CN108241289A - 一种用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构抗震技术领域，公开了一种用于三自由度加载系统的力‑位移混合控制方法。包括以下过程：对三自由度加载系统发出目标位移、目标转角和目标轴力命令，通过非线性变换得到三个作动器的目标位移，作用在试件上；在试件的水平及竖向设置LVDT位移传感器，采集LVDT位移传感器的位移，并同时采集各作动器的位移和出力；将LVDT位移传感器的位移通过非线性变换得到试件的实际位移和转角，将作动器的实际位移和出力通过非线性变换得到试件的实际轴力；将实际位移、转角和轴力传输给加载系统进行反馈控制，通过PI控制器的修正重复上述过程，从而实现试件的目标命令。本方案采用LVDT位移传感器，同时考虑了加载系统的几何非线性，提高了试验系统的精度。
Description
技术领域
本发明涉及结构抗震技术领域，尤其是一种用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法。
背景技术
众所周知，地震是最常见的自然灾害之一，它的发生给人类社会造成了不可估量的经济损失和人员伤亡，研究结构的抗震性能显得尤为重要，然而，怎样准确评估结构或者构件的抗震能力是目前面临的首要问题。因此，拟静力试验进行研究。其中，由于拟静力试验显著的技术和经济优势，且通过试验可以获得结构或构件的强度、刚度、耗能等重要信息，为结构设计提供了重要依据，因此它一直都是结构抗震领域很受欢迎的试验技术。
近年来，随着工程结构的大型化和复杂化，以及阻尼器、隔震支座、防屈曲支撑等耗能减振与隔震结构构件的工程应用，抗震领域对大比例尺试验甚至足尺试验的需求越来越强烈，大型多功能试验加载系统应运而生。
大型多功能试验加载系统是一种多功能拟静力试验装置，主要采用反力墙、大型门架构架、液压伺服加载控制系统及加载系统，可进行剪切型试验和弯剪型试验。由于大型多功能试验系统是基于MTS控制系统进行试验研究的，因此，对试验系统的精确加载控制则是保证试验顺利进行并取得准确试验结果的关键。结合哈尔滨工业大学结构抗震试验室的大型多功能试验加载系统及附属MTS793控制软件，对控制方法进行研究。
现有的控制方法是将作动器自身的位移及所得转角作为实际位移、转角进行反馈，通过以往的试验可以看出，虽然通过作动器自身反馈时所得的位移和转角可以实现试件的目标位移，但是由LVDT高精度位移传感器实测的转角与目标转角有一定的差别，尤其对于弯剪型试验，将产生较大的误差，从而影响实际测得的结构或者构件的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法。
本发明采用的技术方案如下：一种用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，具体包括以下过程：
步骤1：对三自由度加载系统发出位移、转角和轴力命令，通过非线性变换G1得到作动器A、作动器B和作动器C的目标位移，作用在试件上；
步骤2：在试件的水平以及竖向设置LVDT位移传感器，采集LVDT位移传感器的位移，并同时采集作动器A、作动器B和作动器C的位移和出力；
步骤3：将LVDT位移传感器的位移通过非线性变换G2得到试件的实际位移和实际转角，将作动器的位移和出力，通过非线性变换G3得到试件的实际轴力；
步骤4：将实际位移、实际转角和实际轴力传输给三自由度加载系统进行反馈控制，继续通过PI控制器的修正重复步骤1-4，直至满足三自由度加载系统的预设条件，从而实现试件的目标位移、轴力和转角。
进一步地，所述步骤1中，三自由度加载系统通过L型加载梁作用在试件上，作动器A在水平方向上连接在L型加载梁的短边，作动器B和作动器C在竖直方向上连接在L型加载梁的长边上，所述作动器A、作动器B和作动器C的目标位移通过L型加载梁将力作用在试件上。
进一步的，所述步骤1中非线性变换G1的具体为：作动器的目标位移其中作动器A与固定端连接处在竖直方向上投射到地面的点为坐标原点，逆时针方向为转角的正方向，水平向右为X轴(横坐标)，竖直向上为Y轴(纵坐标)，i取A、B、C，dic表示作动器A、作动器B或作动器C的目标位移，XAi,s为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端的横坐标，XAi,f为作动器A、作动器B或作动器C固定端的横坐标，YAi,s为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端的纵坐标，YAi,f为作动器A、作动器B或作动器C固定端的纵坐标，dio为各作动器的初始长度。
