CN114217862B - 一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，应用于使用Windows操作系统的计算机求解数值子结构进行的实时混合试验。实时混合试验方法包括：Windows操作系统求解与实时系统硬件作为数值子结构，其与物理子结构的动力响应信号交互的系统架构。实时系统硬件对Windows求解数值子结构动力响应的时间步长的控制。实时系统硬件对大步长数值子结构动力响应的离散信号处理方法。本发明提出的结合Windows操作系统计算机与实时系统硬件相结合的实时混合试验策略，提升了数值模型的求解性能，提高了实时混合试验的准确性。在实时系统硬件中对数值子结构动力响应信号进行处理，提升了试验系统的稳定性与设备加载的准确性，具有较好的使用前景。

Description

一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试 验方法

技术领域

本发明设计了一种Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，涉及土木工程领域。

背景技术

近年来，随着科学技术与人民生活水平的提升，城市土木工程结构趋向于大型复杂化。由于试验设备的性能限制，大尺寸结构在试验时需要对模型进行缩尺，会造成较大的模型缩尺误差。在土木工程试验中，为解决上述问题提出一种将数值仿真与物理试验相结合的实时混合试验试验方法，其整体模型被分为两部分进行研究。其中易于建模的部分作为数值子结构在计算机中进行仿真，而需重点研究或难以建模的部分作为物理子结构的使用加载系统进行加载。实时混合试验使得大型复杂模型足尺试验成为可能，可以较为准确的测试速度相关性试件的力学特性，提升既有土木工程试验设备的试验能力。

数值子结构高效、准确的求解以及试验系统的稳定性是实时子结构试验成功实施的关键。其中数值子结构部分需要对数值子结构模型进行实时的动力求解，要求在每一个恒定不变的时间步长完成计算。由于Windows等操作系统的实时性较差，在此系统下求解数值子结构每一步求解的时间不固定，无法满足实时混合试验固定步长的需要。为此实时混合试验数值子结构求解通常采用高实时性的硬件系统，然而随着试验结构规模的不断提升，实时硬件系统的计算能力难以满足大规模数值子结构求解的需求。实时混合试验的时间步长对试验系统的稳定性有较大的影响，时间步长越大稳定性越差，且由于试验加载系统的滞后性会对稳定性有不利影响，因此如何提升实时混合试验稳定性也是一个待解决的技术难题。

发明内容

在传统的土木工程试验中，由于试验设备的性能限制，往往无法实现大规模复杂模型的足尺或大比例尺试验。实时混合试验技术将数值仿真与物理实验相结合，提升了既有试验设备的试验能力，使得大型复杂试验实施得以实现。在实时混合试验中，要求数值仿真计算机与试验设备之间数据实时交互，当仿真模型复杂时，对计算机的求解性能有更高的要求。由于Windows操作系统的任务管理机制原因，每一步计算机求解的时间不固定，无法直接将Windows操作系统的计算机直接应用于实时混合试验中。本发明提供了一种Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，解决上述难题。

本发明所采用的技术方案为：

本发明提供了一种Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法。

在实时混合试验中，试验模型被分为数值仿真的数值子结构部分与物理试验的物理子结构部分，应用本发明的试验方法进行实时混合试验的具体步骤如下。步骤一，数值子结构模型在Windows系统的计算机中仿真求解，并计算得到两个子结构之间接触面的动力响应，并将动力响应发送至实时硬件系统。步骤二，在实时硬件系统中设置信号采样周期，此信号采样周期与数值子结构仿真积分步长一致，实时硬件系统按照设定的采样周期从数值子结构接收动力响应。步骤三，实时硬件系统对离散的动力响应信号进行处理，并发送至试验子结构。步骤四，物理子结构的加载装置接收到信号后对试验试件进行加载，在试验试件上布置传感器测量试件的动力响应，并将信号反馈至实时硬件系统。步骤五，实时硬件系统接收到试验子结构的动力响应后，将信号按照设定的信号采样周期发送至数值子结构部分，试验子结构的反馈作为数值子结构的外荷载。

方案所述的Windows操作系统为当今应用最广泛的操作系统，用户群体众多，易用性好，软件兼容性强。但由于系统内核逻辑的原因，Windows操作系统不是实时系统，不能进行高精度的定时任务。也就是说，在实时混合试验中，直接使用Windows操作系统求解数值子结构时，每一步对数值模型的动力求解的时间不是固定不变的。

