一種matlab-stm32混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
【專利說(shuō)明】-種MATLAB-STM32混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的將計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真試驗(yàn)與實(shí)物物 理試驗(yàn)相結(jié)合的混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)一些工程結(jié)構(gòu)主要采用的試驗(yàn)方法有擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力 試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)通過(guò)作動(dòng)器對(duì)試件施加事先定義的位移，從而獲得試件基 本信息，如剛度、承載力、變形和耗能能力等。該方法操作簡(jiǎn)便且結(jié)果容易比較分析，但是這 種方法不能反映由于應(yīng)變速率引起的試件反力的變化，因而該方法不能用于研宄速度甚至 加速度相關(guān)型構(gòu)件的性能。擬動(dòng)力試驗(yàn)方法將計(jì)算機(jī)與加載作動(dòng)器結(jié)合，通過(guò)試驗(yàn)方法求 解動(dòng)力方程，模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)在真實(shí)荷載作用下的響應(yīng)。但其每一步加載都是擬靜力的， 這對(duì)于各類速度相關(guān)型構(gòu)件(如各類耗能支撐、減振器）顯然不能滿足要求，未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) (或快速）加載，必然導(dǎo)致不能真實(shí)反映構(gòu)件的性能。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)工程結(jié)構(gòu)施加真 實(shí)荷載記錄而獲得結(jié)構(gòu)在荷載下的響應(yīng)。該方法可以直接研宄工程結(jié)構(gòu)在真實(shí)荷載下的反 應(yīng)和破壞機(jī)理，被認(rèn)為是目前研宄工程結(jié)構(gòu)抗震(振)性能最準(zhǔn)確的手段。然而，由于臺(tái)面尺 寸、工作空間的限制，常常需要將結(jié)構(gòu)壓縮成小比例模型開(kāi)展有關(guān)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)因壓縮其動(dòng)力 性能往往會(huì)失真。
[0004] 混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)是在擬動(dòng)力試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是一種子結(jié)構(gòu)試 驗(yàn)技術(shù)，將工程結(jié)構(gòu)分為兩大部分：取結(jié)構(gòu)中局部非線性較強(qiáng)或受力復(fù)雜的部分作為試驗(yàn) 單元，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行物理性能試驗(yàn)；將結(jié)構(gòu)中線性部分或受力簡(jiǎn)單的部分作為數(shù)值 計(jì)算單元，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)；通過(guò)高性能計(jì)算機(jī)將兩者進(jìn)行集成協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整 體結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)。這樣不僅可以大大減小試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊?guī)模，降低了試驗(yàn)難度和試驗(yàn)成本， 而且減少了控制自由度的個(gè)數(shù)，可以用較少的作動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)精度。該項(xiàng)技術(shù) 在大型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力試驗(yàn)研宄中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。
[0005] 對(duì)于實(shí)現(xiàn)混合試驗(yàn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：（1)數(shù)值單元和試驗(yàn) 單元的建立，做好混合試驗(yàn)的前提就是選擇最優(yōu)的方案劃分試驗(yàn)單元和數(shù)值單元。（2)穩(wěn) 定的數(shù)值積分算法，混合試驗(yàn)所使用的數(shù)值積分算法不僅決定了試驗(yàn)積分步長(zhǎng)所耗用時(shí) 間，更為關(guān)鍵的是直接影響試驗(yàn)的穩(wěn)定性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。（3)與有限元軟件的通 信，在利用通用有限元軟件對(duì)數(shù)值單元進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)如何實(shí)現(xiàn)與混合試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交 換，并保證數(shù)據(jù)的傳送及時(shí)準(zhǔn)確，這些很大程度上都依賴于所開(kāi)發(fā)的接口程序。