CN209820722U - 一种分离式混合试验系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种分离式混合试验系统，包括OpenSees数值子结构模块、MATLAB计算模块、ARM嵌入式控制器模块、数据采集模块、作动器加载系统和试验子结构模块。另外，还公开了一种分离式混合试验系统的试验方法。本实用新型将OpenSees、MATLAB和ARM嵌入式控制器相结合，实现了OpenSees与MATLAB之间的实时双向通信和MATLAB与ARM嵌入式控制器之间的实时双向通信的功能，解决了整体结构中OpenSees数值子结构模块数值仿真试验与试验子结构模块实物试验协同工作的问题，可实现减震结构的混合动力模拟地震试验。本实用新型还具有试验系统占地面积小、成本低、试验精度高、试验程序易于移植、试验系统易于控制的特点。

Description

一种分离式混合试验系统
技术领域
本发明涉及一种分离式混合试验系统，属于土木工程结构抗震试验技术领域。
背景技术
在土木工程结构抗震试验领域，传统的结构抗震试验方法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构件在真实地震作用下反应，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。从拟静力试验发展到拟动力试验，再到如今比较成熟的地震模拟振动台试验方法，虽然地震模拟振动台是现阶段最常用最能反映结构在地震作用下真实情况的人工模拟手段，但是多数都只能进行缩尺模型试验，然而现代建筑结构发展趋势是大型化、复杂化，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，而缩尺模型得出的试验结果不能完全准确的推算到真实试验结构上。并且振动台及配套设备价格和设计建造费用昂贵，导致振动台试验费用高、试验过程复杂。
混合试验是一种将数值模拟与物理试验相结合的新兴结构抗震试验方法，被相关研究者们认为是一种评估结构非线性部件和系统的先进试验方法。混合试验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，混合试验是将结构中不容易数值模拟的非线性较强或受力复杂构件作为试验子结构，在试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子结构，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，实现全结构在地震作用下的动力反应分析。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结构抗震试验研究中得到越来越多的应用。
而现有的混合试验系统多采用以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，MTS电液伺服加载系统来作为作动系统。其中OpenFresco主要是针对OpenSees软件开发的接口软件，只开发了几种常规的试验单元，缺少复杂特殊试验模型，这使得OpenSees数值仿真软件在混合试验系统中的应用受到了很大限制，MTS电液伺服加载系统属于大型的液压伺服系统，该系统对试验室的规模、试验设备能力、计算机的台数和性能以及各方面人员数量的配备要求都很高，且整个系统搭建复杂，其单一性和高成本使得混合试验系统造价过高，进而成为推广这种先进试验方法的主要障碍。
因此，减小试验成本，降低混合试验研究的门槛，让混合试验平台真正得到推广及应用成为燃眉之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种将OpenSees、MATLAB和ARM嵌入式控制器相结合，能够高效实现全结构混合试验的分离式混合试验系统。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种分离式混合试验系统，用于实现对待检测工程结构的结构抗震试验，包括OpenSees数值子结构模块、MATLAB 计算模块、ARM嵌入式控制模块、数据采集模块、作动器加载装置和试验子结构；
