CN104807606A - 一种matlab-stm32混合动力试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MATLAB-STM32混合动力试验系统，包括MATLAB数值计算单元、数据通信模块、STM32嵌入式控制模块、数据采集模块和试验单元，其中STM32嵌入式控制模块包括STM32嵌入式控制器和伺服电机。本发明还公开了一种MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法。本发明创新性地将MATLAB与STM32嵌入式控制器相结合，发挥了STM32配置丰富灵活、低功耗、易于控制、控制精度高的优势；实现了MATLAB和STM32嵌入式控制器之间的实时双向通信问题，解决了工程结构MATLAB数值计算单元数值仿真试验与试验单元实物试验协同工作；解决了传统混合试验系统中电液伺服作动器的单一性及高成本、混合动力试验系统造价过高和应用领域受限的问题。

Description

一种MATLAB-STM32混合动力试验系统及其试验方法

技术领域

本发明属于实验力学领域，具体涉及一种新型的将计算机数值仿真试验与实物物理试验相结合的混合动力试验系统及其试验方法。

背景技术

在实验力学领域，针对一些工程结构主要采用的试验方法有拟静力试验、拟动力试验和振动台试验。拟静力试验通过作动器对试件施加事先定义的位移，从而获得试件基本信息，如刚度、承载力、变形和耗能能力等。该方法操作简便且结果容易比较分析，但是这种方法不能反映由于应变速率引起的试件反力的变化，因而该方法不能用于研究速度甚至加速度相关型构件的性能。拟动力试验方法将计算机与加载作动器结合，通过试验方法求解动力方程，模拟大型复杂结构在真实荷载作用下的响应。但其每一步加载都是拟静力的，这对于各类速度相关型构件（如各类耗能支撑、减振器）显然不能满足要求，未能实现实时（或快速）加载，必然导致不能真实反映构件的性能。振动台试验是通过对工程结构施加真实荷载记录而获得结构在荷载下的响应。该方法可以直接研究工程结构在真实荷载下的反应和破坏机理，被认为是目前研究工程结构抗震（振）性能最准确的手段。然而，由于台面尺寸、工作空间的限制，常常需要将结构压缩成小比例模型开展有关试验，结构因压缩其动力性能往往会失真。

混合动力试验系统是在拟动力试验方法的基础上发展起来的，它是一种子结构试验技术，将工程结构分为两大部分：取结构中局部非线性较强或受力复杂的部分作为试验单元，在实验室条件下进行物理性能试验；将结构中线性部分或受力简单的部分作为数值计算单元，在计算机内进行数值仿真试验；通过高性能计算机将两者进行集成协调，实现整体结构的性能试验。这样不仅可以大大减小试验模型的规模，降低了试验难度和试验成本，而且减少了控制自由度的个数，可以用较少的作动器进行试验，提高了试验精度。该项技术在大型结构的动力试验研究中得到越来越多的应用。

对于实现混合试验技术来说，需要解决如下几个关键问题：(1) 数值单元和试验单元的建立，做好混合试验的前提就是选择最优的方案划分试验单元和数值单元。(2) 稳定的数值积分算法，混合试验所使用的数值积分算法不仅决定了试验积分步长所耗用时间，更为关键的是直接影响试验的稳定性和试验结果的准确性。(3) 与有限元软件的通信，在利用通用有限元软件对数值单元进行数值分析时如何实现与混合试验系统的数据交换，并保证数据的传送及时准确，这些很大程度上都依赖于所开发的接口程序。(4) 试验加载设备的硬件支持，混合试验特别是实时混合试验对诸多方面都要求很高，需要时通讯网络和数据采集系统协调工作。特别是作动器的性能和通讯延时情况，是能否实现快速甚至实时混合试验的关键。传统典型的混合试验系统中多以OpenSees作为数值仿真软件，OpenFresco作为OpenSees与硬件通信和控制的接口软件，电液伺服作动器及其控制系统来作为试验单元。其中OpenSees软件主要适用于土木工程结构的建模与仿真，这使得在其他领域的应用受到了限制。OpenFresco主要是针对OpenSees软件开发的接口软件，这使得其他数值仿真软件在混合试验系统中的应用受到了限制。而且，电液伺服系统关键零部件包括：液压油源、电液伺服阀、液压作动缸、伺服控制器和控制系统。这些都使得该混合试验系统造价成本高，系统搭建复杂，以及它多领域的应用受到了限制。

