CN104407547A - 一种通用波形再现控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用波形再现控制方法及控制装置，该控制方法包括试验参数设定、目标波处理、初始传递函数估计和量级调整，该控制装置包括计算机和信号接口机箱；计算机与信号接口机箱通过以太网电信号连接且安装有通用地震模拟控制系统；信号接口机箱用于连接控制器内部信号和外部硬件的信号输入和输出，其集成有加速度信号调理板、位移信号调理板、母线卡槽、单板机和电源模块；通用地震模拟控制系统包括试验参数设置单元、目标波处理单元、地震波形模拟单元和信号分析单元。本发明的控制方法能够获得全频带内的系统传递函数良好的估计精度，简化试验步骤，且控制装置结构设计简单、合理，控制精度高，模块少且具有丰富的信号分析处理功能。

Description

一种通用波形再现控制方法及控制装置

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种通用波形再现控制方法及控制装置。

背景技术

地震灾害会造成生命、经济等的巨大损失。研究抗震技术，提高各类建筑的抗震能力，已成为了土工建筑水利等领域研究热点之一。地震模拟技术作为其试验验证必要手段则广泛地应用于土木、水利、桥梁、隧道和房屋建筑等抗震工程研究领域。

随着地震模拟试验技术不断发展，采用铰支座和液压作动器方式的液压振动台，以其推力大，位移大，易于实现以及控制精度较高等优势，成为了目前地震模拟试验装置的主流手段。同时，现目前地震模拟振动台已从单水平向方式，发展出了双水平、三轴向以及地震模拟振动台台阵系统。不论地震模拟振动台何种结构形式，其控制部件都必须依靠地震模拟控制装置，以达到较高的地震模拟精度。

现目前进行地震模拟试验主要分为两类。其一，是建立大型三轴向地震模拟台，将建筑物实物或缩小模型放置在地震台上进行低频原始地震波模拟试验。以该试验方式建立的地震台遍布于世界各地方，其中知名的大型地震台有美国MTS为加州大学伯克利分校提供的台面为6.1mX6.1m的双向地震模拟台；日本三菱重工等五家公司1982年联合为日本原子能工程试验中心建成的大规模高性能地震振动台，台面为15mX15m，最大负载能力为1000吨，它可以同时进行水平和垂直激振。其二，是利用离心机和多维振动复合试验系统开展缩比模型的高频压缩地震波模拟试验，如香港科技大学二维(水平)离心机电液伺服激振系统、美国Rensselar理工学院二维(水平)离心机电液伺服激振系统,通过相似比理论，开展高G值离心场下的多维高频地震波模拟，可为地震破坏机理的深入研究、结构抗震安全考核等提供更为有效的手段，该方法被国内外岩土工程界公认为是最有效的地震模拟实验手段，但其系统的研制难度将会更加巨大。

我国的抗震研究相对国外起步较晚但发展较快，近年来在多轴地震模拟振动台和离心上激振系统研制技术方面有了一定的发展，于1997年研制出了第一台5m×5m的三轴向地震模拟台，于2004年为同济大学研制的300Kg负载的150g离心机上振动台，并具备了研制各种类型地震模拟振动台能力。然而在地震模拟控制技术方面，大都依靠国外进口控制器，如国际上SD、LMS和ServoTest公司的控制器，或者只靠液压振动台的伺服控制不考虑控制精度。一方面，采用国外控制器的最大问题是功能固定，控制算法不对外开放，且在某些应用方面不能满足用户要求(比如地震模拟试验不期望作预试验、系统辨识不宜采用白噪声谱等)；另一方面，直接利用伺服控制发送地震波其地震模拟精度太差且无法修正而影响试验效果。国内在单向地震模拟控制方面也做了一定的研究，但地震模拟控制技术及方法的文献很少，目前尚无地震模拟控制装置成熟产品推出。

另外，经搜索专利文献资料，未见其他公开的关于通用地震模拟控制方法及装置的相关文献，更未见相关产品在应用中使用。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种构思巧妙、合理，控制精度高，模块少、易于安装、功能可扩展、维修方便，可适于各类地震模拟振动台的地震模拟控制的通用波形再现控制方法及控制装置。

本发明的技术方案如下：

上述的通用波形再现控制方法，其包括以下步骤：

(1)试验参数设定，即先设置试验名称、日期、工作路径选择和备注；接着进行波形参数设置；再接着，选择系统辨识方式或者系统传递函数直接导入方式，进行传函辨识参数设置；再次进行通道参数设置，将根据系统要求设定加速度、台位移控制通道的灵敏度系数；最后进行系统安全参数设置；

