CN111428190B - 一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应拟补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，通过频域评价指标计算得到的时滞和幅值对实时混合模拟实验中的作动器动力特性进行补偿，使实验中测量位移与计算位移一致。本发明结合频域评价指标、逆补偿方法和数据加窗技术，在实时混合模拟实验过程中同时补偿时滞和幅值误差，从而保证实验结果的准确性。

Description

一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应拟补偿方法
技术领域
本发明属于结构实验领域，特别是涉及一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应拟补偿方法。
背景技术
实时混合模拟实验结合振动台和混合实验的优点，将实验结构分为实验子结构和数值子结构两部分，并采用动态作动器对实验子结构实时加载，实现了有限空间内的大尺度实验，是目前最先进的抗震实验方法之一。然而，由于作动器动力特性的影响，作动器总是不能实时地达到预定的位移，而是存在一个“时滞”，该时滞相当于对结构增加一个负阻尼，如果不能进行合理的补偿，会对试验的准确性有很大的影响，甚至会导致实验失去稳定性。为此，时滞补偿是实时混合模拟实验必不可少的环节，其目的是对计算位移做某种修正得到指令位移，指令位移经过作动器的时滞延迟之后得到的测量位移与计算位移相同。
目前常用的时滞补偿方法有多项式外推、线加速度、逆补偿、模型补偿等方法，其中逆补偿方法仅需要一个预测时滞，而不需要对实验结构和加载系统有深入的了解。然而，该方法仅能补偿固定时滞，当系统时滞与预测时滞不符或者作动器时滞出现变换，该方法并不能很好的对时滞进行补偿。基于频域评价指标的补偿方法和基于轨迹指示误差的逆补偿方法可以通过在线改变逆补偿方法中的预测时滞，从而实现作动器系统的变时滞补偿。
因此申请人分别于20121231申请了专利名称实时混合模拟试验效果的频域评价方法，专利号CN201210593190.3，一种实时混合模拟试验效果的频域评价方法，对实时混合模拟的输入和输出进行傅里叶变化，用变换后输入的频域结果除以变换后输出的频域结果，将结果按照特定的加权方法加权，可以得到评价指标FEI，计算评价指标FEI的幅值A和相位φ，若值A越接近于1和相位φ越接近于0，说明试验的效果越好。同时，采用与计算评价指标FEI相同的加权方法计算输入信号的等效频率feq，用相位φ除以等效频率feq可以得到实时混合模拟的时滞。该方法可以通过选取计算位移或者指令位移作为输入，测量位移作为输出，对实时混合模拟的效果进行评价，或者对不同的补偿方法进行评价。
以及20151022申请了专利名称一种计算实时混合模拟试验瞬时时滞和幅值误差的方法，专利号CN201510690506.4，本发明公开了一种计算实时混合模拟试验瞬时时滞和幅值误差的方法，通过预估结构周期和非线性程度，选择合适长度的窗函数；对实时混合模拟的计算位移和测量位移按照选定的窗函数进行窗变换，计算该窗函数上的时滞和幅值误差作为窗函数末时刻的瞬时时滞和幅值误差；将窗函数随时间移动，计算不同时刻的瞬时时滞和幅值误差，直至实验结束。本发明方法可以对实时混合模拟的实验效果进行在线评估，避免由于不合理补偿导致的实验构件破坏，并为补偿方法提供必要的信息参考。
然而，作动器的动力特性不仅包含时滞，同样也会对幅值产生影响。即使不存在误差，作动器输出位移与指令位移之间在幅值上存在误差，该误差称为幅值误差。上述逆补偿方法及其改进仅能做到对变时滞的补偿，而无法对实时混合模拟实验中存在的幅值误差进行补偿，导致作动器动力特性无法完全消除。本发明即针对上述问题展开。
发明内容
针对目前实时混合模拟实验补偿方法无法补偿幅值误差的现状，本发明提供一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应拟补偿方法，本发明结合频域评价指标、逆补偿方法和数据加窗技术，在实时混合模拟实验过程中同时补偿时滞和幅值误差，从而保证实验结果的准确性，为达此目的，本发明提供一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：根据测试结构及作动器的特性，确定窗函数长度、时滞上下限、逆补偿方法初始参数、幅值上下限和幅值初始参数；