进一步地，所述步骤2中，所述LVDT位移传感器的具体设置方法为：在试件的顶梁两端分别竖向设置LVDT位移传感器Ⅱ和LVDT位移传感器Ⅲ，并在顶梁一端设置一个水平的LVDT位移传感器Ⅰ；在试件的底梁两端分别竖向设置LVDT位移传感器Ⅴ和LVDT位移传感器Ⅵ，并在顶梁一端设置一个水平的LVDT位移传感器Ⅳ。
进一步地，所述LVDT位移传感器的前、后两端分别与固定件和顶梁或底梁的被测位置铰接。
进一步的，所述步骤3中非线性变换G2具体为：
所述试件的实际位移d1'＝dc'-do，其中do是底梁上表面中心O点处的水平位移，X2,f、X3,f分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ固定端的横坐标，L2、L3分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ运动过程中的长度，α2、α3分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ与X轴负方向的夹角，Xco是顶梁下表面中心C点处的初始横坐标；
所述试件的实际转角其中 d为传感器Ⅱ和传感器Ⅲ之间的水平距离。
进一步的，所述步骤3中非线性变换G3具体为：所述试件的实际轴力N'＝F1·sinγ1+F2·sinγ2+F3·sinγ3，其中，F1为作动器A的实际出力，F2为作动器B的实际出力，F3为作动器D的实际出力，γ1、γ2、γ3分别为作动器A、作动器B、作动器C与X轴正方向的夹角。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本方案引入水平、竖向的LVDT位移传感器，对试件的位移和转角进行反馈控制，减少了加载系统的连接间隙导致的试件目标位移的测量误差；同时考虑了加载系统的几何非线性，避免了LVDT位移传感器以及作动器测量结果受位移、转角影响导致的误差。本方案提高了试验系统的控制精度，使试验结果更加准确，所得结构或者构件的性能信息更加接近实际情况。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法的流程示意图。
图2是本发明LVDT位移传感器布置以及加载过程结构变化示意图。
图3是本发明试件的顶梁以及顶梁处传感器Ⅰ、传感器Ⅱ和传感器Ⅲ的几何分析示意图。
图4是本发明各作动器以及L型加载梁的几何分析示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，一种用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，具体包括以下过程：
步骤1：对三自由度加载系统发出位移dc、转角θc和轴力Nc命令，通过非线性变换G1得到作动器A的目标位移d1c、作动器B的目标位移d2c和作动器C的目标位移d3c，作用在试件上；其中，三自由度加载系统通过L型加载梁作用在试件上，作动器A在水平方向上连接在L型加载梁的短边，作动器B和作动器C在竖直方向上连接在L型加载梁的长边上，所述作动器A、作动器B和作动器C的目标位移通过L型加载梁将力作用在试件上，所述作动器的两端与固定件和L型加载梁之间均采用铰接。
如图2所示，试件为竖直放置，顶端和底端分别有横向的顶梁和底梁，作动器的目标位移作用在三自由度加载系统的L型加载梁上，L型加载梁带动试件产生运动，可以得到作动器A、作动器B和作动器C的实际位移和出力。
非线性变换G1在测试前需要确定，所述步骤1中非线性变换G1的具体为：作动器的目标位移其中作动器A与固定端连接处在竖直方向上投射到地面的点为坐标原点，逆时针方向为转角的正方向，水平向右为X轴(横坐标)，竖直向上为Y轴(纵坐标)，i取A、B、C，dic表示作动器A、作动器B或作动器C的目标位移，XAi,s为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端的横坐标，XAi,f为作动器A、作动器B或作动器C固定端的横坐标，YAi,s为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端的纵坐标，YAi,f为作动器A、作动器B或作动器C固定端的纵坐标，dio为各作动器的初始长度。其中，作动器与试件相连一端的坐标由下式求得：