其中，试验子结构设置于待检测工程结构上，数据采集模块的采集端对接试验子结构，数据采集模块的输出端对接ARM嵌入式控制模块的输入端；OpenSees数值子结构模块与 MATLAB计算模块之间实时双向通信对接，MATLAB计算模块与ARM嵌入式控制模块之间实时双向通信对接，ARM嵌入式控制模块的输出端对接作动器加载装置，作动器加载装置的输出端对接试验子结构进行控制；
数据采集模块用于实时采集试验子结构的动力响应数据，并经ARM嵌入式控制模块实时上传至MATLAB计算模块；
OpenSees数值子结构模块用于建立待检测工程结构所对应的数值子结构模型，并基于来自MATLAB计算模块的激励信号，获得该数值子结构模型的响应信号，并向MATLAB计算模块发送；
MATLAB计算模块用于根据来自ARM嵌入式控制模块的动力响应数据，产生激励信号，并向OpenSees数值子结构模块发送；以及MATLAB计算模块根据来自OpenSees数值子结构模块的响应信号，获得相对应的控制信号命令，并向ARM嵌入式控制模块发送；其中，激励信号包括地震激励、以及试验子结构的反力；
ARM嵌入式控制模块用于根据来自MATLAB计算模块的控制信号命令，获得作动器加载控制信号命令，并向作动器加载装置发送；
作动器加载装置用于根据来自ARM嵌入式控制模块的作动器加载控制信号命令，针对试验子结构进行运动控制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述数据采集模块包括数据采集器、传感器组件、数据采集电压处理电路，其中，数据采集器为微控制器板载的ADC模块，传感器组件的采集端即为数据采集模块的采集端，传感器组件的采集端对接试验子结构，用于采集动力响应数据；传感器组件的输出端对接数据采集电压处理电路的输入端，数据采集电压处理电路的输出端对接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端即为数据采集模块的输出端，数据采集器的输出端对接所述ARM嵌入式控制模块的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述传感器组件包括位移传感器和拉压力传感器，位移传感器的采集端和拉压力传感器的采集端即为数据采集模块的采集端，位移传感器的采集端和拉压力传感器的采集端分别对接试验子结构，用于分别采集试验子结构的位移数据和拉压力数据，即动力响应数据，位移传感器的输出端和拉压力传感器的输出端即为传感器组件的输出端，位移传感器的输出端和拉压力传感器的输出端分别对接数据采集电压处理电路的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述ARM嵌入式控制模块包括ARM嵌入式主控制器和作动器电压加载模块，ARM嵌入式主控制器的输入端即为ARM嵌入式控制模块的输入端，所述数据采集模块的输出端对接ARM嵌入式主控制器的输入端，所述MATLAB计算模块与ARM嵌入式主控制器之间实时双向通信对接，ARM嵌入式主控制器的输出端对接作动器电压加载模块的输入端，作动器电压加载模块的输出端即为ARM嵌入式控制模块的输出端，作动器电压加载模块的输出端对接作动器加载装置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述作动器电压加载模块包括主控制器电压输出模块和作动器电压加载处理电路，所述ARM嵌入式主控制器的输出端对接主控制器电压输出模块的控制端，主控制器电压输出模块的输出端对接作动器电压加载处理电路的输入端，作动器电压加载处理电路的输出端对接作动器加载装置。
本发明所述一种分离式混合试验系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明所设计分离式混合试验系统，创新性地将OpenSees、MATLAB和ARM嵌入式控制器相结合，发挥了OpenSees在建筑结构建模中，试验单元库简单、恢复力模型丰富、开源便于开发的优势，发挥了MALAB矩阵运算功能强大、应用工具箱丰富、程序接口丰富的优势，发挥了ARM扩展功能多、外部接口丰富、低功耗、易于控制、控制精度高的优势，实现了OpenSees与MATLAB之间的实时双向通信和MATLAB与ARM嵌入式控制器之间的实时双向通信的功能，通过MATLAB计算模块解决了整体结构中OpenSees数值子结构模块数值仿真试验与试验子结构实物试验协同工作的问题，可实现减震结构的混合动力模拟地震试验，为试验子结构搭建减震抗震试验平台；
