專利名稱：實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)效果的頻域評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)基于頻域分析的評(píng)價(jià)方法，用于計(jì)算實(shí)時(shí)混合模擬的時(shí)滯并評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)混合模擬的試驗(yàn)效果，同時(shí)可以比較實(shí)時(shí)混合模擬的不同算法和補(bǔ)償方法的優(yōu)劣。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法包括擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)及地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等。擬靜力試驗(yàn)是按照一定的荷載或變形控制方式，對(duì)試件進(jìn)行反復(fù)的低周加載，使試件逐漸從彈性階段過渡至破壞，其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，但不能全面地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。擬動(dòng)力試驗(yàn)可以將計(jì)算機(jī)的計(jì)算控制與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)合在一起，同時(shí)在擬動(dòng)力試驗(yàn)中可以采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)以達(dá)到節(jié)約成本的目的。由于試驗(yàn)在較大的時(shí)間尺度內(nèi)進(jìn)行，可以很容易的得到結(jié)構(gòu)在不同荷載下的反映，但缺點(diǎn)是大時(shí)間尺度內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)不僅不能反映速度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變速率效應(yīng)。地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是目前最準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)方法，但由于振動(dòng)臺(tái)的高昂造價(jià)和承載能力的限制，在進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)往往需要對(duì)模型進(jìn)行縮尺，尺寸效應(yīng)會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不同程度的影響，同時(shí)振動(dòng)臺(tái)只能處理地面振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，而無法反映其他類型，如風(fēng)荷載的影響。實(shí)時(shí)混合模擬是在擬動(dòng)力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該試驗(yàn)方法采用作動(dòng)器實(shí)時(shí)加載，從而在保留擬動(dòng)力試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服擬動(dòng)力試驗(yàn)不能反映速度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響的問題。積分算法和時(shí)滯補(bǔ)償是溝通數(shù)值子結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，在實(shí)時(shí)混合模擬過程中，積分算法在前一步的恢復(fù)力和外力的基礎(chǔ)上求得作動(dòng)器下一步的計(jì)算位移。由于系統(tǒng)誤差，作動(dòng)器總是不能實(shí)時(shí)地達(dá)到預(yù)定的位移，而是存在一個(gè)“時(shí)滯”，該時(shí)滯相當(dāng)于對(duì)結(jié)構(gòu)增加一個(gè)負(fù)阻尼，如果不能進(jìn)行合理的補(bǔ)償，會(huì)對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性有很大的影響，時(shí)滯補(bǔ)償?shù)哪康氖菍?duì)計(jì)算位移做某種修正得到指令位移，指令位移經(jīng)過作動(dòng)器的時(shí)滯延遲之后得到的測(cè)量位移與計(jì)算位移相同。目前對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的評(píng)價(jià)方法都是在時(shí)域上進(jìn)行的，時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)具有計(jì)算簡(jiǎn)單、物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，但存在只能從某一個(gè)方面(如位移誤差或能量誤差)來描述試驗(yàn)的效果的缺點(diǎn)，很難反映輸入與輸出的時(shí)間誤差，從而不能全面地反映試驗(yàn)效果。同時(shí)，不同的算法和補(bǔ)償方法的優(yōu)劣性也難以比較。本發(fā)明即針對(duì)上述問題展開。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服傳統(tǒng)的時(shí)域評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)混合模擬效果的不足，本發(fā)明從頻域的角度出發(fā)，提出了一種實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)效果的頻域評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的試驗(yàn)誤差和時(shí)滯進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)后續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工作。技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包含以下步驟第一步對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分別乘以一個(gè)窗函數(shù)，得到加窗后的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)；
第二步:對(duì)第一步加窗后的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻譜；第三步:將第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的值，分別除以輸出信號(hào)的頻譜在相同頻率下對(duì)應(yīng)的值，得到各頻率下輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻譜比值；第四步:將第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的值取模，進(jìn)一步得到模的η次冪，并對(duì)各頻率下模的η次冪求和，得到各頻率下模的η次冪之和；第五步:將第四步得到的各頻率下模的η次冪，除以各頻率下模的η次冪之和，得到輸入信號(hào)中該頻率的權(quán)重；第六步:在每一個(gè)頻率下，將第三步得到的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻譜比值，分別乘以對(duì)應(yīng)頻率下第五步得到的權(quán)重，然后將各個(gè)頻率下的乘積結(jié)果進(jìn)行累加，得到頻域分析指標(biāo)FEI ；第七步:計(jì)算第六步得到的頻域分析指標(biāo)FEI的幅值A(chǔ)和相位Φ ,幅值A(chǔ)用來判斷試驗(yàn)的幅值誤差大小，而相位Φ用于計(jì)算時(shí)滯；第八步:對(duì)第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜，將輸入信號(hào)的各個(gè)頻率分別乘以其在第五步中的權(quán)重，并進(jìn)行加權(quán)求和，得到輸入的等效頻率f"1 ;第九步:采用第七步得到的相位Φ除以第八步得到的到輸入信號(hào)的等效頻率f'得到實(shí)時(shí)混合模擬的時(shí)滯d。