发明内容

发明目的：针对传统的混合试验系统中电液伺服作动器的单一性及高成本、混合动力试验系统造价过高和应用领域受限等问题，本发明提供一种新型系统简单，易于实现的MATLAB-STM32混合动力试验系统，使得混合动力试验系统能够更广泛的应用。本发明还提供一种基于上述MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出一种MATLAB-STM32混合动力试验系统，包括MATLAB数值计算单元、数据通信模块、STM32嵌入式控制模块、数据采集模块和试验单元，其中STM32嵌入式控制模块包括STM32嵌入式控制器和伺服电机；所述MATLAB数值计算单元通过数据通信模块与STM32嵌入式控制器进行双向数据传输，MATLAB数值计算单元计算试验单元动力响应，并通过数据通信模块传输到STM32嵌入式控制器，STM32嵌入式控制器将反映试验单元工作的电信号转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号，并通过数据通信模块传输到MATLAB数值计算单元；所述 STM32嵌入式控制模块与试验单元连接，STM32嵌入式控制器产生PWM控制信号驱动伺服电机运转，进而带动试验单元工作；所述试验单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与STM32嵌入式控制器连接，数据采集模块采集试验单元工作产生的响应信号并传输至STM32嵌入式控制器。

所述MATLAB数值计算单元将激励信号和试验单元工作响应信号加设到工程结构计算模型中进行数值仿真计算，得到的试验单元动力响应包括位移响应、速度响应和加速度响应中的一种或多种。

所述数据通信模块应用MATLAB支持的通信协议实现MATLAB与STM32嵌入式控制器之间的实时双向通信。

所述试验单元包括减震器、非线性杆件或耗能支撑。

所述数据采集模块实时采集试验单元运行过程中产生的信号，包括速度、位移、力和应变中的一种或多种。

本发明还提出一种MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法，包括如下步骤：

1）MATLAB数值计算单元在MATLAB计算环境中搭建工程结构的计算模型，根据数值模型上施加的激励信号和初始化的响应信号计算出相应的结构响应，并依据结构响应计算出试验单元的动力响应；

2）MATLAB数值计算单元通过数据通信模块将试验单元动力响应传输到STM32嵌入式控制器，即采用MATLAB支持的通信协将MATLAB数值计算单元计算出的试验单元动力响应值传输给STM32嵌入式控制器，实现MATLAB和STM32的数据同步与实时通信；

3）STM32嵌入式控制模块根据MATLAB数值计算单元计算得出的试验单元动力响应确定伺服电机运转的PWM控制信号，并实时地将PWM控制信号发送给伺服电机，使伺服电机带动试验单元工作；

4）数据采集模块利用传感器实时采集试验单元运行过程中产生的信号，并反馈给STM32嵌入式控制器；

5）STM32嵌入式控制器将数据采集模块反馈的电信号转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号，并通过数据通信模块传回到MATLAB数值计算单元；

6）MATLAB数值计算单元根据接收到的试验单元工作响应信号和程序施加的激励信号计算下一时刻的试验单元动力响应；

7）重复执行步骤2）-步骤6），直至激励信号结束。

有益效果：本发明创新性的将MATLAB与STM32嵌入式控制器相结合，发挥了STM32配置丰富灵活、低功耗、易于控制、控制精度高的优势；实现了MATLAB和STM32嵌入式控制器之间的实时双向通信问题，解决了工程结构MATLAB数值计算单元数值仿真试验与试验单元实物试验协同工作；并且解决了传统混合试验系统中电液伺服作动器的单一性及高成本、混合动力试验系统造价过高和应用领域受限的问题。

与传统的纯实物试验相比，本发明不需再建造工程结构的完整实物模型，只需部分装置、器件或单元的实物模型，因此大大降低了试验成本，同时该系统还具有体积小，精度高，方便操作等突出优点；与传统的纯数值模型试验相比，本发明对非线性强、性能尚不明确的装置、器件或单元采用了实物模型进行试验，避免了数值仿真分析中由于实物单元数学模型描述不准确而带来的误差，因此结果更准确、更可靠。