(2)目标波处理，即分别采用规则波生成和原始波导入两种方式获得目标加速度波，在获得规则波后采用加窗方式进行零起始零结束处理并且根据频率范围要求进行滤波处理；原始波导入后再根据时间长度要求进行截断、压缩、滤波处理并加窗作零起始、零结束处理；在获得目标加速度波后，进行积分处理获得目标速度波和目标位移波；

(3)初始传递函数估计，即直接采用目标波的初始速度波进行系统传递函数估计，后续的波形迭代过程中，将直接利用驱动信号进行传递函数更新；

(4)量级调整，即通过引入非线性因子，削弱试件的非线性影响，减少试验量级上升过程中的迭代次数，消除过试验现象；同时，在控制模式方面采用加速度、位移控制两种模式，低频、低量级地震波模拟时采用位移间接控制模式，通过引入频率修正因子提高高频段的加速度控制精度。

所述通用波形再现控制方法，其中：所述步骤(1)中波形参数包括波形上限频率和波形下限频率，用于定义参考波形的频宽，信号采样频率分别有320Hz～1280Hz可选，控制方式分别有加速度、位移可选；所述步骤(1)中是选择从传递函数库或已经存储的传递函数文件中直接导入方式进行传函辨识参数设置；所述步骤(1)中系统安全参数设置包括激振器的最大位移、最大速度、最大加速度以及输出最大电压等极限参数的设置。

所述通用波形再现控制方法，其中，所述步骤(4)中具体的地震模拟控制计算公式如下：

地震模拟控制中的驱动校正信号为

η_k(t)＝FFT^-1{H^-1(w)·FFT[e_k(t)]·β(ω)}   (1)；

这里，β(ω)为频率修正因子，当为位移控制时β(ω)＝exp(0.015·ω)，加速度控制时β(ω)＝1。此时，迭代更新驱动信号为

v_k(t)＝v_k-1(t)+α·η_k(t)   (2)；

这里，α为迭代校正系数，当量级发生变化时，驱动信号为

u_k(t)＝·γ·v_k(t)·10^(ΔL/20)   (3)；

上述公式(3)中γ为非线性因子，通常加速度控制取0.45～0.6，位移控制时取0.8～0.95。

所述通用波形再现控制方法，其中：所述步骤(2)中的规则波包括正弦波、方波、三角波和锯齿波。

一种通用波形再现控制装置，其中：所述控制装置包括计算机和信号接口机箱；所述计算机用于用户操作和数据显示，所述计算机与所述信号接口机箱通过以太网电信号连接，所述计算机安装有通用地震模拟控制系统；所述信号接口机箱用于连接控制器内部信号和外部硬件的信号输入和输出，其集成有加速度信号调理板、位移信号调理板、母线卡槽、单板机和电源模块；所述加速度信号调理板、位移信号调理板和单板机彼此之间通过电连接且均由所述电源模块供电；所述单板机的输入通道用于采集所述加速度信号调理板和位移信号调理板的信号并传输到所述计算机中参与算法修正，所述计算机通过地震模拟迭代算法将获得新的驱动信号并由所述单板机的模拟输出将驱动信号发送至被控对象；所述通用地震模拟控制系统包括试验参数设置单元、目标波处理单元、地震波形模拟单元和信号分析单元；所述试验参数设置单元用于试验参数设置、信号参数设置、通道设置、输出转移矩阵和系统安全参数设置；所述目标波处理单元用于读波形数据、波形处理和规则波生成；所述地震波形模拟单元用于初始驱动生成、传递函数估计、驱动信号更新、驱动信号调整及信号发送与采集；所述信号分析单元用于信号频域分析、信号时域分析、误差计算及数据保存于打印。

所述通用波形再现控制装置，其中：所述试验参数设置包括设置试验名称、日期、工作路径选择和备注；所述日期为自动设定的系统默认时间，所述工作路径是指当前试验所有数据存储的工作路径，所述备注是用户填写的一些试验附加说明；所述通道设置是对系统的输入和输出通道进行设置，所述通道设置定义并固化了加速度、台位移通道；同时，设置了6个测量通道分别为通道2～通道7，驱动输出通道为Dev1/ao0；所述系统安全参数包括激振器的最大位移、激振器的最大速度、激振器的最大加速度以及输出最大电压。

