CN107356523A

CN107356523A - 基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法

Info

Publication number: CN107356523A
Application number: CN201710472279.7A
Authority: CN
Inventors: 郭彤; 黄亮; 陈梦晖
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: CN107356523B

Abstract

本发明提供一种实时混合模拟反馈力修正方法，首先通过对试验子结构的正弦波位移追踪试验，确定其初始刚度，测量位移噪声和测量反馈力噪声分布；次之确定离散刚度估计算法参数:包括修正参数，历史数据存储容量，瞬时刚度更新频率，瞬时刚度估计阀值。然后，在实时混合模拟试验中插入瞬时刚度估计模块，并向其同步输入测量位移与测量反力。其中，瞬时刚度估计模块采用离散切线估计算法同步计算试验子结构的瞬时刚度。最后，利用每一步所估计的试验子结构瞬时刚度，修正测量反馈力。本发明可以极大提高试验子结构瞬时刚度估计的准确性，并能进一步准确的修正测量反馈力。

Description

基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法

技术领域

本发明为一种基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法，利用离散切线估计算法同步计算试验子结构的瞬时刚度，并用于修正其测量反馈力。

背景技术

传统的土木工程结构试验方法包括拟静力试验、拟动力试验及地震模拟振动台试验等。拟静力试验是按照一定的荷载或变形控制方式，对试件进行低周反复加载，使试件逐渐从弹性阶段过渡至塑形阶段，直至试件破坏。该方法的优点是经济实用，但无法真实反映结构的动力特性。拟动力试验是在低速条件下，将计算机分析与结构试验相结合的试验方法，在拟动力试验中可通过子结构技术节约试验成本。由于拟动力试验速度极低，即在较大的时间尺度内进行试验，故该试验方法无法反映加载速度对试验子结构的影响，同时还会产生应变速率效应。地震模拟振动台试验是目前最准确的结构抗震性能试验方法，但由于振动台的高昂造价和承载能力的限制，在进行大型结构试验时需要对模型进行缩尺，尺寸效应会对试验结果造成不同程度的影响，同时振动台只能处理地面振动对结构的作用，而无法反映其他类型，如风荷载，潮汐荷载等的影响。

实时混合模拟是从低速拟动力试验的基础上发展起来的，该方法采用高速加载作动器替换拟动力试验中的低速加载作动器，可进行实时同步加载，极大的提高了试验子结构的加载速率，从而可真实反应加载速率对结构的影响。积分算法和时滞补偿是实时混合模拟试验的重要环节，积分算法要求能进行高效准确的求解微分方程，多采用显示积分算法；而时滞补偿要求能快速精准的补偿时滞误差，可分为位移补偿和反馈力修正两种方法。在实时混合模拟过程中，由于作动器机械传动延迟，作动器无法实时准确地达到预定的位移，而是存在响应滞后现象，称为时滞。在系统中，时滞相当于对结构增加了负阻尼，如果不能进行合理补偿，会影响试验结果的准确性，严重时会破坏试验系统的稳定性。位移补偿方法主要通过对计算位移进行外推来抵消时滞影响，反馈力修正方法主要通过修正试验子结构反馈力来消除时滞影响。

目前对实时混合模拟补偿方法多集中于位移补偿，仅采用位移补偿方法无法完全消除时滞，故需要进一步修正试验子结构反馈力。反馈力修正方法中，最为关键的步骤是快速而准确的估计试验子结构瞬时刚度，目前的反馈力修正方法对其研究仍然不足，本发明即针对上述问题展开。

发明内容

发明目的：为了克服传统的反馈力修正方法对试验子结构瞬时刚度估计不准确的问题，本发明基于离散曲线参数识别理论，提供了一种在线离散切线刚度估计算法，并进一步将其应用于试验子结构的反馈力修正。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法，包括以下步骤：

