一种振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法

技术领域

本发明属于振动测试技术领域，具体涉及振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法及装置。

背景技术

电液振动台能够较精确地复现研究对象所受的各种激励，并被广泛地应用于工程抗震研究，汽车道路模拟，以及航天振动测试等领域。振动台与研究结构的相互作用会对振动台控制造成不利的影响，使得振动台的使用频带降低，激励复现精度下降等。分析相互作用的影响，并提出高精度的补偿策略意义重大。目前，振动台与试验结构系统时域波形复现策略试验验证方法的相关报道较少，因此有必要提供一种振动台与试验结构系统时域波形复现策略试验验证方法和装置。

发明内容

针对上述技术问题，本发明第一方面提供了一种振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法，其包括如下步骤：

将地震动记录作为电磁振动台与试验结构系统的激励信号；优选的是，地震动记录对应的峰值加速度为341.7cm/s

获得振动台输出信号、振动台和试验结构输出信号；

计算振动台输出信号与参考信号的相关系数；

计算振动台和试验结构输出信号与参考信号的相关系数。

本发明的第二方面提供了一种振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证装置，该装置包括宿主机、目标机、运动机构，其中，

目标机由小型高性能电磁振动台的控制系统和动力系统构成；

运动机构由小型高性能电磁振动台的运动系统构成；

宿主机用于将Simulink模型转化为可运行的C代码；

宿主机和目标机包括至少一个处理器；以及存储器，其存储有指令，当通过至少一个处理器来执行该指令时，实施按照前述的方法的步骤。

本发明的有益效果在于：本发明的试验验证包括相互作用的影响验证和相互作用的实时补偿验证两大部分，验证了振动台与试验结构系统提出控制方法和补偿策略的可靠性与实用性。以小型高性能电磁振动台为试验平台，对振动台-结构相互作用影响与补偿试验验证，特别是对振动台与试验结构系统时域波形复现策略试验验证。本发明基于xPCTarget快速原型技术实现了振动台与试验结构系统的实时控制与补偿。在此基础上，分析了相互作用对振动台控制性能和试验结构响应的影响，并进行了相互作用的补偿。

附图说明

图1a小型高性能电磁振动台；

图1b小型高性能电磁振动台实物展示；

图2电磁振动台试验平台的搭建；

图3a电磁振动台试验平台-宿主机和目标机；

图3b电磁振动台试验平台-运动机构；

图4电磁振动台试验平台控制原理图；

图5试验结构；

图6a试验组合-振动台；

图6b试验组合-振动台+结构；

图7振动台的地震动记录复现；

图8a振动台的频谱特性-幅值图；

图8b振动台的频谱特性-相位图；

图9结构的响应；

图10a补偿前后振动台的频谱特性-幅值图；

图10b补偿前后振动台的频谱特性-相位图；

图11补偿前后地震动记录的复现具体实施方式。

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

本发明的一些实施例的一种振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法，其包括如下步骤：

将地震动记录作为电磁振动台与试验结构系统的激励信号；优选的是，地震动记录对应的峰值加速度为341.7cm/s

获得振动台输出信号、振动台和试验结构输出信号；

计算振动台输出信号与参考信号的相关系数；

计算振动台和试验结构输出信号与参考信号的相关系数。

一些振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法实施例，还包括如下步骤：

获得采用补偿策略的振动台和试验结构输出信号；

计算采用补偿策略的振动台和试验结构输出信号与参考信号的相关系数。

一些的振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法实施例，其中：

输入振动激励信号后，通过三参量生成器产生振动台输出信号、振动台和试验结构输出信号、采用补偿策略的振动台和试验结构输出信号，以上三类输出信号均包括位移、速度及加速度三种信号，并经过控制策略与台面上的传感器获得的位移、加速度信号形成闭环控制，经信号调理模块调节后将产生电压驱动信号并由PCI板卡采集，并完成DA转换，生成的驱动信号再经过信号调理模块产生电流信号，驱动振动台运动。

一些振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法实施例，该电磁振动台与试验结构系统包括宿主机、目标机、运动机构，其中：

目标机由小型高性能电磁振动台的控制系统和动力系统构成；

运动机构由小型高性能电磁振动台的运动系统构成；

宿主机用于将Simulink模型转化为可运行的C代码。

一些振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法实施例，其中，小型高性能电磁振动台包括控制系统、由控制系统控制的动力系统、由动力系统推动的运动系统，所述控制系统包括SIControl模块和伺服控制系统组成，所述运动系统包括台面，所述动力系统包括直线电机，所述直线电机用于推动台面；可选的实施例中，所述运动系统还包括支撑所述台面的导轨；