上式中：Xco是顶梁下表面中心C点处的初始横坐标，Yco是顶梁下表面中心C点的初始纵坐标，K为试件的轴向刚度，xAi为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端相对C点的横坐标，yAi为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端相对控制点C点的纵坐标。通过上述过程进行了位移dc、转角θc和轴力Nc命令到作动器A、作动器B和作动器C目标位移的非线性变换，避免了LVDT位移传感器以及作动器位移、轴力测量结果受转角影响导致的误差，进一步提高三自由度加载系统的测试精度。
步骤2：在试件的水平以及竖向设置LVDT位移传感器，采集LVDT位移传感器的位移，并同时采集作动器A、作动器B和作动器C的位移和出力；
其中，所述LVDT位移传感器的具体设置方法为：在试件的顶梁两端分别竖向设置LVDT位移传感器Ⅱ和LVDT位移传感器Ⅲ，并在顶梁一端设置一个水平的LVDT位移传感器Ⅰ，用于测量试件顶部每个位置的位移；在试件的底梁两端分别竖向设置LVDT位移传感器Ⅴ和LVDT位移传感器Ⅵ，并在顶梁一端设置一个水平的LVDT位移传感器Ⅳ，用于测量试件底部每个位置的位移。上述所有的LVDT位移传感器的前、后两端分别与固定件和顶梁或底梁的被测位置铰接。
步骤3：将LVDT位移传感器的位移通过非线性变换得到试件的实际位移d1′和实际转角θ′，将作动器的位移、轴力，通过非线性变换得到试件的实际轴力N′；
其中非线性变换G2在测试前需要确定，由于底梁会有少量的水平滑移和竖向压缩，所以试件的真实位移为顶梁C点与底梁O点的合位移。如图3所示为试件的顶梁以及顶梁处传感器Ⅰ、传感器Ⅱ和传感器Ⅲ的几何分析图。D1E1、A1B1、O1C1分别代表编号为传感器Ⅰ、传感器Ⅱ和传感器Ⅲ的方位，运动过程中长度分别为L1、L2、L3，其中，A1、O1、E1均为3个传感器的固定点，B1、C1、D1均为传感器与试件的铰接点；A1O1水平，A1O1、B1C1的长度为d，E1与O1的水平距离为s，垂直距离为h，C1D1长度为L13；∠B1C1D1固定不变，为θ1。取O1点为图3坐标原点，水平向右为横轴x1，横轴x1与横轴X同向，竖直向上是纵轴y1，设传感器Ⅰ、传感器Ⅱ和传感器Ⅲ与x1轴负方向的夹角分别为α1、α2、α3。
则相应的向量为：
由于C1B1、C1D1长度为定值，夹角也为定值，则 从而可求得α1、α2和α3。
非线性变换G2的具体为：
所述试件的实际位移d1'＝dc'-do，其中do是底梁上表面中心O点处的水平位移，X2,f、X3,f分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ固定端的横坐标，L2、L3分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ运动过程中的长度，α2、α3分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ与X轴负方向的夹角，Xco是顶梁下表面中心C点处的初始横坐标；
所述试件的实际转角其中 d为传感器Ⅱ和传感器Ⅲ之间的水平距离。
同样，非线性变换G3在测试前需要确定，如图4所示，取出作动器以及L型加载梁进行几何分析，图中O3E3、A3B3、C3D3分别代表作动器A、B、C，在试验中，长度分别为LA、LB、LD，O3、B3、C3为作动器的固定端，E3、A3、D3为作动器与L型加载梁的铰接点；B3C3水平，A3D3、B3C3的长度为L，B3与O3的水平距离为S，垂直距离为H，A3E3长度为LAB；∠E3A3D3固定不变，为θ3。取O3点为坐标原点，水平向右为横轴x3轴，x3轴与X轴同向，取竖直向上为纵轴y3轴，设作动器A、B、C与x3轴正方向的夹角分别为γ1、γ2、γ3。
则相应的向量为：
由于A3D3、A3E3长度为定值，夹角也为定值，则 从而可求得γ1、γ2和γ3，
非线性变换G3的具体为：所述试件的实际轴力N'＝F1·sinγ1+F2·sinγ2+F3·sinγ3，其中，F1为作动器A的实际出力，F2为作动器B的实际出力，F3为作动器C的实际出力，γ1、γ2、γ3分别为作动器A、作动器B、作动器C与X轴正方向的夹角。