其中，第七步得到的幅值A(chǔ)、相位Φ和第九步得到的時(shí)滯d即為評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)混合模擬的指標(biāo)，若幅值A(chǔ)越接近于1、 相位Φ和時(shí)滯d越接近于0，說明試驗(yàn)的效果越好。有益效果:采用本發(fā)明的“實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)效果的頻域評(píng)價(jià)方法”后，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算實(shí)時(shí)混合模擬的時(shí)滯和試驗(yàn)誤差。對(duì)數(shù)據(jù)加窗的方法，可以消除信號(hào)在傅里葉變換過程中的頻譜泄露現(xiàn)象，從而提高分析的準(zhǔn)確性。在實(shí)時(shí)混合模擬的分析過程中，若將計(jì)算位移作為輸入信號(hào)，測(cè)量位移作為輸出信號(hào)，可以得到實(shí)時(shí)混合模擬的時(shí)滯，從而可以對(duì)補(bǔ)償方法進(jìn)行評(píng)價(jià)；若將指令位移作為輸入信號(hào)，測(cè)量位移作為輸出信號(hào)，可以得到實(shí)時(shí)混合模擬的試驗(yàn)誤差和試驗(yàn)效果。因此，通過實(shí)施混合模擬頻域評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的同時(shí)，還能比較不同補(bǔ)償方法的優(yōu)劣。
具體實(shí)施例方式第一步:對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)加窗，減小頻譜泄露對(duì)頻域分析的影響。對(duì)于窗函數(shù)的選取，以漢寧窗(Hanning Window)為例，該步驟可以寫為:I (t) =I (t) '.H(L) (I, a)0(t)=0(t) ;.H(L) (I, b)
ITit
ΤΓ,、 —(I+ cos—) (0<t<T)H(I) = I 2T
0(t>T)其中I (t) ’和0(t) ’分別代表輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，I⑴和0(t)分別代表加窗輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，H(L)代表長(zhǎng)度為L(zhǎng)的漢寧窗；第二步:對(duì)第一步加窗后的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻譜，該頻譜包含兩個(gè)變量:一個(gè)是頻率，一個(gè)是對(duì)應(yīng)頻率下頻譜的值；
第三步:將第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的值，分別除以輸出信號(hào)的頻譜在相同頻率下對(duì)應(yīng)的值，得到各頻率下輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻譜比值；第四步:將第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的值取模，進(jìn)一步得到模的η次冪，并對(duì)各頻率下模的η次冪求和，得到各頻率下模的η次冪之和；第五步:將第四步得到的各頻率下模的η次冪，除以各頻率下模的η次冪之和，得到輸入信號(hào)中該頻率的權(quán)重；第六步:在每一個(gè)頻率下，將第三步得到的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻譜比值，乘以第五步得到的權(quán)重，再將所有頻率下的乘積進(jìn)行累加，得到頻域分析指標(biāo)FEI:
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)效果的頻域評(píng)價(jià)方法，其特征在于該方法包含以下步驟:第一步:對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分別乘以一個(gè)窗函數(shù)，得到加窗后的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)；第二步:對(duì)第一步加窗后的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻譜；第三步:將第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的值，分別除以輸出信號(hào)的頻譜在相同頻率下對(duì)應(yīng)的值，得到各頻率下輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻譜比值；第四步:將第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的值取模，進(jìn)一步得到模的η次冪，并對(duì)各頻率下模的η次冪求和，得到各頻率下模的η次冪之和；第五步:將第四步得到的各頻率下模的η次冪，除以各頻率下模的η次冪之和，得到輸入信號(hào)中該頻率的權(quán)重；第六步:在每一個(gè)頻率下，將第三步得到的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻譜比值，分別乘以對(duì)應(yīng)頻率下第五步得到的權(quán)重，然后將各個(gè)頻率下的乘積結(jié)果進(jìn)行累加，得到頻域分析指標(biāo) FEI ；第七步:計(jì)算第六步得到的頻域分析指標(biāo)FEI的幅值A(chǔ)和相位Φ ,幅值A(chǔ)用來判斷試驗(yàn)的幅值誤差大小，而相位Φ用于計(jì)算時(shí)滯；第八步:對(duì)第二步得到的輸入信號(hào)的頻譜，將輸入信號(hào)的各個(gè)頻率分別乘以其在第五步中的權(quán)重，并進(jìn)行加權(quán)求和，得到輸入的等效頻率feq ；第九步:采用第七步得到的相位Φ除以第八步得到的到輸入信號(hào)的等效頻率得到實(shí)時(shí)混合模擬的時(shí)滯d。其中，第七步得到的幅值A(chǔ)、相位Φ和第九步得到的時(shí)滯d即為評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)混合模擬的指標(biāo)，若幅值A(chǔ)越接近于1、相位Φ和時(shí)滯d越接近于O，說明試驗(yàn)的效果越好。
全文摘要
一種實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)效果的頻域評(píng)價(jià)方法，對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的輸入和輸出進(jìn)行傅里葉變化，用變換后輸入的頻域結(jié)果除以變換后輸出的頻域結(jié)果，將結(jié)果按照特定的加權(quán)方法加權(quán)，可以得到評(píng)價(jià)指標(biāo)FEI，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)FEI的幅值A(chǔ)和相位φ，若值A(chǔ)越接近于1和相位φ越接近于0，說明試驗(yàn)的效果越好。同時(shí)，采用與計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)FEI相同的加權(quán)方法計(jì)算輸入信號(hào)的等效頻率feq，用相位φ除以等效頻率feq可以得到實(shí)時(shí)混合模擬的時(shí)滯。該方法可以通過選取計(jì)算位移或者指令位移作為輸入，測(cè)量位移作為輸出，對(duì)實(shí)時(shí)混合模擬的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，或者對(duì)不同的補(bǔ)償方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK103076194SQ201210593190
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者郭彤, 徐偉杰 申請(qǐng)人:東南大學(xué)