力或位移命令曲線，為所述內環控制；

所述伺服液壓作動器系統包括作動器、伺服油源、油冷機、鋼反力架、試驗子結構以及智能控制箱，其中，

所述鋼反力架用于安裝和固定作動器以及試驗子結構，包括：

呈框架結構的鋼反力架本體；

固定鋼板，固定連接在所述鋼反力架的一端；

兩塊連接鋼板，兩塊連接鋼板沿所述鋼反力架本體軸向前后布置，包括第一連接鋼板，所述第一連接鋼板的四個角上分別固定連接有第一安裝鋼圈，所述第一連接鋼板通過所述安裝鋼圈與所述鋼反力架本體之間可調節位置的連接；

第二連接鋼板，位于所述第一連接鋼板的后方，所述第一連接鋼板的四個角上分別固定連接有第二安裝鋼圈，所述第一連接鋼板通過所述第二安裝鋼圈與所述鋼反力架本體之間可調節位置的連接；

作動器本體一端與所述固定鋼板之間通過若干螺栓剛性連接，作動器本體另一端與第一連接鋼板之間通過若干螺栓剛性連接，第一連接鋼板上設有供所述作動器的作動頭端穿過的孔，所述作動器的作動頭端穿過所述孔后與試驗子結構一端傳力連接，試驗子結構另一端與鋼反力架上的第二連接鋼板連接；

所述智能控制箱可拆卸的連接于試驗子結構外部，用于對試驗子結構的試驗溫度進行調節；

所述伺服液壓控制器中的伺服液壓閥模塊將通訊模塊的力或位移命令電壓信號轉換成電流信號輸入所述伺服液壓作動器系統中，控制作動器的作動頭運動；

所述伺服液壓控制器中的單軸模塊接收來自所述伺服液壓作動器系統中伺服液壓作動器中位移傳感器的SSI數字信號，并轉換為位置信號儲存于所述伺服液壓控制器的通訊模塊中供調用；

所述伺服液壓控制器中的擴展模塊接收來自所述伺服液壓作動器系統中作動器中載荷傳感器的電壓或電流信號，并將其轉換為力信號儲存于所述伺服液壓控制器的通訊模塊中供調用；

所述伺服液壓作動器系統中伺服油源與作動器通過油管線連接，所述伺服液壓控制器與伺服油源通過數據線連接，所述伺服液壓控制器通過遠程I/O控制伺服油源，伺服油源中蓄能器將電能轉化成機械能，提供給作動器運動所需動力，實現作動器作動頭運動；

所述伺服液壓作動器系統中油冷機與伺服油源通過管線連接。