步骤4：将实际位移d1′、实际转角θ′和实际轴力N′传输给三自由度加载系统进行反馈控制，继续通过PI控制器的修正重复步骤1-4，直至满足三自由度加载系统的预设条件，从而实现试件的目标位移、轴力和转角。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1：对三自由度加载系统发出位移、转角和轴力命令，通过非线性变换G1得到作动器A、作动器B和作动器C的目标位移，作用在试件上；
步骤2：在试件的水平以及竖向设置LVDT位移传感器，采集LVDT位移传感器的位移，并同时采集作动器A、作动器B和作动器C的位移和出力；
步骤3：将LVDT位移传感器的位移通过非线性变换G2得到试件的实际位移和实际转角，将作动器的位移和出力，通过非线性变换G3得到试件的实际轴力；
步骤4：将实际位移、实际转角和实际轴力传输给三自由度加载系统进行反馈控制，继续通过PI控制器的修正重复步骤1-4，直至满足三自由度加载系统的预设条件，从而实现试件的目标位移、轴力和转角。
2.如权利要求1所述的用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，所述步骤1中，三自由度加载系统通过L型加载梁作用在试件上，作动器A在水平方向上连接在L型加载梁的短边，作动器B和作动器C在竖直方向上连接在L型加载梁的长边上，所述作动器A、作动器B和作动器C的目标位移通过L型加载梁将力作用在试件上。
3.如权利要求2所述的用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，所述步骤1中非线性变换G1的具体为：作动器的目标位移其中作动器A与固定端连接处在竖直方向上投射到地面的点为坐标原点，逆时针方向为转角的正方向，水平向右为X轴(横坐标)，竖直向上为Y轴(纵坐标)，i取A、B、C，dic表示作动器A、作动器B或作动器C的目标位移，XAi,s为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端的横坐标，XAi,f为作动器A、作动器B或作动器C固定端的横坐标，YAi,s为作动器A、作动器B或作动器C与试件相连一端的纵坐标，YAi,f为作动器A、作动器B或作动器C固定端的纵坐标，dio为各作动器的初始长度。
4.如权利要求3所述的用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述LVDT位移传感器的具体设置方法为：在试件的顶梁两端分别竖向设置LVDT位移传感器Ⅱ和LVDT位移传感器Ⅲ，并在顶梁一端设置一个水平的LVDT位移传感器Ⅰ；在试件的底梁两端分别竖向设置LVDT位移传感器Ⅴ和LVDT位移传感器Ⅵ，并在顶梁一端设置一个水平的LVDT位移传感器Ⅳ。
5.如权利要求4所述的用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，所述LVDT位移传感器的前、后两端分别与固定件和顶梁或底梁的被测位置铰接。
6.如权利要求5所述的用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，所述步骤3中非线性变换G2具体为：
所述试件的实际位移d1'＝dc'-do，其中do是底梁上表面中心O点处的水平位移，X2,f、X3,f分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ固定端的横坐标，L2、L3分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ运动过程中的长度，α2、α3分别为传感器Ⅱ、传感器Ⅲ与X轴负方向的夹角，XCO是顶梁下表面中心C点处的初始横坐标；
所述试件的实际转角其中 d为传感器Ⅱ和传感器Ⅲ之间的水平距离。
7.如权利要求6所述的用于三自由度加载系统的力-位移混合控制方法，其特征在于，所述步骤3中非线性变换G3具体为：所述试件的实际轴力N'＝F1·sinγ1+F2·sinγ2+F3·sinγ3，其中，F1为作动器A的实际出力，F2为作动器B的实际出力，F3为作动器D的实际出力，γ1、γ2、γ3分别为作动器A、作动器B、作动器C与X轴正方向的夹角。
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