(2)本发明所设计分离式混合试验系统，根据作动器电压-力加载的特性自主研制作动器控制系统，可以根据不同试验工况要求进行试验加载调整，并且调节精度高，易于修改，可移植性强；
(3)本发明所设计分离式混合试验系统，能够进行不同结构不同材料的试验子结构的实时混合试验，并且能对不同结构不同材料的试验子结构进行疲劳试验测试其性能，使其应用范围大幅度提高，使得混合试验系统能够更广泛的推广及应用；
(4)本发明所设计分离式混合试验系统，搭建简单，造价低廉，试验过程费用低且易于控制等特点，并且对计算机的台数和性能以及试验人员数量的配备要求大幅度降低，使得实时混合试验系统能够更广泛的推广及应用，大幅度降低了混合试验研究的门槛。
附图说明
图1为本发明的分离式混合试验系统示意图；
图2为本发明的分离式混合试验系统结构框图；
图3为本发明的等效力反馈控制原理图；
图4为本发明的等效力反馈控制的内环力控制原理图；
图5为本发明的等效力反馈控制流程图；
图6为本发明的试验子结构混合试验与理论结果位移对比图
图7为本发明的试验子结构混合试验与理论结果速度对比图
图8为本发明的试验子结构混合试验与理论结果加速度对比图
其中，1.OpenSees数值子结构模块，2.MATLAB计算模块，3.ARM嵌入式控制模块，4.作动器加载装置，5.位移传感器，6.拉压力传感器，7.试验子结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种分离式混合试验系统，用于实现对待检测工程结构的结构抗震试验，如图1所示，包括OpenSees数值子结构模块、MATLAB计算模块、ARM嵌入式控制模块、数据采集模块、作动器加载装置和试验子结构。
如图2所示，分离式混合试验系统是以电动式激振器作为作动器加载装置(即整个系统的动力源)，实现对试验子结构激励信号的加载；以试验子结构为试验负载，实现在激励信号作用下的力响应和位移响应，并采用力传感器与位移传感器测量。
其中，试验子结构设置于待检测工程结构上，数据采集模块的采集端对接试验子结构，数据采集模块的输出端对接ARM嵌入式控制模块的输入端；OpenSees数值子结构模块与 MATLAB计算模块之间实时双向通信对接，MATLAB计算模块与ARM嵌入式控制模块之间实时双向通信对接，ARM嵌入式控制模块的输出端对接作动器加载装置，作动器加载装置的输出端对接试验子结构进行控制。
其中，OpenSees数值子结构模块与MATLAB计算模块之间的实时双向通信中，使用Tcl 脚本语言书写程序，通过读写文件的方式完成OpenSees与MATLAB的相互调用和数据通讯，实现OpenSees与MATLAB的实时双向数据通讯；或者通过Socket通信变量传输，使用Socket 命令建立OpenSees与MATLAB间的TCP/IP通讯地址，完成软件间的变量直接传输，实现 OpenSees与MATLAB的实时双向数据通讯。
MATLAB计算模块与ARM嵌入式控制模块之间额实时双向通信中，采用一种基于RS232 串口通讯协议的通讯方式，通过串口通讯实现MATLAB与ARM嵌入式控制模块的实时双向通讯；或者采用USB通信，可以通过API与外部程序接口，即Mex文件，来调用C语言程序实现MATLAB与ARM嵌入式控制模块的实时双向通讯。
数据采集模块用于实时采集试验子结构的动力响应数据，并经ARM嵌入式控制模块实时上传至MATLAB计算模块。其中，数据采集模块包括数据采集器、传感器组件、数据采集电压处理电路，其中，数据采集器为微控制器板载的ADC模块，传感器组件的采集端即为数据采集模块的采集端，传感器组件的采集端对接试验子结构，用于采集动力响应数据；传感器组件的输出端对接数据采集电压处理电路的输入端，数据采集电压处理电路的输出端对接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端即为数据采集模块的输出端，数据采集器的输出端对接所述ARM嵌入式控制模块的输入端。