（4)試驗(yàn) 加載設(shè)備的硬件支持，混合試驗(yàn)特別是實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)對(duì)諸多方面都要求很高，需要時(shí)通訊 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。特別是作動(dòng)器的性能和通訊延時(shí)情況，是能否實(shí)現(xiàn)快速甚 至實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)典型的混合試驗(yàn)系統(tǒng)中多以O(shè)penSees作為數(shù)值仿真軟件， OpenFresco作為OpenSees與硬件通信和控制的接口軟件，電液伺服作動(dòng)器及其控制系統(tǒng) 來(lái)作為試驗(yàn)單元。其中OpenSees軟件主要適用于土木工程結(jié)構(gòu)的建模與仿真，這使得在其 他領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。OpenFresco主要是針對(duì)OpenSees軟件開(kāi)發(fā)的接口軟件，這使得 其他數(shù)值仿真軟件在混合試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。而且，電液伺服系統(tǒng)關(guān)鍵零部件 包括：液壓油源、電液伺服閥、液壓作動(dòng)缸、伺服控制器和控制系統(tǒng)。這些都使得該混合試驗(yàn) 系統(tǒng)造價(jià)成本高，系統(tǒng)搭建復(fù)雜，以及它多領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對(duì)傳統(tǒng)的混合試驗(yàn)系統(tǒng)中電液伺服作動(dòng)器的單一性及高成本、混合 動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)造價(jià)過(guò)高和應(yīng)用領(lǐng)域受限等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種新型系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn) 的MATLAB-STM32混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，使得混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)能夠更廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明還 提供一種基于上述MATLAB-STM32混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法。
[0007] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種MATLAB-STM32混合動(dòng)力試驗(yàn)系 統(tǒng)，包括MATLAB數(shù)值計(jì)算單元、數(shù)據(jù)通信模塊、STM32嵌入式控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和試 驗(yàn)單元，其中STM32嵌入式控制模塊包括STM32嵌入式控制器和伺服電機(jī)；所述MATLAB數(shù) 值計(jì)算單元通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊與STM32嵌入式控制器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，MTLAB數(shù)值計(jì)算 單元計(jì)算試驗(yàn)單元?jiǎng)恿憫?yīng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)絊TM32嵌入式控制器，STM32嵌入 式控制器將反映試驗(yàn)單元工作的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為MATLAB數(shù)值計(jì)算單元可識(shí)別的信號(hào)，并通 過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)組ATLAB數(shù)值計(jì)算單元；所述STM32嵌入式控制模塊與試驗(yàn)單元連 接，STM32嵌入式控制器產(chǎn)生PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)試驗(yàn)單元工作；所 述試驗(yàn)單元與數(shù)據(jù)采集模塊連接，所述數(shù)據(jù)采集模塊與STM32嵌入式控制器連接，數(shù)據(jù)采 集模塊采集試驗(yàn)單元工作產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)并傳輸至STM32嵌入式控制器。
[0008] 所述MATLAB數(shù)值計(jì)算單元將激勵(lì)信號(hào)和試驗(yàn)單元工作響應(yīng)信號(hào)加設(shè)到工程結(jié)構(gòu) 計(jì)算模型中進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到的試驗(yàn)單元?jiǎng)恿憫?yīng)包括位移響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速 度響應(yīng)中的一種或多種。
[0009] 所述數(shù)據(jù)通信模塊應(yīng)用MTLAB支持的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)MTLAB與STM32嵌入式控制 器之間的實(shí)時(shí)雙向通信。
[0010] 所述試驗(yàn)單元包括減震器、非線性桿件或耗能支撐。