第一步，对试验子结构进行正弦波位移追踪试验，确定其初始刚度，测量位移噪声和测量反馈力噪声分布；

第二步，确定离散刚度估计算法参数；包括修正参数；历史数据存储容量；瞬时刚度更新频率；瞬时刚度估计阀值；

第三步，在实时混合模拟试验中插入瞬时刚度估计模块，并向其同步输入测量位移与测量反力；其中，瞬时刚度估计模块采用离散切线估计算法同步计算试验子结构的瞬时刚度；

第四步，根据每一步所估计的试验子结构瞬时刚度，修正测量反馈力。

有益效果：采用本发明的“基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法”后，可以极大提高试验子结构瞬时刚度估计的准确性，并能进一步准确的修正测量反馈力。该算法对刚度变化反应较为敏捷，能从含有测量噪声的原始测量位移和测量反馈力信号中迅速判断试验子结构刚度变化。同时，该算法计算效率较高，耗时较短，可满足实时混合模拟试验的同步计算需要。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1是本发明实施例中位移-反馈力坐标平面及区域划分示意图。

具体实施方式

本实施例的基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法包括以下步骤：

第一步：对试验子结构进行正弦波位移追踪试验，确定其初始刚度则量位移噪声分布和测量反馈力噪声分布

第二步：确定瞬时刚度估计算法中参数，其中修正参数w₁～w₃建议取值w₁＝0.6～0.8，w₂＝0.95～0.98，w₃＝0.6～0.8；历史数据存储容量取值30～60；瞬时刚度更新频率2～5倍采样时间；瞬时刚度估计阀值判断指标d₀＝3.92max(σ_x，σ_f).

第三步：在实时混合模拟试验中插入瞬时刚度估计模块，其中瞬时刚度估计算法如下：(1)当第1组测量位移和测量反馈力数据输入瞬时刚度模块时，将位移-反馈力坐标平面划分为9个区域Ω₁～Ω₉，位移-反馈力坐标平面及区域划分如图1所示.其中，直线μ₁||μ₂，v₁||v₂，且μ₁⊥v₁， b_h＝1，a_v＝b_h，b_v＝-a_h.历史数据存储段Sf₁＝{M₁}.

(2)当第i组测量数据输入瞬时刚度，Sf＝Sf_i-1∪M_i，计算同理根据i-1步计算结果，将位移-反馈力平面划分为9个区域Ω₁～Ω₉.

(3)判断在位移-反馈力坐标平面中区域.

●当μ₁≤r_h≤μ₂且v₁≤r_v≤v2，M_i位于区域Ω₁.Sf_i＝Sf，直接进入第(5)步.

●当μ₁≤r_h≤μ₂且r_v＞v₂，M_i位于区域Ω₂.更新参数v₂＝r_v，Sf_i＝Sf.进入第(5)步.

●当μ₁≤r_h≤μ₂且v₁＜r_v，M_i位于区域Ω₃.更新参数v₁＝r_v，Sf_i＝Sf.进入第(5)步.

●当r_h＜μ₁且r_v＞v₂，M_i位于区域Ω₄.向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i下侧.更新参数μ₂＝max(r_h{Sf})，(a_v，b_v)＝(b_h，-a_h)，v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步.

●当r_h＞μ₂和r_v＞v₂，M_i位于区域Ω₅.向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量

点均在直线M_jM_i上侧.更新参数μ₁＝min(r_h{Sf})， (a_v，b_v)＝(b_h，-a_h)，v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步.

●当r_h＜μ₁且r_v＜v₁，M_i位于区域Ω₆.向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i上侧.更新参数μ₁＝min(r_h{Sf})， (a_v，b_v)＝(b_h，-a_h)，v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步.

●当r_h＞μ₂且r_v＜v₁，M_i位于区域Ω₇.向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i下侧.更新参数μ₂＝max(r_h{Sf})，(a_v，b_v)＝(b_h，-a_h)，v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步.

●当r_h＜μ₁且v₁≤r_v≤v₂，M_i位于区域Ω₈.更新参数如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步.

●当r_h＞μ₂且v₁≤r_v≤v₂，M_i位于区域Ω₉.更新参数如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步.

(4)切线刚度调整

●保存最新测量数据

Sf_i-1＝{M_j，M_j+1…M_i-1}，最新历史数据存储段Sf_i为：

Sf_i＝{M_i-n+1，M_i-n+2…M_i} (1b)

其中表示上部取整.