传感器组件包括位移传感器和拉压力传感器，位移传感器的采集端和拉压力传感器的采集端即为数据采集模块的采集端，位移传感器的采集端和拉压力传感器的采集端分别对接试验子结构，用于分别采集试验子结构的位移数据和拉压力数据，即动力响应数据，位移传感器的输出端和拉压力传感器的输出端即为传感器组件的输出端，位移传感器的输出端和拉压力传感器的输出端分别对接数据采集电压处理电路的输入端。
具体实施中，所述位移传感器与拉压力传感器输出信号都是电压信号，具体大小分别是0V～10V，-5V～5V，STM32F767的ADC模块参考电压为3.3V，该ADC模块能够采集电压范围理论上不超过3.3V，先对传感器信号进行电压转换处理，利用数据采集电压处理电路把传感器的输出电压转化成ADC能够进行采集的电压范围，然后再进行ADC数据采集。
OpenSees数值子结构模块用于建立待检测工程结构所对应的数值子结构模型，并基于来自MATLAB计算模块的激励信号，获得该数值子结构模型的响应信号，并向MATLAB计算模块发送。
具体应用中，OpenSees数值子结构模块，在OpenSees上通过Tcl语言编写工程结构的数值子结构模型，建模内容包括：基本信息(维度及自由度)定义，节点定义，单元定义，材料定义，边界条件定义和加载方式定义。其结构类型可为：框架结构，框架剪力墙结构，剪力墙结构，其结构材料可为钢、混凝土、砌体。
MATLAB计算模块用于根据来自ARM嵌入式控制模块的动力响应数据，产生激励信号，并向OpenSees数值子结构模块发送；以及MATLAB计算模块根据来自OpenSees数值子结构模块的响应信号，获得相对应的控制信号命令，并向ARM嵌入式控制模块发送；其中，激励信号包括地震激励、以及试验子结构的反力。具体应用中，MATLAB计算模块中数值积分算法是采用平均加速度法、a-OS算法、中心差分法、Newmark-β法或Wilson-θ法。
ARM嵌入式控制模块用于根据来自MATLAB计算模块的控制信号命令，获得作动器加载控制信号命令，并向作动器加载装置发送。其中，ARM嵌入式控制模块包括ARM嵌入式主控制器和作动器电压加载模块，具体应用中，ARM嵌入式主控制器采用ARM Cortex-M7系列STM32F767微控制器作为系统的主控制器；整个系统以ARM嵌入式主控制器为控制核心，实现上下位机的数据通讯、传感器的数据采集以及采用PID控制器对激振器驱动控制的功能；ARM嵌入式主控制器的输入端即为ARM嵌入式控制模块的输入端，所述数据采集模块的输出端对接ARM嵌入式主控制器的输入端，所述MATLAB计算模块与ARM嵌入式主控制器之间实时双向通信对接，ARM嵌入式主控制器的输出端对接作动器电压加载模块的输入端，作动器电压加载模块的输出端即为ARM嵌入式控制模块的输出端，作动器电压加载模块的输出端对接作动器加载装置。
作动器电压加载模块包括主控制器电压输出模块和作动器电压加载处理电路，所述 ARM嵌入式主控制器的输出端对接主控制器电压输出模块的控制端，主控制器电压输出模块的输出端对接作动器电压加载处理电路的输入端，作动器电压加载处理电路的输出端对接作动器加载装置，具体实施中，作动器电压加载处理电路采用运算放大器设计，可以实现电压信号的反向放大以及加法电路功能。
作动器加载装置用于根据来自ARM嵌入式控制模块的作动器加载控制信号命令，针对试验子结构进行运动控制。
如图3所示，所述作动器加载装置的控制方式为等效力反馈控制，混合试验的积分算法选用平均加速度法，在离散时间上的运动方程及位移、速度表达式如下：
Mai+1+Cvi+1+RNdi+1+REdi+1＝Fi+1 (1)
其中，M、C分别为结构的质量矩阵和阻尼矩阵，通常为常量；RN为数值子结构反力向量；RE为非线性试验子结构反力向量；d、v、a分别为位移向量、速度向量、加速度向量，Δt为积分时间间隔，i为时间步长；F为外荷载向量；下标N表示该变量与数值子结构相关，E表示与试验子结构相关。
变换式(2)、式(3)得到第i+1步的速度和加速度的表达式为：
将式(4)、式(5)代入式(1)得：
RNdi+1+KPDdi+1+REdi+1＝FEQ,i+1 (6)
其中：
