[发明专利]一种利用传递函数实现混合试验的方法

说明书

本发明涉及一种利用传递函数实现混合试验的方法，包括先建立有限元模型，利用有限元分析软件生成两段白噪声时程x(t)与e(t)，将所生成的白噪声时程保存并转化成有限元软件识别的文件格式和采样步长，x(t)、e(t)以位移激励、力激励的形式加载到有限元模型中，记录因位移激励、力激励所得到的位移响应r₁(t)、r₂(t)，拟合出G₁与G₂，并放入到Simulink模型当中进行叠加运算得到G，编译成可执行文件；将可执行文件放入控制器的上位机中，播放地震波时程，混合试验开始。本发明能够以简单的传递函数替代复杂的线性有限元仿真模型，从而在保证试验效果的情况下可简化混合试验模型，极大地降低模型对实时平台的性能要求，节约成本。

技术领域

本发明涉及一种利用传递函数实现混合试验的方法，属于实时混合试验振动台技术领域。

背景技术

实时混合试验(以下简称混合试验)应用于土木领域，混合试验即一部分为物理试验子结构，由加载系统执行；另一部分为数值子结构，数值子结构在计算机当中运行，将物理试件上传感器的信号传输给数值模型，在一个仿真步长内数值模型计算出其命令并输出给加载系统，作用在物理试件上，完成闭环的交互仿真。混合试验的相关原理以及介绍可参见大连理工大学土木工程学院的何政在2012年11月25日发表的《OpenSees混合模拟试验技术发展与应用》。

目前土木的混合试验大多需要由Windows上位机、实时目标机和控制器组成。其计算平台价格相对高昂，闭环回路信号传输复杂，原因在于有限元数值模型(简称有限元模型)和信号处理算法需要分别在上位机和实时目标机运行。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种利用传递函数实现混合试验的方法，具体技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种利用传递函数实现混合试验的方法，以及利用传递函数在控制器(混合试验控制器的简称)中实现混合试验的方法。其主要包括：有限元建模、白噪声位移激励辨识、白噪声力激励辨识、传递函数拟合、传递函数叠加等内容。

有限元建模，为利用混合试验中常用的有限元建模软件OpenSees，建立目标的数值子结构模型。建模需要确定混合试验当中的数值子结构和物理子结构的切分面；确定有限元当中节点的位置、质量；确定有限元模型中的元素中材料的刚度、阻尼及方向；确定加载的地震波。所述数值子结构，在混合试验中有两个输入和一个输出，一个输入为地震波的位移输入，也称位移激励；一个为力输入，为物理子结构的反馈力，也称力激励。

在传递函数拟合模块中，传递函数拟合为利用Matlab软件，根据对应的输入、输出进行传递函数的拟合。

白噪声位移激励辨识，是在无其他激励的情况下，是将生成的白噪声地震波时程加载到有限元模型中的对应节点上，收集其切分面节点的位移响应。根据白噪声地震波的位移激励时程和切分面节点的位移响应拟合成位移激励传递函数G₁，此传递函数表达了有限元模型中位移激励对切分面节点的位移作用关系。

白噪声力激励辨识，是在无其他激励的情况下，将生成的力的白噪声以节点力输入的形式作用到数值子结构的切分面节点上，收集其切分面节点的位移响应。根据白噪声的力激励时程和切分面节点的位移响应拟合成力激励传递函数G₂，此传递函数表达了有限元模型节点的力激励对切分面节点的位移的作用关系。

传递函数叠加，是将先前步骤拟合好的位移激励传递函数G₁、力激励传递函数G₂直接相加，即为最终与有限元模型等效的传递函数G。

G＝G₁+G₂。

本发明在进行混合试验时，将编译好的可执行文件导入到混合试验的控制器中，由控制器进行运算，模型的输入为地震波的位移激励与物理试件的反作用力，模型的输出为作用在作动器上的位移指令。