[0011] 所述數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)單元運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)，包括速度、位移、力 和應(yīng)變中的一種或多種。
[0012] 本發(fā)明還提出一種MATLAB-STM32混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，包括如下步驟： 1) MATLAB數(shù)值計(jì)算單元在MATLAB計(jì)算環(huán)境中搭建工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，根據(jù)數(shù)值模 型上施加的激勵(lì)信號(hào)和初始化的響應(yīng)信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并依據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算出 試驗(yàn)單元的動(dòng)力響應(yīng)； 2) MATLAB數(shù)值計(jì)算單元通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊將試驗(yàn)單元?jiǎng)恿憫?yīng)傳輸?shù)絊TM32嵌入式 控制器，即采用MATLAB支持的通信協(xié)將MATLAB數(shù)值計(jì)算單元計(jì)算出的試驗(yàn)單元?jiǎng)恿憫?yīng) 值傳輸給STM32嵌入式控制器，實(shí)現(xiàn)MATLAB和STM32的數(shù)據(jù)同步與實(shí)時(shí)通信； 3) STM32嵌入式控制模塊根據(jù)MATLAB數(shù)值計(jì)算單元計(jì)算得出的試驗(yàn)單元?jiǎng)恿憫?yīng)確 定伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的PWM控制信號(hào)，并實(shí)時(shí)地將PWM控制信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)帶 動(dòng)試驗(yàn)單元工作； 4) 數(shù)據(jù)采集模塊利用傳感器實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)單元運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)，并反饋給 STM32嵌入式控制器； 5) STM32嵌入式控制器將數(shù)據(jù)采集模塊反饋的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為MTLAB數(shù)值計(jì)算單元可 識(shí)別的信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊傳回到MTLAB數(shù)值計(jì)算單元； 6) MATLAB數(shù)值計(jì)算單元根據(jù)接收到的試驗(yàn)單元工作響應(yīng)信號(hào)和程序施加的激勵(lì)信號(hào) 計(jì)算下一時(shí)刻的試驗(yàn)單元?jiǎng)恿憫?yīng)； 7) 重復(fù)執(zhí)行步驟2)-步驟6)，直至激勵(lì)信號(hào)結(jié)束。
[0013] 有益效果：本發(fā)明創(chuàng)新性的將MATLAB與STM32嵌入式控制器相結(jié)合，發(fā)揮了 STM32配置豐富靈活、低功耗、易于控制、控制精度高的優(yōu)勢(shì)；實(shí)現(xiàn)了 MATLAB和STM32嵌入 式控制器之間的實(shí)時(shí)雙向通信問(wèn)題，解決了工程結(jié)構(gòu)MATLAB數(shù)值計(jì)算單元數(shù)值仿真試驗(yàn) 與試驗(yàn)單元實(shí)物試驗(yàn)協(xié)同工作；并且解決了傳統(tǒng)混合試驗(yàn)系統(tǒng)中電液伺服作動(dòng)器的單一性 及高成本、混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)造價(jià)過(guò)高和應(yīng)用領(lǐng)域受限的問(wèn)題。
[0014] 與傳統(tǒng)的純實(shí)物試驗(yàn)相比，本發(fā)明不需再建造工程結(jié)構(gòu)的完整實(shí)物模型，只需部 分裝置、器件或單元的實(shí)物模型，因此大大降低了試驗(yàn)成本，同時(shí)該系統(tǒng)還具有體積小，精 度高，方便操作等突出優(yōu)點(diǎn)；與傳統(tǒng)的純數(shù)值模型試驗(yàn)相比，本發(fā)明對(duì)非線性強(qiáng)、性能尚不 明確的裝置、器件或單元采用了實(shí)物模型進(jìn)行試驗(yàn)，避免了數(shù)值仿真分析中由于實(shí)物單元 數(shù)學(xué)模型描述不準(zhǔn)確而帶來(lái)的誤差，因此結(jié)果更準(zhǔn)確、更可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的MATLAB-STM32混合動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為二層鋼框架結(jié)構(gòu)模型示意圖； 圖3為真實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)圖； 圖4為正弦激勵(lì)荷載下框架第一自由度數(shù)值解和試驗(yàn)解對(duì)比圖，圖4 (a)為正弦荷載 作用下第一自由度方向位移數(shù)值解和試驗(yàn)解對(duì)比圖，圖4 (b)為正弦荷載作用下試驗(yàn)子結(jié) 構(gòu)沿第一自由度方向反力數(shù)值解和試驗(yàn)解對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各 種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0017] MATLAB-STM32混合