附图说明

图1为本发明的MATLAB-STM32混合动力试验系统的结构框图；

图2为二层钢框架结构模型示意图；

图3为真实试验系统图；

图4为正弦激励荷载下框架第一自由度数值解和试验解对比图，图4（a）为正弦荷载作用下第一自由度方向位移数值解和试验解对比图，图4（b）为正弦荷载作用下试验子结构沿第一自由度方向反力数值解和试验解对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

MATLAB-STM32混合动力试验系统结构如图1所示，包括MATLAB数值计算单元、数据通信模块、STM32嵌入式控制模块、数据采集模块和试验单元，其中STM32嵌入式控制模块包括STM32嵌入式控制器和伺服电机，所述MATLAB数值计算单元通过数据通信模块与STM32嵌入式控制器进行双向数据传输，MATLAB数值计算单元计算出数值模型结构响应，进一步算出试验单元的动力响应，并通过数据通信模块传输到STM32嵌入式控制器，STM32嵌入式控制器将数据采集模块采集得到的试验单元工作产生的响应信号（传感器检测输出的电信号）转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号（如加速度、位移、速度、力和应变信号）并通过数据通信模块传回到MATLAB数值计算单元；所述 STM32嵌入式控制模块与试验单元连接，STM32嵌入式控制器产生PWM控制信号驱动伺服电机运转，进而带动试验单元工作；所述试验单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与STM32嵌入式控制器连接，数据采集模块采集试验单元工作产生的响应信号并传输至STM32嵌入式控制器。

MATLAB数值计算单元是在MATLAB计算环境中搭建的工程结构如建筑结构、桥梁结构、大跨结构、机械结构、航空航天结构等的数学计算模型，即本发明中该数学模型在计算机中的仿真运算由MATLAB软件编制实现。所述MATLAB数值计算单元根据施加在工程结构数值模型上的激励信号和物理试验单元的响应信号计算出相应的结构响应，并依据结构响应计算出试验单元的动力响应，包括位移响应、速度响应和加速度响应等。

数据通信模块采用MATLAB支持的通信协议（如GPIB、Serial Port、USB、TCP/IP等通信方式）实现MATLAB与STM32嵌入式控制器之间的实时双向通信。

STM32嵌入式控制器是STM32嵌入式控制模块的核心，其根据MATLAB数值计算单元计算得出的试验单元应产生的位移、速度或加速度响应等信号确定出伺服电机运转的PWM控制信号，并实时地将PWM控制信号发送给伺服电机，使驱动伺服电机带动试验单元工作。

试验单元为实际设计和制作的工程结构中的某部分装置或器件，如减震器、非线性杆件、耗能支撑等，且其一般具有较强的非线性特性，数学模型难以准确表达，或为新装置力学性能不明确。试验单元作为伺服电机的负载，根据控制指令工作。

数据采集模块通过加速度传感器、位移传感器、力传感器和应变片等实时采集试验单元运行过程中产生的加速度、速度、位移、控制力、应变等信号。

本发明在MATLAB计算环境中，给工程结构的数值模型施加一激励信号（如阶跃信号、冲击信号、正弦波、三角波、方波、随机波、地震波等），计算出相应的结构响应，并依据结构响应计算出试验单元的动力响应（如位移响应、速度响应和加速度响应等）；试验单元动力响应通过数据通信模块传输到STM32嵌入式控制器中，STM32嵌入式控制器进一步产生伺服电机运转的PWM控制信号，启动伺服电机工作；伺服电机运转带动试验单元按照MATLAB数值计算单元的响应进行工作，产生相应的响应信号（如控制力、加速度、位移、应变、速度等）；数据采集模块利用相应的传感器实时采集试验单元工作产生的响应信号，并传输到STM32嵌入式控制器中；STM32嵌入式控制器将数据采集模块采集的电信号转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号，并通过数据通信模块将试验单元工作响应传输到MATLAB数值计算单元中；MATLAB数值计算单元根据试验单元的工作响应信号和程序施加的激励信号计算下一时刻的试验单元动力响应（如加速度、位移、速度等）；该循环将持续进行直至激励信号结束。