方案所述的实时硬件系统更多被应用于专业的嵌入式系统中，例如航空航天，工业控制，汽车电子等。其采用硬件逻辑，在系统内核层面实现高精度的任务调度，中断处理以及定时器等功能，由于硬件逻辑独立于处理器运行，不占用处理器的处理时间，因此具有较高的实时性。当使用实时硬件系统求解数值子结构模型时能保证每一步求解的时间固定不变。但由于当前实时硬件系统通常为商业产品，硬件性能固定，且实时硬件系统的软件兼容性较差，有限元分析软件、数值计算软件难以在实时硬件系统上运行。

方案所述的基于Windows操作系统求解数值模型，理论上实时混合试验中求解数值子结构的数值积分算法的积分步长应与求解耗时时间一致。由于Windows系统的原因，数值模型求解的所需的时间不固定，为此设置实时硬件系统的接收信号的采样周期大于Windows系统单步求解所需时间的最大值，实现发送至物理子结构加载系统的信号时间间隔固定。

在此设置实时系统硬件的信号采样周期应大于Windows系统单步求解数值模型所用时间的最大值。物理子结构的加载完成后的动力响应反馈回数值子结构时，先由实时硬件系统采集，再按照固定的时间步长发送至Windows操作系统。

方案所述的实时硬件对数值子结构信号处理是指对动力响应信号进行零阶保持或者一阶保持(线性插值)。已有发表的文献证明零阶保持有利于提高试验系统的稳定性。在大步长实时混合试验时，数值子结构的动力响应信号为离散的阶梯信号，进行一阶保持可以提升信号采样率。

在本发明中，物理子结构的加载形式以及实时混合试验的两子结构之间的位置关系与传统实时混合试验相同。物理子结构的加载装置可分为作动器加载、振动台加载及作动器-振动台加载等，试验试件的加载形式不影响本发明的应用。根据两子结构的位置关系，可分为上部物理子结构下部数值子结构、上部数值子结构下部物理子结构、物理子结构在数值子结构中间、数值子结构在物理子结构中间、多数值子结构、多物理子结构等，子结构的位置关系决定了实时混合试验的形式，不同的实时混合试验形式不影响本发明的应用。

在本发明中，基于Windows操作系统的计算机硬件性能理论上可以根据数值子结构求解的需求无限提升，实时硬件系统仅需完成信号采集与发送，及简单的信号处理等计算，对性能没有高要求。Windows操作系统的计算机与实时硬件系统上都需要配置好数据通讯的方式，实现动力响应信号的传输。

本发明提出的Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验系统，实现了在应用广泛、高性能的Windows系统电脑上完成数值子结构求解，不影响既有的数值模型求解软件的使用。通过实时硬件系统的设置收发信号的时间间隔大于Windows求解数值模型所需的时间，实现了基于Windows求解的数值子结构时间步长固定，满足实时混合试验的要求。

附图说明

以下图仅旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中图1为实时混合试验系统原理图，图中试验的整体模型被分为计算机求解的数值子结构部分与加载设备(以振动台为例)加载的物理子结构部分，旨在说明实时混合试验的原理。

图2为本发明中使用Windows操作系统求解数值模型单步耗时的示意图，图中细实线为模型单步求解耗时，粗点划线为硬件实时系统中设置的信号收发周期。

图3为使用Windows系统求解数值子结构时不使用实时硬件系统控制时间步长的效果图，此效果图仅作为示意使用，不代表设备的实际使用性能。

图4为基于Windows求解数值子结构模型与实时硬件系统结合的实时混合试验系统原理图。

图5为基于实时系统硬件对信号进行零阶保持或一阶保持的原理图，实时系统硬件的信号处理功能不限于零阶保持与一阶保持。

具体实施方式

为了本发明技术方案、发明目的和优点有更清楚的说明，以振动台作为物理子结构加载的实时混合试验为例，说明应用本发明开展实时混合试验的基本原理。振动台实时混合试验的方法仅作为说明示例，并非是限制本发明的应用范围。在具体实施方式说明中，省略对公知结构和技术的介绍，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合图1、图2、图3、图4、图5说明本发明在实时混合试验中的应用方式以及预期效果，图中相同部件采用相同的符号。

