[发明专利]基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，包括RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器、三分力仪、编码器、伺服系统，RTOS系统依次连接数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器，数据采集处理器的输入端与三分力仪、编码器相连，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接，运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与伺服系统相连，其中：

RTOS系统为实时操作系统，用于保证数据采集、数据处理、以及运动响应的实时性；

数据采集处理器用于获得试验试件的受力信息、以及运动信息；

数值模拟运算器用于根据设定的模拟立管模型的性能参数建立立管的物理模型，并将接收自数据采集处理器的受力信息和运动信息加载到立管的物理模型上，计算下一个采样周期内的试件运动目标信息；

运动控制器用于向伺服系统发出运动指令，并根据试件运动目标信息发出控制指令，其中，运动指令用于指挥涡激振动实验装置的拖车以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，控制指令用于指挥伺服系统完成目标运动。

2.根据权利要求1所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，还包括与RTOS系统相连接的显示器，其中，显示器用于实时显示实验试验运动与受力情况。

3.根据权利要求1所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，数值模拟运算器在将接收自数据采集处理器的受力信息和运动信息加载到立管的物理模型上之前，先对受力信息进行滤波、降噪处理，具体地：

对受力信息进行滤波、降噪处理，从而保留受力信息中的流体力信息、以及试件惯性力信息；然后根据运动信息中的试件加速度运动信息，结合试件本身的固定的结构信息，从而去除受力信息中的试件惯性力信息，仅保留试件所受的流体力信息，并将流体力信息作为激励信号加载于立管的物理模型上。

4.根据权利要求3所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，数值模拟运算器计算下一个采样周期内的试件运动目标信息的具体方式为，数据经过滤波之后，利用Newmark-β方法，根据t时刻的位移y(t_n)、速度加速度以及水动力F_fluid(t_n)求解试件下一时刻的运动信息：

y(t_n+1)=Q(t_n/)(Ma₀+Ca_i+K)

y..(tn+1)=a0(y(tn+1)-y(tn))-a2y.(tn)-a3y..(tn)]]>

y.(tn+1)=y.(tn)+a6y..(tn)+a7y..(tn+1)]]>

其中，

Q(tn)=Ffluid(tn)+M(a0yn+a2y.n+a3y..n)+C(a1yn+a4y.n+a5y..n),]]>

a0=1βΔt2,]]>a1=γβΔt,]]>a2=1βΔt,]]>a3=12β-1,]]>

a4=γβ-1,]]>a5=Δt2(γβ-2),]]>a₆=△t(1-γ),a₇=γΔt，

y(t_n+1)为下一时刻的位移，为下一时刻的速度，为下一时刻的加速度，M为实验试件模拟质量，C为实验试件模拟阻尼，K为实验试件模拟刚度，β和γ为一常数，用于调节计算精度和稳定性，△t为实时控制系统的控制时间步长。