式(6)和式(7)中KPD是拟刚度矩阵，FEQ,i+1是每个加载周期内的等效力命令，其组成主要包括两部分，一是当前加载周期内外部激励力，二是根据该周期内的位移响应计算得到的拟动力效应。式(6)是关于变量di+1的非线性方程，另一方面也可以看作是一个关于等效力FEQ,i+1的平衡方程。由式(6)可以看出方程等式左侧是数值子结构的阻尼力RNdi+1，拟动力KPDdi+1和非线性试验子结构的试验反力REdi+1三部分相加，方程等式右侧可以看作是等效外力FEQ,i+1，该方程的解是在等效外力作用下等效力系统的位移di+1。
等效力控制方法采用的是闭环控制系统，即反馈控制的方法，控制使反馈力(等式左边)平稳渐近地趋于等效力(等式右边)。在每一个积分时间间隔Δt中，等效力命令FEQ,i+1和等效力反馈值F′EQ,i+1(t)的等效力差EEQ,i+1(t)通过等效力控制器以及力转化系数CF得到下一步的力命令在每一次加载周期接近结束时，当等效力反馈值F′EQ,i+1(t)能够无限逼近对应加载周期的等效力命令FEQ,i+1时，实际位移将无限趋近于目标位移di+1(t)，将成为式(6)的解。其中，CF为力分配系数，其作用相当于Newton迭代法中的Jacobian矩阵，力分配系数CF的取值如下所示：
其中，KN、KE分别为数值子结构和非线性试验子结构的初始刚度矩阵。
如图4所示，本发明的等效力反馈控制的内环力控制原理图，内环力控制是实现激振器每一步精确达到目标力，其实现过程如图4所示，其中r(k)为目标力值，c(k)为由力传感器测量出来的实际力值，计算出控制量输出值u(k)后，再根据试验得到的力系数，便可以得到控制电压信号输出值，DAC模块输出控制信号驱动激振器加载试验子结构；DAC模块输出控制实现，由作动器电压加载处理电路的反相放大器和加法电路配合DAC模块的双通道模式，来实现作动器正负拉力(需要输出正负电压)的控制，从而实现对作动器的控制。
作动器电压加载处理电路和数据采集电压处理电路的集中在一块电路板上，包括反相放大电路、加法运算电路和降压电路。由于每个DAC模块只能输出正电压，无法实现激振器正负拉力(需要输出正负电压)的控制，针对上述问题，本发明引入作动器电压加载处理电路配合DAC模块的双通道模式，从而实现对电动式激振器的控制。此时作动器电压加载处理电路功能需要包括对两路电压相加功能和对电压反向放大的功能。由于力传感器的信号输出包括正负电压(正电压表示压力，负电压表示拉力)，ADC模块只能识别正电压，因此需要利用加法运算电路将力信号和固定正电压相加后转化为可以识别的正电压，最后力信号和位移信号通过分压电路将信号压缩至ADC模块可以识别的电压范围内。
如图5所示，本发明的等效力反馈控制流程图，混合试验等效力反馈控制的实现步骤如下：
(1)在第i+1时间步长，MATLAB计算模块将第i步的位移加载到OpenSees数值子结构模块得到数值子结构反力，并将数值子结构反力和第i步的位移、速度、加速度代入运动平衡方程，计算第i+1步的等效力命令，并发送给ARM嵌入式控制器；
(2)ARM嵌入式控制器根据力传感器与位移传感器采集到的数据并处理后，将位移、速度代入运动方程计算得出实际等效力反馈值，与等效力命令的差值ek，判断等效力偏差是否小于允许误差范围，大于则执行步骤(3)，小于则执行步骤(5)；
(3)ARM嵌入式控制器通过一系列等效力偏差ek(k＝0,1,2,...)和u0计算出uk，接着由力转化系数计算出力命令，并转化为电压控制信号，利用板载的IO口将电压信号传至功率放大器，使电动式作动器工作对试验子结构产生作用力，通过内环力控制器实现力命令；
(4)试验子结构达到目标力命令后，重复步骤(2)至(3)；
(5)将ARM嵌入式控制器采集的第i步试验子结构力和位移通过ARM嵌入式控制器串口通讯模块传递至MATLAB，计算得出位移、速度、加速度，令i＝i+1；
(6)重复步骤(1)至(5)，直到试验结束。
基于上述所设计分离式混合试验系统技术方案，本发明还进一步设计了分离式混合试验系统的试验方法，试验过程中首先初始化将试验子结构设置于待检测工程结构上，并由所述OpenSees数值子结构模块建立待检测工程结构所对应的数值子结构模型，再根据预设初始激励信号，获得该数值子结构模型的当前响应信号，以及初始化当前循环次数n＝1，然后执行如下步骤，评估待检测工程结构的减震抗震性能；其中，初始激励信号包括地震激励、以及试验子结构的反力。
步骤A.OpenSees数值子结构模块将当前响应信号发送至所述MATLAB计算模块中，并进入步骤B。