图1展示的是振动台加载物理子结构的实时混合试验的试验原理，图1左侧框中是传统的振动台试验图，标记1为地震荷载等外荷载激励输入，标记2为加载物理子结构的振动台系统，标记3为整体试验结构。在传统的振动台试验中振动台系统对试验结构施加地震动激励，测试试验结构在地震灾害下的动力响应。由于振动台尺寸以及出力性能的限制，无法满足大规模复杂结构试验的需求。图1右侧框图是上部物理子结构、下部数值子结构的振动台实时混合试验原理图，在实时混合试验中将试验的整体结构划分为在加载装置上加载的物理子结构(标号4)与在计算机中仿真的数值子结构(标号5)。实时混合试验开始时，地震荷载输入数值子结构中，计算机求解数值子结构并将两子结构交界面(标号6)处的动力响应(标号7)发送至物理子结构部分，物理子结构部分的加载设备收到数值子结构交界面的动力响应后对物理试件进行加载，通过传感器测量物理子结构的动力响应(标号8)后反馈至数值子结构。在每一个固定的时间步长内数值子结构与物理子结构实时交互，实现对整体结构性能的测试。理论上在试验系统稳定且能满足实时混合试验步长的条件下，可以对大规模复杂结构进行较精准的足尺建模，实现足尺试验。

实时混合试验中要求时间步长是固定步长，这要求数值子结构求解的时间步长是固定不变的。当使用例如Windows操作系统的计算机作为数值子结构求解硬件时，由于Windows系统内核与任务逻辑的原因，无法保证每一次计算的耗时是固定不变的如图2所示。以正弦波信号为例，当使用Windows操作系统直接向振动台加载系统发送加载指令时，由于发送信号的时间间隔不固定，会导致加载设备加载提前(如图3)或滞后，无法进行精确加载。因此进行实时混合试验时通常采用例如dSPACE、Speedgoat、Simulink xPC等高精度实时系统硬件来求解数值子结构，这些高精度实时硬件能保证每一步数值子结构求解的耗时波动远小于时间步长，可以实现在实时混合试验中数值子结构求解的时间固定，但是由于这类实时系统硬件通常为商业产品，且多用于嵌入式开发、汽车测试、工业控制等，硬件系统的性能通常较差，无法满足求解大规模数值子结构的性能要求。因此当研究模型复杂时无法直接使用实时硬件系统求解。而Windows操作系统的电脑应用广泛，有限元、数值计算软件众多，且硬件性能可以根据试验的需要进行拓展提升，相比高性能的实时硬件系统成本低廉。若能将基于Windows操作系统的计算机的高性能与实时系统硬件的高实时性相结合，可实现实时混合试验求解大规模复杂数值模型的需求。

为解决上述问题，本发明设计了基于Windows操作系统求解与实时系统硬件结合的实时混合试验系统，此实时混合试验系统的原理如图4所示。与传统实时混合试验的原理图不同的是，在此系统中数值子结构部分分为Windows系统求解数值子结构，以及实时硬件系统信号传输与信号处理，应用本发明进行实时混合试验的具体实施步骤如下。

步骤一，当实时混合试验开始时，在基于Windows操作系统的计算机中对数值子结构进行建模，建立动力求解方程，并输入地震动荷载，在数值模型求解之前添加与实时硬件系统通讯的接口，在此通讯可以使用反射内存卡通讯、光纤通讯、UDP网络通讯等高速通讯方法。当且仅当Windows求解数值模型接收到实时硬件系统发送来的物理子结构反馈时才开始运算，在数值模型求解时，应保证数值积分算法的步长大于单步求解的耗时(如图2)。在完成数值模型求解后，记录子结构界面的动力响应并发送数值子结构响应至实时硬件系统。

步骤二，在实时硬件系统中设置与Windows系统计算机通讯的模块，并设置接收与发送至Windows计算机信号的时间间隔，此时间间隔为数值子结构模型数值积分算法的积分步长(如图2)。

步骤三，通常物理子结构的加载时间频率为1kHz(信号采样周期为1ms)，当数值子结构求解的步长较大时(例如20ms)，离散性大的阶梯信号会使加载设备加载不准确，影响试验的稳定性与精度。为此，当实时硬件系统接收到数值子结构发送来的信号之后将对信号进行零阶保持或一阶保持等处理。以图5所示，输入的信号为周期为20ms的离散信号，输出为周期为1ms的离散信号。零阶保持是指当接收到信号后，将信号在一个数值子结构求解时间步长内始终不变地发送至物理子结构，如图5零阶保持。已有发表的成果表明，在实时混合试验中对数值子结构模型的动力响应信号进行零阶保持能提高试验系统的稳定性。一阶保持即线性插值，当接收到数值子结构响应后将当前时刻的响应与前一时刻的响应值作差，并按照加载设备的信号采样频率对信号进行插值，如图5一阶保持。此时加载设备接收到的信号相比未插值的信号更平顺，有利于提高加载设备的加载准确性，提升实时混合试验的精度。