所述通用波形再现控制装置，其中：所述目标波处理单元在得到参考波形以后，进行波形的滤波处理和补偿处理。

所述通用波形再现控制装置，其中：所述单板机采用SBRIO-9636单板机，其具有8路模拟输出和8路模拟输入。

所述通用波形再现控制装置，其中：所述规则波形包括正弦拍波、正弦波、三角波、方波、锯齿波和高斯随机波。

有益效果：

本发明通用波形再现控制方法构思巧妙、合理，其直接采用初始目标速度波作为驱动信号进行系统传递函数估计，能够获得全频带内的系统传递函数良好的估计精度，简化了试验步骤；同时具有加速度和位移两种控制方式，在进行低频、低量级地震波模拟时，由于加速度信噪比较差，采用位移间接控制方式，可获得更好的控制精度；在位移控制时，高频段引入频率修正因子，加强了高频段的修正力度，提高了全频带加速度控制精度；在量级调整过程中引入非线性因子，削弱了系统及试件的非线性影响，减少了试验中的迭代次数，消除了过试验现象，使得试验步骤仅须2～3次(半量级1次，满量级1～2次)迭代即可获得满意的试验效果；在原始地震波处理方面增加了截断，滤波，加窗和积分功能，增强了目标波处理能力；在控制模式方面采用了加速度、位移控制两种模式，低频、低量级地震波模拟时，可采用位移间接控制模式，并引入频率修正因子来提高高频段的修正精度。

本发明通用波形再现控制装置结构设计简单、合理，控制精度高，具有加速度、位移两种控制方式，控制频宽可达0.1Hz～2000Hz，丰富的信号分析处理功能，可适于各类地震模拟振动台的地震模拟控制，具有模块少、易于安装、功能可扩展、维修方便等优点，非常适宜于地震波模拟等相关波形模拟应用领域。

附图说明

图1为本发明通用波形再现控制方法的流程图；

图2为本发明通用波形再现控制装置的结构示意图；

图3为本发明通用波形再现控制装置的通用地震模拟控制系统的结构树形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明通用波形再现控制方法，包括以下步骤：

1)试验参数设定

先设置试验名称、日期、工作路径选择和备注；接着进行波形参数设置，波形参数包括波形上限频率和波形下限频率，用于定义参考波形的频宽，信号采样频率分别有320Hz～1280Hz可选，控制方式为加速度、位移可选；再接着，进行传函辨识参数设置，其一为选择系统辨识方式，其二为选择系统传递函数直接导入方式，这里可以从传递函数库或已经存储的传递函数文件中直接导入；再次进行通道参数设置，将根据系统要求设定加速度、台位移控制通道的灵敏度系数；最后为系统安全参数设置，主要包括激振器的最大位移、最大速度、最大加速度以及输出最大电压等极限参数的设置。

2)目标波处理

即分别采用规则波(该规则波包括正弦波、方波、三角波、锯齿波等)生成和原始波导入两种方式获得目标加速度波，在获得规则波后需采用加窗方式进行零起始零结束处理并且根据频率范围要求进行滤波处理；原始波导入后需根据时间长度要求进行截断，压缩，滤波处理并加窗作零起始零结束处理；在获得目标加速度波后，进行积分处理获得目标速度波和目标位移波。

3)初始传递函数估计

即直接采用目标波的初始速度波进行系统传递函数估计，后续的波形迭代过程中，将直接利用驱动信号进行传递函数更新；

其中，目标速度波的优点是能兼顾原始波在高频和低频的信号能量分布均匀，以便于可获得较好的传递函数估计精度；同时，也简化了试验步骤，不需要再单独进行白噪声试验来获得系统传递函数估计。

4)量级调整

通过引入非线性因子，可削弱试件的非线性影响，公式(3)给出了量级调整过程中，驱动信号计算公式，通过引入非线性因子能减少试验量级上升过程中的迭代次数，消除过试验现象；驱动更新环节作为地震模拟控制精度提升的重要步骤，通过驱动更新算法，并引入均方根误差、峰值误差以及迭代校正系数如公式(1)(2)，可获得地震模拟控制精度的迅速收敛。同时，在控制模式方面采用了加速度、位移控制两种模式，低频、低量级地震波模拟时采用位移间接控制模式，通过引入频率修正因子可提高高频段的加速度控制精度。具体的地震模拟控制计算公式如下：