步骤B.MATLAB计算模块根据当前响应信号，计算获得当前控制信号命令，并发送至所述ARM嵌入式控制模块中，然后进入步骤C。
步骤C.ARM嵌入式控制模块根据当前控制信号命令，更新获得当前作动器加载控制信号命令，并向所述作动器加载装置发送，然后进入步骤D。
上述步骤C中，ARM嵌入式主控制器接收当前控制信号命令，计算获得当前电压控制信号，并发送至主控制器电压输出模块中；由主控制器电压输出模块根据当前电压控制信号，采用两路DAC电压输出法或两路PWM电压输出法，产生对应的当前电压输出，并发送至作动器电压加载处理电路中；作动器电压加载处理电路根据当前电压输出，产生当前作动器加载控制信号，并向所述作动器加载装置发送。
对于上述主控制器电压输出模块所采用的两路DAC电压输出法或两路PWM电压输出法来说，其中，两路DAC电压输出法实施过程中，其中一路经过作动器电压加载处理电路的反向放大器转化为负电压，再将两路电压经作动器电压加载处理电路中加法电路整合输出正负电压，从而实现对作动器正负拉力的控制。
另一种两路PWM电压输出法实施中，其中一路经过作动器电压加载处理电路的反向放大器转化为负电压，再将两路电压经作动器电压加载处理电路中加法电路整合输出正负电压，从而实现对作动器正负拉力的控制。
步骤D.作动器加载装置根据当前作动器加载控制信号，针对所述试验子结构进行运动控制，并进入步骤E。
步骤E.判断n是否等于N，是则停止试验，否则进入步骤F；其中，N表示预设最大试验循环次数。
步骤F.数据采集模块采集试验子结构的动力响应数据，并经ARM嵌入式控制模块上传至MATLAB计算模块中，然后进入步骤G。
上述步骤F中，所述位移传感器和拉压力传感器分别采集试验子结构的位移数据和拉压力数据，并分别上传至数据采集电压处理电路中进行处理，数据采集电压处理电路将处理后的位移数据和拉压力数据发送至数据采集器，然后由数据采集器将所接收到的位移数据和拉压力数据发送至ARM嵌入式控制模块，最后经ARM嵌入式控制模块上传至MATLAB计算模块中。
步骤G.MATLAB计算模块根据动力响应数据，计算获得新激励信号，更新为当前激励信号，并发送至OpenSees数值子结构模块中，然后进入步骤H；其中，当前激励信号包括地震激励、以及试验子结构的反力。
步骤H.OpenSees数值子结构模块根据当前激励信号，更新该数值子结构模型的当前响应信号，并返回步骤A。
将上述所设计分离式混合试验系统及试验方法，应用于实际当中，数值子结构的刚度矩阵和阻尼矩阵分别为KN、CN，试验子结构的刚度和阻尼分别为KE、CE，单自由度框架结构的质量矩阵为M，不考虑试验子结构质量对混合试验的影响。其中具体参数值为： M＝5×102kg，KN＝4.93×105N/m，CN＝1.57×103Ns/m，阻尼比ξ＝0.05，KE＝2.01×105N/m， CE＝2.87×103Ns/m，整个结构的自振周期T＝0.2s，本次试验时输入的地震波是El Centro波，加速度峰值为50gal，地震作用时间为10s，时间步长0.02s。
单自由度框架结构加粘弹性阻尼器的理论解采用PC-Newmark算法，理论解的计算对于粘弹性阻尼器的模拟采用等效刚度和等效阻尼的方法，单自由度框架结构在地震作用下试验子结构混合试验与理论结果对比如图6～图8所示。加阻尼器单自由度结构在地震作用下的混合试验位移最大值为0.748mm，最小值为-0.574mm，理论解位移最大值为0.558mm，最小值为-0.432mm，绝对误差最大值为0.190，位移误差的标准差为0.061；速度最大值为24.0mm/s，最小值为-22.4mm/s，理论解速度最大值为16.6mm/s，最小值为15.8mm/s，绝对误差最大值为7.4，速度误差的标准差为2.2；加速度最大值为0.939m/s2，最小值为 -0.889m/s2，理论解加速度最大值为0.700m/s2，最小值为-0.594m/s2，绝对误差最大值为 0.295，加速度误差的标准差为0.081；由上述分析可知加阻尼器单自由度结构在地震作用下的混合试验解与理论解在峰值处误差最大，从图6-图8中可看出混合试验要大于理论结果，由于粘弹性阻尼器是速度相关型阻尼器，其等效刚度随加载频率减小而减小，导致试验过程中粘弹性阻尼器等效刚度偏小，因此试验结果会大于理论结果。