●采用权重最小二乘法计算最新切线刚度

假设测量位移和测量反力在第j(j＝i-n+1)至i步保持线性，设价值函数为：

当J(n)取极小值时，参数估计值为：

其中

●修正离散切线向量

θ_i＝(1-w₃)arctan(a_h/b_h)_i-1+w₃arctan(k_LS)_i (3a)

(b_h，a_h)_i＝(cosθ_i，sinθ_i) (3b)

(5)估计试验子结构瞬时刚度

第四步：根据估计的试验子结构瞬时刚度，修正测量反馈力

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法，其特征在于包括以下步骤：

第三步，在实时混合模拟试验中插入瞬时刚度估计模块，并向其同步输入测量位移与测量反力；

2.根据权利要求1所述的基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法，其特征在于：在第三步中瞬时刚度估计模块采用离散切线估计算法同步计算试验子结构的瞬时刚度。

3.根据权利要求2所述的基于离散切线刚度估计的实时混合模拟试验反馈力修正方法，其特征在于，所述瞬时刚度估计算法如下：

(1)当第1组测量位移和测量反馈力数据输入瞬时刚度模块时，将位移-反馈力坐标平面划分为9个区域Ω₁～Ω₉其中，直线μ₁||μ₂，v₁||v₂，且μ₁⊥v₁， b_h＝1，a_v＝b_h，b_v＝-a_h；历史数据存储段Sf₁＝{M₁}；

(2)当第i组测量数据输入瞬时刚度，Sf＝Sf_i-1∪M_i，计算同理根据i-1步计算结果，将位移-反馈力平面划分为9个区域Ω₁～Ω₉；

(3)判断在位移-反馈力坐标平面中区域；

当μ₁≤r_h≤μ₂且v₁≤r_v≤v₂，M_i位于区域Ω₁；Sf_i＝Sf，直接进入第(5)步；

当μ₁≤r_h≤μ₂且r_v＞v₂，M_i位于区域Ω₂；更新参数v₂＝r_v，Sf_i＝Sf；进入第(5)步；

当μ₁≤r_h≤μ₂且v₁＜r_v，M_i位于区域Ω₃；更新参数v₁＝r_v，Sf_i＝Sf；进入第(5)步；

当r_h＜μ₁且r_v＞v₂，M_i位于区域Ω₄；向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i下侧；更新参数μ₂＝max(r_h{Sf})，v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步；

当r_h＞μ₂和r_v＞v₂，M_i位于区域Ω₅；向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i上侧；更新参数μ₁＝min(r_h{Sf})， v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步；

当r_h＜μ₁且r_v＜v₁，M_i位于区域Ω₆；向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i上侧；更新参数μ₁＝min(r_h{Sf})， v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步；

当r_h＞μ₂且r_v＜v₁，M_i位于区域Ω₇；向后依次搜索Sf找到测量点M_j满足所有Sf中的测量点均在直线M_jM_i下侧；更新参数μ₂＝max(r_h{Sf})，(a_v，b_v)＝(b_h，-a_h)，v₁＝min(r_v{Sf})，如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步；

当r_h＜μ₁且v₁≤r_v≤v₂，M_i位于区域Ω₈；更新参数如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步；

当r_h＞μ₂且v₁≤r_v≤v₂，M_i位于区域Ω₉；更新参数如果d_h≤d₀；Sf_i＝Sf，进入第(5)步；否则，进入第(4)步；

(4)切线刚度调整

保存最新测量数据

Sf_i-1＝{M_j，M_j+1…M_i-1}，最新历史数据存储段Sf_i为：

Sf_i＝{M_i-n+1，M_i-n+2…M_i} (1b)

其中表示上部取整；

采用权重最小二乘法计算最新切线刚度

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当J(n)取极小值时，参数估计值为：

其中

修正离散切线向量

θ_i＝(1-w₃)arctan(a_h/b_h)_i-1+w₃arctan(k_LS)_i (3a)

(b_h，a_h)_i＝(cosθ_i，sinθ_i) (3b)

(5)估计试验子结构瞬时刚度

<mrow> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>i</mi> <mi>E</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>a</mi> <mi>h</mi> </msub> <msub> <mi>b</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow> 3