一些振动台与试验结构系统的时域波形复现策略试验验证方法实施例，其中，所述动力系统还包括信号调理模块、信号转换硬件、位移传感器和加速度传感器；可选的实施例中，所述直线电机美国Parker公司的直线电机；可选的实施例中，所述信号转换硬件为美国NI公司生产的PCI-6229数据采集卡；可选的实施例中，所述位移传感器为德国HEIDENHAIN高精度光栅尺作为位移计；可选的实施例中，所述加速度传感器为SENTHER的823-2电容式传感器；可选的实施例中，所述控制系统包括工控机；进一步可选的实施例中，所述工控机为研华工控机。

下面结合附图进一步介绍本发明一些实施例的小型高性能电磁振动台。

如图1a、图1b所示，该小型高性能电磁振动台主要由控制系统、动力系统、运动系统等组成。其中，试验控制系统主要由SIControl模块和伺服控制系统组成，运动系统主要由直线电机、线缆、导轨及台面组成。该振动台的相关技术指标如表1所示，表中给出了台面的尺寸、最大位移、最大加速度和频率范围等重要技术指标。

表1振动台系统的重要指标

下面结合附图进一步介绍本发明一些实施例的振动台试验平台搭建，振动台试验平台主要包括硬件平台和软件平台两大部分。

综合图2-图4所示，振动台试验系统的硬件部分是保证振动台正常工作的基础，它主要由动力机构、信号调理模块、数据采集板卡、位移和加速度传感器等组成。动力机构部分采用了美国Parker公司的直线电机来推动台面运动。同时，采用了美国NI公司生产的PCI-6229数据采集卡作为信号转换硬件。PCI-6229板卡具有16位分辨率，250kHz的采样率，32路模拟量输入，4路模拟量输出。传感器分别采用了德国HEIDENHAIN高精度光栅尺作为位移计，SENTHER的823-2电容式传感器作为加速度传感器。

振动台试验系统的软件部分是基于MATLAB/Simulink Coder/xPC Target的快速控制原型技术对系统进行实时控制。一些实施例采用快速控制原型(Rapid ControlPrototype，简称RCP)仿真技术，即：首先建立一个能反映主要需求的原型系统，在计算机上试用这个原型系统，通过实践来了解未来控制系统的概貌，以提高了开发效率。SimulinkCoder又名Real-Time Workshop，可将Simulink模型、Stateflow图和MATLAB函数生成可执行得C和C++代码。生成的源代码可用于实时和非实时应用，包括仿真加速、快速原型建立和硬件在环测试。此外，Simulink Coder可使用Simulink对生成的代码进行调试和监测，或在MATLAB和Simulink之外运行代码并与之交互。Simulink Coder提供了一个实时的开发环境——从系统设计到硬件实现的直接途径。xPC Target是MathWorks公司开发的基于RTW体系框架的实施目标系统产品，采用了宿主机-目标机的技术实现途径，可实现快速原型化，硬件在回路中的测试和系统半实物仿真等功能。

结合图4所示，给出了电磁振动台试验平台控制的原理图，其基本原理为：控制系统中输入的振动激励信号，通过三参量生成器产生了位移、速度及加速度三种信号，并经过所提的控制策略后与振动台台面上的传感器获得的位移、加速度信号形成闭环控制，经信号调理模块调节后将产生电压驱动信号并由PCI-6229板卡采集，并完成DA转换，生成的驱动信号再经过信号调理模块产生电流信号，驱动振动台运动。位移、加速度信号由PCI-6229板卡采集，并完成AD转换。振动台的位移反馈信号由德国HEIDENHAIN高精度光栅尺测量，加速度反馈信号由SENTHER的823-2电容式传感器测量。

下面结合附图进一步介绍本发明一些实施例的试验结构。

如图5的试验结构，采用自由振动试验来测试结构的特性，一些实施例的试验结构的基本特性如表2所示。

表2试验结构基本特性

下面结合附图进一步介绍本发明一些实施例的振动台与试验结构的试验组合。

在如图6a、图6b所示的振动台试验平台和试验结构组合基础上，开展相互作用的影响及补偿研究。其中，图6a为振动台台面与锚固底座的组合，用于得到未安装试件的振动台系统特性。图6b为振动台台面与试验结构的组合，可得到振动台与试验结构的系统特性。采用以上组合，可排除锚固底座的影响，进而精确地分析相互作用的影响和补偿相互作用。