步骤四，完成信号处理后的数值子结构响应信号采样频率与物理子结构加载系统的加载频率相同，加载设备接收到信号后对物理试件加载，并在试件上布置传感器测量物理试件的时程响应。

步骤五，物理子结构的动力响应采集后发送至实时系统硬件，实时系统硬件将物理子结构的动力响应反馈至数值子结构。数值子结构接收到物理子结构的动力响应后，将物理子结构的动力响应与地震激励一起作为数值模型的外荷载。由此闭环形成基于Windows求解与实时系统硬件信号处理相结合的实时混合试验系统。

本发明提供了一种基于Windows求解数值模型与实时系统硬件信号处理相结合实时混合试验方法，其可用于大规模复杂数值模型的实时混合试验，解决了因实时系统硬件计算性能不足的缺点，且通过对信号的处理提高了试验系统的稳定性和试验的精度。

本发明的实时混合试验方法在使用时，不限于本说明书提到的振动台加载以及上部为物理子结构，下部为数值子结构的实时混合试验。说明书中如此叙述是为了说明清楚起见，实时混合试验研究领域的技术人员应当把此说明书提到的方法作为一个案例理解，将本发明提到的基于非实时系统的Windows操作系统硬件与实时系统硬件相结合的方法作为本发明保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实时方法，并非限定本发明的应用范围，任何属于实时混合试验领域的技术人员，在不脱离本发明构思和原则的前提下所作的同等变化、修改与结合，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，其特征在于：该方法的实施步骤如下：步骤一，数值子结构模型在Windows系统的计算机中仿真求解，并计算得到两个子结构之间接触面的动力响应，并将动力响应发送至实时硬件系统；步骤二，在实时硬件系统中设置信号采样周期，此信号采样周期与数值子结构仿真积分步长一致，实时硬件系统按照设定的采样周期从数值子结构接收动力响应；步骤三，实时硬件系统对离散的动力响应信号进行处理，并发送至试验子结构；步骤四，物理子结构的加载装置接收到信号后对试验试件进行加载，在试验试件上布置传感器测量试件的动力响应，并将信号反馈至实时硬件系统；步骤五，实时硬件系统接收到试验子结构的动力响应后，将信号按照设定的信号采样周期发送至数值子结构部分，试验子结构的反馈作为数值子结构的外荷载；

当实时混合试验开始时，在基于Windows操作系统的计算机中对数值子结构进行建模，建立动力求解方程，并输入地震动荷载，在数值模型求解之前添加与实时硬件系统通讯的接口，在通讯过程中使用反射内存卡通讯、光纤通讯、UDP网络通讯高速通讯方法；当且仅当Windows求解数值模型接收到实时硬件系统发送来的物理子结构反馈时才开始运算，在数值模型求解时，应保证数值积分算法的步长大于单步求解的耗时；在完成数值模型求解后，记录子结构界面的动力响应并发送数值子结构响应至实时硬件系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，其特征在于：在实时硬件系统中设置与Windows系统计算机通讯的模块，并设置接收与发送至Windows计算机信号的时间间隔，此时间间隔为数值子结构模型数值积分算法的积分步长。

3.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，其特征在于：当实时硬件系统接收到数值子结构发送来的信号之后将对信号进行零阶保持或一阶保持处理；输入的信号为周期为20ms的离散信号，输出为周期为1ms的离散信号；零阶保持是指当接收到信号后，将信号在一个数值子结构求解时间步长内始终不变地发送至物理子结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，其特征在于：完成信号处理后的数值子结构响应信号采样频率与物理子结构加载系统的加载频率相同，加载设备接收到信号后对物理试件加载，并在试件上布置传感器测量物理试件的时程响应。

5.根据权利要求1所述的一种基于Windows系统与实时硬件系统相结合的实时混合试验方法，其特征在于：物理子结构的动力响应采集后发送至实时硬件系统，实时硬件系统将物理子结构的动力响应反馈至数值子结构；数值子结构接收到物理子结构的动力响应后，将物理子结构的动力响应与地震激励一起作为数值模型的外荷载；由此闭环形成基于Windows求解与实时硬件系统信号处理相结合的实时混合试验系统。