第二步：实验开始时，将窗函数的起始时刻分别与计算位移和测量位移的初始时刻重合；
第三步：当实验中计算位移和测量位移数据长度与窗函数长度相同时，对计算位移和测量位移进行窗变换并计算该窗函数上的时滞和幅值；
第四步和第五步：根据所述第三步的检测结果，将计算位移除以幅值进行幅值修正，再将时滞导入逆补偿方法，并对经过幅值修正后计算位移进行时滞修正或根据所述第三步的检测结果，将时滞导入逆补偿方法，对计算位移进行时滞修正，再将经时滞修正后的计算位移除以幅值进行幅值修正；
第六步：将窗函数的起始时刻移动到上一个窗函数的末时刻，重复上述步骤三到步骤五，直至实验结束。
作为本发明进一步改进，所述第三步当实验中计算位移和测量位移数据长度与窗函数长度相同时，对计算位移和测量位移进行窗变换并计算该窗函数上的幅值A和时滞d，方法如下：
A＝||FEI||
d＝arctan[Im(FEI)/Re(FEI)]/(2π·feq)
其中yI(f)和yo(f)分别代表实时混合模拟的计算位移yI(t)和测量位移yo(t)的傅里叶变换， p代表窗函数长度的一半，Im(·)和Re(·)分别代表FEI的虚部和实部，FEI代表频域评价指标，feq表示等效频率。
作为本发明进一步改进，所述第三步或第四步中对计算位移根据幅值A进行修正，修正方法如下：
其中y′为幅值修正后的计算位移，t为时间。
作为本发明进一步改进，所述第三步或第四步中对幅值修正后的计算位移根据时滞d 进行修正，修正方法如下：
其中y为修正后的计算位移，t为时间，z为离散传递函数。
作为本发明进一步改进，所述第一步中，窗函数长度通常取结构基本周期的1到2倍。
作为本发明进一步改进，所述第一步中，逆补偿方法参数的上下限根据作动器特性预测，其中下限不小于0，上限不超过50。
作为本发明进一步改进，所述第一步中，逆补偿方法初始参数可在逆补偿方法参数的上下限中任取一数值。
作为本发明进一步改进，所述第一步中，幅值上下限根据作动器特性预测，其中下限不小于0.8，上限不超过1.2。
作为本发明进一步改进，所述第一步中，幅值补偿初始参数可在幅值上下限中任取一数值。
作为本发明进一步改进，所述第六步中，两个窗函数之间不存在重叠。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)现有的时滞补偿方法均仅对作动器动力特性引入的时滞进行补偿，而无法对作动器动力特性引入的幅值误差进行补偿，因此不能完全消除作动器动力特性的影响。而本方法通过频域评价指标计算实时混合模拟的幅值误差，并据此对输入信号进行补偿，从而提升了补偿效果；
(2)现有的补偿方法的补偿效果对初始参数有较高的要求，而本方法采用自适应方法，在实验过程中自动修正补偿参数，从而减小了初始参数对补偿效果的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应拟补偿方法，本发明结合频域评价指标、逆补偿方法和数据加窗技术，在实时混合模拟实验过程中同时补偿时滞和幅值误差，从而保证实验结果的准确性。
实施例一：
第一步：确定自适应方法的补偿初始参数。其中窗函数长度取1s、时滞上下限分别取0和30、逆补偿方法初始参数取20，幅值上下限分别取0.9和1.1，幅值初始参数取1。
第二步：实验开始时，将窗函数的起始时刻分别与计算位移和测量位移的初始时刻重合；
第三步：当实验中计算位移和测量位移数据长度与窗函数长度相同时，对计算位移和测量位移进行窗变换并计算该窗函数上的幅值A和时滞d，方法如下：
A＝||FEI||  (1,c)
d＝arctan[Im(FEI)/Re(FEI)]/(2π·feq)  (1,d)
其中yI(f)和yo(f)分别代表实时混合模拟的计算位移yI(t)和测量位移yo(t)的傅里叶变换，p代表窗函数长度的一半，Im(·)和Re(·)分别代表FEI的虚部和实部，FEI代表频域评价指标，feq表示等效频率。
第四步：幅值修正。对计算位移根据幅值A进行修正，修正方法如下：
其中y′为幅值修正后的计算位移，t为时间。
第五步：时滞修正。对幅值修正后的计算位移根据时滞d进行修正，修正方法如下：
其中y为修正后的计算位移，t为时间，z为离散传递函数。
第六步：将窗函数的起始时刻移动到上一个窗函数的末时刻，重复上述步骤三和步骤五，直至实验结束。
本实施例第三步中，可以按照专利201210593490.3《实时混合模拟试验效果的频域评价方法》中的方法计算频域评价指标。
实施例二：
第一步：确定自适应方法的补偿初始参数。其中窗函数长度取1s、时滞上下限分别取0和30、逆补偿方法初始参数取20，幅值上下限分别取0.9和1.1，幅值初始参数取1。