从图6-图8中可看出混合试验与理论结果基本保持一致，且误差的标准差较小，说明了混合试验解与理论解总体偏差较小，验证了所建立的混合试验系统数据通信可靠，能够较好地完成基于粘弹性阻尼器的混合试验，试验结果和理论分析结果吻合较好，验证了所设计混合试验系统的有效性和可靠性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种分离式混合试验系统，用于实现对待检测工程结构的结构抗震试验，其特征在于：包括OpenSees数值子结构模块、MATLAB计算模块、ARM嵌入式控制模块、数据采集模块、作动器加载装置和试验子结构；
其中，试验子结构设置于待检测工程结构上，数据采集模块的采集端对接试验子结构，数据采集模块的输出端对接ARM嵌入式控制模块的输入端；OpenSees数值子结构模块与MATLAB计算模块之间实时双向通信对接，MATLAB计算模块与ARM嵌入式控制模块之间实时双向通信对接，ARM嵌入式控制模块的输出端对接作动器加载装置，作动器加载装置的输出端对接试验子结构进行控制；
数据采集模块用于实时采集试验子结构的动力响应数据，并经ARM嵌入式控制模块实时上传至MATLAB计算模块；
OpenSees数值子结构模块用于建立待检测工程结构所对应的数值子结构模型，并基于来自MATLAB计算模块的激励信号，获得该数值子结构模型的响应信号，并向MATLAB计算模块发送；
MATLAB计算模块用于根据来自ARM嵌入式控制模块的动力响应数据，产生激励信号，并向OpenSees数值子结构模块发送；以及MATLAB计算模块根据来自OpenSees数值子结构模块的响应信号，获得相对应的控制信号命令，并向ARM嵌入式控制模块发送；其中，激励信号包括地震激励、以及试验子结构的反力；
ARM嵌入式控制模块用于根据来自MATLAB计算模块的控制信号命令，获得作动器加载控制信号命令，并向作动器加载装置发送；
作动器加载装置用于根据来自ARM嵌入式控制模块的作动器加载控制信号命令，针对试验子结构进行运动控制。
2.根据权利要求1所述一种分离式混合试验系统，其特征在于：所述数据采集模块包括数据采集器、传感器组件、数据采集电压处理电路，其中，数据采集器为微控制器板载的ADC模块，传感器组件的采集端即为数据采集模块的采集端，传感器组件的采集端对接试验子结构，用于采集动力响应数据；传感器组件的输出端对接数据采集电压处理电路的输入端，数据采集电压处理电路的输出端对接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端即为数据采集模块的输出端，数据采集器的输出端对接所述ARM嵌入式控制模块的输入端。
3.根据权利要求2所述一种分离式混合试验系统，其特征在于：所述传感器组件包括位移传感器和拉压力传感器，位移传感器的采集端和拉压力传感器的采集端即为数据采集模块的采集端，位移传感器的采集端和拉压力传感器的采集端分别对接试验子结构，用于分别采集试验子结构的位移数据和拉压力数据，即动力响应数据，位移传感器的输出端和拉压力传感器的输出端即为传感器组件的输出端，位移传感器的输出端和拉压力传感器的输出端分别对接数据采集电压处理电路的输入端。
4.根据权利要求1所述一种分离式混合试验系统，其特征在于：所述ARM嵌入式控制模块包括ARM嵌入式主控制器和作动器电压加载模块，ARM嵌入式主控制器的输入端即为ARM嵌入式控制模块的输入端，所述数据采集模块的输出端对接ARM嵌入式主控制器的输入端，所述MATLAB计算模块与ARM嵌入式主控制器之间实时双向通信对接，ARM嵌入式主控制器的输出端对接作动器电压加载模块的输入端，作动器电压加载模块的输出端即为ARM嵌入式控制模块的输出端，作动器电压加载模块的输出端对接作动器加载装置。
5.根据权利要求4所述一种分离式混合试验系统，其特征在于：所述作动器电压加载模块包括主控制器电压输出模块和作动器电压加载处理电路，所述ARM嵌入式主控制器的输出端对接主控制器电压输出模块的控制端，主控制器电压输出模块的输出端对接作动器电压加载处理电路的输入端，作动器电压加载处理电路的输出端对接作动器加载装置。
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