下面以如图2所示两层钢框架为例，采用上述动力试验系统和试验方法进行混合试验。两层钢框架为数值计算单元；弹簧为试验单元，按斜撑的形式布置在一层。假定钢梁刚度无限大，钢柱尺寸为：。数值子结构主要考虑结构承受水平方向荷载，不考虑竖向荷载作用。数值计算单元刚度矩阵为                                               ，质量矩阵为，阻尼矩阵采用Rayleigh阻尼矩阵。考虑结构在第二层受水平方向正弦荷载激励，正弦荷载峰值为50N。MATLAB与STM32嵌入式控制器之间的实时双向通信采用Serial Port通信方式（RS232串口通信协议）实现。真实试验系统如图3所示，试验结果如图4所示。

Claims (7)

1.一种MATLAB-STM32混合动力试验系统，其特征在于：包括MATLAB数值计算单元、数据通信模块、STM32嵌入式控制模块、数据采集模块和试验单元，其中STM32嵌入式控制模块包括STM32嵌入式控制器和伺服电机；所述MATLAB数值计算单元通过数据通信模块与STM32嵌入式控制器进行双向数据传输，MATLAB数值计算单元计算试验单元动力响应，并通过数据通信模块传输到STM32嵌入式控制器，STM32嵌入式控制器将反映试验单元工作的电信号转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号，并通过数据通信模块传输到MATLAB数值计算单元；所述 STM32嵌入式控制模块与试验单元连接，STM32嵌入式控制器产生PWM控制信号驱动伺服电机运转，进而带动试验单元工作；所述试验单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与STM32嵌入式控制器连接，数据采集模块采集试验单元工作产生的响应信号并传输至STM32嵌入式控制器。

2.根据权利要求1所述的MATLAB-STM32混合动力试验系统，其特征在于：所述MATLAB数值计算单元将激励信号和试验单元工作响应信号加设到工程结构计算模型中进行数值仿真计算，得到的试验单元动力响应包括位移响应、速度响应和加速度响应中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的MATLAB-STM32混合动力试验系统，其特征在于：所述数据通信模块应用MATLAB支持的通信协议实现MATLAB与STM32嵌入式控制器之间的实时双向通信。

4.根据权利要求1所述的MATLAB-STM32混合动力试验系统，其特征在于：所述试验单元包括减震器、非线性杆件或耗能支撑。

5.根据权利要求1所述一种MATLAB-STM32混合动力试验系统，其特征在于：所述数据采集模块实时采集试验单元运行过程中产生的信号，包括加速度、速度、位移、力和应变中的一种或多种。

6.一种MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）MATLAB数值计算单元在MATLAB计算环境中搭建工程结构的计算模型，根据数值模型上施加的激励信号和初始化的响应信号计算出相应的结构响应，并依据结构响应计算出试验单元的动力响应； 

2）MATLAB数值计算单元通过数据通信模块将试验单元动力响应传输到STM32嵌入式控制器，即采用MATLAB支持的通信协议将MATLAB数值计算单元计算出的试验单元动力响应值传输给STM32嵌入式控制器，实现MATLAB和STM32的数据同步与实时通信；

3）STM32嵌入式控制模块根据MATLAB数值计算单元计算得出的试验单元动力响应确定伺服电机运转的PWM控制信号，并实时地将PWM控制信号发送给伺服电机，使伺服电机带动试验单元工作；

4）数据采集模块利用传感器实时采集试验单元运行过程中产生的信号，并反馈给STM32嵌入式控制器；

5）STM32嵌入式控制器将数据采集模块反馈的电信号转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号，并通过数据通信模块传回到MATLAB数值计算单元；

6）MATLAB数值计算单元根据接收到的试验单元工作响应信号和程序施加的激励信号计算下一时刻的试验单元动力响应；

7）重复执行步骤2）-步骤6），直至激励信号结束。

7.如权利要求6所述的MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法，其特征在于：所述激励信号为阶跃信号、冲击信号、正弦波、三角波、方波、随机波或地震波。