第二步：实验开始时，将窗函数的起始时刻分别与计算位移和测量位移的初始时刻重合；
第三步：当实验中计算位移和测量位移数据长度与窗函数长度相同时，对计算位移和测量位移进行窗变换并计算该窗函数上的幅值A和时滞d，方法如下：
A＝||FEI||  (4,c)
d＝arctan[Im(FEI)/Re(FEI)]/(2π·feq)  (4,d)
其中yI(f)和yo(f)分别代表实时混合模拟的计算位移yI(t)和测量位移yo(t)的傅里叶变换，p代表窗函数长度的一半，Im(·)和Re(·)分别代表FEI的虚部和实部，FEI代表频域评价指标，feq表示等效频率。
第四步：时滞修正。对计算位移根据时滞d进行修正，修正方法如下：
其中y′为时滞修正后的计算位移，t为时间，z为离散传递函数。
第五步：幅值修正。对时滞修正后的计算位移根据幅值A进行修正，修正方法如下：
其中y′为时滞修正后的计算位移，t为时间。
第六步：将窗函数的起始时刻移动到上一个窗函数的末时刻，重复上述步骤三和步骤五，直至实验结束。
本实施例第三步中，可以按照专利201210593490.3《实时混合模拟试验效果的频域评价方法》中的方法计算频域评价指标。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：根据测试结构及作动器的特性，确定窗函数长度、时滞上下限、逆补偿方法初始参数、幅值上下限和幅值初始参数；
第二步：实验开始时，将窗函数的起始时刻分别与计算位移和测量位移的初始时刻重合；
第三步：当实验中计算位移和测量位移数据长度与窗函数长度相同时，对计算位移和测量位移进行窗变换并计算该窗函数上的时滞和幅值；
所述第三步当实验中计算位移和测量位移数据长度与窗函数长度相同时，对计算位移和测量位移进行窗变换并计算该窗函数上的幅值A和时滞d，方法如下：
A＝||FEI||
d＝arctan[Im(FEI)/Re(FEI)]/(2π·feq)
其中yI(f)和yo(f)分别代表实时混合模拟的计算位移yI(t)和测量位移yo(t)的傅里叶变换，p代表窗函数长度的一半，Im(·)和Re(·)分别代表FEI的虚部和实部，FEI代表频域评价指标，feq表示等效频率；
第四步和第五步：根据所述第三步的检测结果，将计算位移除以幅值进行幅值修正，再将时滞导入逆补偿方法，并对经过幅值修正后计算位移进行时滞修正或根据所述第三步的检测结果，将时滞导入逆补偿方法，对计算位移进行时滞修正，再将经时滞修正后的计算位移除以幅值进行幅值修正；
第六步：将窗函数的起始时刻移动到上一个窗函数的末时刻，重复上述第三步到第五步，直至实验结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第三步或第四步中对计算位移根据幅值A进行修正，修正方法如下：
其中y′为幅值修正后的计算位移，t为时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第三步或第四步中对幅值修正后的计算位移根据时滞d进行修正，修正方法如下：
其中y为修正后的计算位移，t为时间，z为离散传递函数。
4.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第一步中，窗函数长度通常取结构基本周期的1到2倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第一步中，逆补偿方法参数的上下限根据作动器特性预测，其中下限不小于0，上限不超过50。
6.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第一步中，逆补偿方法初始参数可在逆补偿方法参数的上下限中任取一数值。
7.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第一步中，幅值上下限根据作动器特性预测，其中下限不小于0.8，上限不超过1.2。
8.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第一步中，幅值补偿初始参数可在幅值上下限中任取一数值。
9.根据权利要求1所述的一种基于频域评价指标的实时混合模拟自适应补偿方法，其特征在于，所述第六步中，两个窗函数之间不存在重叠。
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