下面结合附图进一步介绍本发明一些实施例的相互作用影响的试验验证

基于图6所示的试验组合进行相互作用的影响验证。为了更加全面地得到相互作用的影响，分别从相互作用对振动台控制性能的影响和试验结构响应的影响两方面展开试验验证。

1.相互作用对控制性能的影响

为研究相互作用对振动台控制性能的影响，分别从时域和频域两个角度来进行分析和验证。

时域复现

选取了El Centro地震动记录作为系统的激励信号。El Centro记录为1940年5月18日美国Imperial Valley 6.7级地震中El Centro台站的强震动记录，选取其南北方向，峰值加速度为341.7cm/s^2。El Centro地震动记录的复现情况如图7所示。为了进一步量化时域复现精度的变化，表3给出了复现的地震动记录相关系数。

由表3可知：由于相互作用的影响，振动台复现地震动记录的波形相关系数由89.85％下降到了84.12％，可见相互作用对振动台的控制性能影响很大。

表3振动台复现的相关系数

频域特性

为了更加全面地揭示相互作用的影响，将白噪声输入到振动台系统中，从频域的角度分析相互作用对振动台控制性能的影响，系统的频谱特性如图8a、图8b所示。由图8a、图8b可知，在结构的自振频率及附近频段范围内，振动台的频谱特性下降。如图8a所示：在自振频率的左侧，幅值变大；在自振频率的右侧，幅值减小。相互作用引起的峰谷效应明显，在4.8Hz处的增益为1.95倍，在5.1Hz处的增益倍数为0.21。此外，相互作用导致了系统出现了相位偏差，如图8b所示：在5.4Hz处相位偏差达103度。

以上的试验结果与理论分析所得到的相互作用影响结论趋势一致，理论结果与试验结果相互验证与补充，该理论分析可以参见文献：Blondet M,Esparza C.Analysis ofshaking table-structure interaction effects during seismic simulation tests[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1988,16(4):473-490.

2.相互作用对试验结构响应的影响

为了更加直观地得到相互作用对试验结构响应的影响，以CN115327895A(2022.11.11)用于补偿振动台-偏心负载相互作用的控制方法的补偿策略为例，给出了补偿相互作用前后结构响应的对比，如图9所示。观察图9可知，相互作用不仅导致了结构响应的幅值增大，相位也发生了偏差。同时，表4给出了结构响应的相关系数和加速度放大倍数。由表4可知：由于相互作用的影响，试验结构响应的相关系数为45.22％，加速度幅值放大了24.54％。可见相互作用对结构的响应不可忽略。

表4试验结构的响应

下面结合附图进一步介绍本发明一些实施例的时域波形复现策略的试验验证。

由以上实施例可知，相互作用导致了振动台控制性能的下降和结构响应的偏差。基于所提出的补偿策略，进行相互作用的补偿控制。同样地，下文将对补偿后的系统频域特性和时域复现能力进行分析。

频域特性

采用补偿策略后，将白噪声输入系统，得到的系统特性如图10a、图10b所示。可以看出，系统的特性有了很大幅度提升。相互作用导致的峰谷效应和相位滞后都得到了有效地补偿。

时域复现

为了直观地说明补偿策略的有效性，将El Centro地震动记录输入到系统，并同相互作用影响下的系统输出对比，地震动记录的复现情况如图11所示。由图11可知，采用了补偿策略后，时域的复现精度得到了提升。采用了相关系数来进一步量化复现精度的提升，表5给出了振动台复现的地震动相关系数。

表5补偿前后地震动记录复现的相关系数

由表5可知，采用了本发明一些实施例所提出的补偿策略后，振动台的波形复现精度提升了12.45％，说明了所提出的补偿策略有效。

本说明书中描述的主题的实施方式和功能性操作可以在以下中实施：数字电子电路，有形实施的计算机软件或者固件，计算机硬件，包括本说明书中公开的结构及其结构等同体，或者上述中的一者以上的组合。本说明书中描述的主题的实施方式可以被实施为一个或多个计算机程序，即，一个或多个有形非暂时性程序载体上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，用以被数据处理设备执行或者控制数据处理设备的操作。

作为替代或者附加，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号上，例如，机器生成的电信号、光信号或者电磁信号，上述信号被生成为编码信息以传递到用数据处理设备执行的适当的接收器设备。计算机存储介质可以是机器可读存储装置、机器可读的存储基片、随机或者串行存取存储器装置或者上述装置中的一种或多种的组合。

术语“数据处理设备”包含所有种类的用于处理数据的设备、装置以及机器，作为实例，包括可编程处理器、计算机或者多重处理器或者多重计算机。设备可以包括专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)。设备除了包括硬件之外，还可以包括创建相关计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中的一种或多种的组合代码。