地震模拟控制中的驱动校正信号为

η_k(t)＝FFT^-1{H^-1(w)·FFT[e_k(t)]·β(ω)}   (1)；

这里，β(ω)为频率修正因子，当为位移控制时β(ω)＝exp(0.015·ω)，加速度控制时β(ω)＝1。此时，迭代更新驱动信号为

v_k(t)＝v_k-1(t)+α·η_k(t)   (2)；

这里，α为迭代校正系数，当量级发生变化时，驱动信号为

u_k(t)＝·γ·v_k(t)·10^(ΔL/20)   (3)；

这里，γ为非线性因子，通常加速度控制取0.45～0.6，位移控制时取0.8～0.95。

如图2所示，本发明通用地震模拟控制装置，是基于上述明通用波形再现控制方法，其包括计算机1和信号接口机箱2。

该计算机1用于用户操作和数据显示且与信号接口机箱2通过以太网电信号连接，其中，该计算机1安装有通用地震模拟控制系统3。

该信号接口机箱2用于连接控制器内部信号和外部硬件的信号输入和输出，其集成有加速度信号调理板21、位移信号调理板22、母线卡槽23、单板机24和电源模块25；该加速度信号调理板21、位移信号调理板22和单板机24彼此之间通过电连接且均由电源模块25供电。其中，该单板机24的输入通道用于采集加速度信号调理板21和位移信号调理板22的信号并传输到计算机1中参与算法修正，计算机1通过地震模拟迭代算法将获得新的驱动信号并由该单板机24的模拟输出将驱动信号发送至被控对象。该单板机采用SBRIO-9636单板机，其具有8路模拟输出和8路模拟输入。

如图3所示，该通用地震模拟控制系统3，包括试验参数设置单元31、目标波处理单元32、地震波形模拟单元33和信号分析单元34。

该试验参数设置单元31主要用于试验参数设置、信号参数设置、通道设置、输出转移矩阵和系统安全参数设置。其中，试验参数设置主要设置试验名称、日期、工作路径选择和备注。日期为自动设定的系统默认时间，工作路径是指当前试验所有数据存储的工作路径，以便于试验数据管理；备注是用户填写的一些试验附加说明。通道设置是对系统的输入和输出通道进行设置，根据系统要求这里定义并固化了加速度、台位移通道；同时，设置了6个测量通道分别为通道2～通道7，驱动输出通道为Dev1/ao0。系统安全参数包括激振器的最大位移、激振器的最大速度、激振器的最大加速度以及输出最大电压，其安全参数即为系统的极限参数，在进行参考波形设置，要求其波形相应的加速度、速度、位移不能超过系统的安全参数。

该目标波处理单元32主要用于读波形数据、波形处理和规则波生成；其中，目标波处理单元32在得到参考波形以后，必须进行波形的滤波处理和补偿处理，以便使得参考波形满足系统设定的频带要求和参考波形对应的加速度、速度和位移零起始零结束要求；规则波形包括正弦拍波、正弦波、三角波、方波、锯齿波、高斯随机波。

该地震波形模拟单元33主要用于初始驱动生成、传递函数估计、驱动信号更新、驱动信号调整及信号发送与采集。

该信号分析单元34用于信号频域分析、信号时域分析、误差计算及数据保存于打印。

本发明通用波形再现控制方法构思巧妙、合理，其直接采用初始速度波信号进行系统传递函数估计，引入非线性因子减少迭代次数，并具有加速度和位移两种控制方式，在进行低频、低量级地震波模拟时，由于加速度信噪比较差，采用位移间接控制方式，可获得更好的控制精度。

本发明通用波形再现控制装置结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，控制精度高，控制频宽可达0.1Hz～2000Hz，丰富的信号分析处理功能(包括误差计算、频域分析、反应谱分析等功能)，可适于各类地震模拟振动台的地震模拟控制。

Claims (9)

1.一种通用波形再现控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)试验参数设定

即先设置试验名称、日期、工作路径选择和备注；接着进行波形参数设置；再接着，选择系统辨识方式或者系统传递函数直接导入方式，进行传函辨识参数设置；再次进行通道参数设置，将根据系统要求设定加速度、台位移控制通道的灵敏度系数；最后进行系统安全参数设置；

(2)目标波处理

即分别采用规则波生成和原始波导入两种方式获得目标加速度波，在获得规则波后采用加窗方式进行零起始零结束处理并且根据频率范围要求进行滤波处理；原始波导入后再根据时间长度要求进行截断、压缩、滤波处理并加窗作零起始、零结束处理；在获得目标加速度波后，进行积分处理获得目标速度波和目标位移波；

(3)初始传递函数估计

即直接采用目标波的初始速度波进行系统传递函数估计，后续的波形迭代过程中，将直接利用驱动信号进行传递函数更新；

(4)量级调整

即通过引入非线性因子，削弱试件的非线性影响，减少试验量级上升过程中的迭代次数，消除过试验现象；同时，在控制模式方面采用加速度、位移控制两种模式，低频、低量级地震波模拟时采用位移间接控制模式，通过引入频率修正因子提高高频段的加速度控制精度。

2.如权利要求1所述的通用波形再现控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中波形参数包括波形上限频率和波形下限频率，用于定义参考波形的频宽，信号采样频率分别有320Hz～1280Hz可选，控制方式为加速度、位移可选；

所述步骤(1)中是选择从传递函数库或已经存储的传递函数文件中直接导入方式进行传函辨识参数设置；

所述步骤(1)中系统安全参数设置包括激振器的最大位移、最大速度、最大加速度以及输出最大电压等极限参数的设置。

3.如权利要求1所述的通用波形再现控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中具体的地震模拟控制计算公式如下：

地震模拟控制中的驱动校正信号为

η_k(t)＝FFT^-1{H^-1(w)·FFT[e_k(t)]·β(ω)}    (1)；

这里，β(ω)为频率修正因子，当为位移控制时β(ω)＝exp(0.015·ω)，加速度控制时β(ω)＝1。此时，迭代更新驱动信号为

v_k(t)＝v_k-1(t)+α·η_k(t)    (2)；

这里，α为迭代校正系数，当量级发生变化时，驱动信号为

u_k(t)＝·γ·v_k(t)·10^(ΔL/20)    (3)；

上述公式(3)中γ为非线性因子，通常加速度控制取0.45～0.6，位移控制时取0.8～0.95。

4.如权利要求1所述的通用波形再现控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中的规则波包括正弦波、方波、三角波和锯齿波。

5.一种基于权利要求1至4任一所述的通用波形再现控制方法的通用波形再现控制装置，其特征在于：所述控制装置包括计算机和信号接口机箱；

所述计算机用于用户操作和数据显示，所述计算机与所述信号接口机箱通过以太网电信号连接，所述计算机安装有通用地震模拟控制系统；

所述信号接口机箱用于连接控制器内部信号和外部硬件的信号输入和输出，其集成有加速度信号调理板、位移信号调理板、母线卡槽、单板机和电源模块；所述加速度信号调理板、位移信号调理板和单板机彼此之间通过电连接且均由所述电源模块供电；所述单板机的输入通道用于采集所述加速度信号调理板和位移信号调理板的信号并传输到所述计算机中参与算法修正，所述计算机通过地震模拟迭代算法将获得新的驱动信号并由所述单板机的模拟输出将驱动信号发送至被控对象；

所述通用地震模拟控制系统包括试验参数设置单元、目标波处理单元、地震波形模拟单元和信号分析单元；所述试验参数设置单元用于试验参数设置、信号参数设置、通道设置、输出转移矩阵和系统安全参数设置；所述目标波处理单元用于读波形数据、波形处理和规则波生成；所述地震波形模拟单元用于初始驱动生成、传递函数估计、驱动信号更新、驱动信号调整及信号发送与采集；所述信号分析单元用于信号频域分析、信号时域分析、误差计算及数据保存于打印。

6.如权利要求5所述的通用波形再现控制装置，其特征在于：所述试验参数设置包括设置试验名称、日期、工作路径选择和备注；所述日期为自动设定的系统默认时间，所述工作路径是指当前试验所有数据存储的工作路径，所述备注是用户填写的一些试验附加说明；

所述通道设置是对系统的输入和输出通道进行设置，所述通道设置定义并固化了加速度、台位移通道；同时，设置了6个测量通道分别为通道2～通道7，驱动输出通道为Dev1/ao0；

所述系统安全参数包括激振器的最大位移、激振器的最大速度、激振器的最大加速度以及输出最大电压。

7.如权利要求5所述的通用波形再现控制装置，其特征在于：所述目标波处理单元在得到参考波形以后，进行波形的滤波处理和补偿处理。

8.如权利要求5所述的通用波形再现控制装置，其特征在于：所述单板机采用SBRIO-9636单板机，其具有8路模拟输出和8路模拟输入。

9.如权利要求5所述的通用波形再现控制装置，其特征在于：所述规则波形包括正弦拍波、正弦波、三角波、方波、锯齿波和高斯随机波。