三向六自由度力位移混合控制方法
【專利摘要】三向六自由度力?位移混合控制方法，涉及一種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載控制方法。本發(fā)明以解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置由于作動(dòng)器之間的耦合無(wú)法實(shí)現(xiàn)多維空間加載的力?位移混合控制問題為目標(biāo)，達(dá)到準(zhǔn)確再現(xiàn)結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀態(tài)的目的。本發(fā)明包括信號(hào)輸入模塊、笛卡爾坐標(biāo)系命令、笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)、比較環(huán)節(jié)、誤差、魯棒控制模塊、控制量、力?位移轉(zhuǎn)換系數(shù)、位移命令、笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣、作動(dòng)器伸縮量命令、作動(dòng)器、試驗(yàn)體、高精度力/位移傳感器、作動(dòng)器空間響應(yīng)和作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。本發(fā)明采用外環(huán)控制實(shí)現(xiàn)空間多自由度控制之間的解耦，采用多輸入多輸出魯棒控制模塊解決加載裝置幾何非線性和試驗(yàn)體材料非線性引起的控制難題。
【專利說明】
三向六自由度力位移混合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)控制方法，是一種用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)三向六自由度力-位移 混合控制的方法，可用于擬靜力和擬動(dòng)力試驗(yàn)，屬于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 歷次強(qiáng)震導(dǎo)致了工程結(jié)構(gòu)的大量破壞，通過試驗(yàn)手段開展對(duì)其抗震性能的研究十 分必要。由于地震對(duì)工程結(jié)構(gòu)施加的空間作用，因此當(dāng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí)往往需 要空間多維的加載裝置?，F(xiàn)在廣泛使用的地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以進(jìn)行多向地震動(dòng)輸入，但由 于承載能力小而多采用小比例尺的縮尺模型，無(wú)法研究結(jié)構(gòu)的局部損傷發(fā)展過程。大尺度 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)多采用擬靜力或擬動(dòng)力試驗(yàn)方法，但實(shí)現(xiàn)空間加載比較復(fù)雜，通常需要根據(jù) 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)采用多臺(tái)作動(dòng)器自行搭建空間試驗(yàn)平臺(tái)，難度極大。一方面，多臺(tái)作動(dòng)器通過 試驗(yàn)體耦合在一起，一個(gè)方向的加載需要多臺(tái)作動(dòng)器的同步運(yùn)行，各作動(dòng)器之間互相影響， 而且根據(jù)試驗(yàn)需要，不同方向的作動(dòng)器通常采用不同的加載模式，比如力控制或者位移控 制;另一方面，作動(dòng)器固有的控制系統(tǒng)是封裝的，難以針對(duì)特定的試驗(yàn)體系進(jìn)行修改。
[0003] 針對(duì)橋墩或混凝土柱的多自由度加載試驗(yàn)，準(zhǔn)確模擬軸向的重力荷載困難，傳統(tǒng) 的加配重方法的加載能力有限，通常采用的千斤頂施加豎向荷載由于是開環(huán)控制，精度不 高。由于試驗(yàn)體的豎向剛度大，而作動(dòng)器直接采用位移加載精度較差，往往采用力控制，因 此一些學(xué)者提出了在豎向采用力控制，水平向采用位移控制來保證重力荷載的準(zhǔn)確施加， 然而在大位移時(shí)，水平作動(dòng)器在垂直方向有一個(gè)力的分量值得考慮。雖然在機(jī)械領(lǐng)域有多 自由度加載平臺(tái)Stewart平臺(tái)，有學(xué)者提出對(duì)其采用力控制，但由于試驗(yàn)體太小，較難應(yīng)用 到結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中。因此國(guó)外有學(xué)者提出了一種力-位移混合控制策略應(yīng)用在LBCBs裝置中，對(duì) 一個(gè)加載點(diǎn)的各個(gè)笛卡爾坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)力和位移的同時(shí)控制，力-位移混合控制的步驟是首 先發(fā)送斜坡位移命令達(dá)到目標(biāo)位移，然后采用迭代的方法逐步施加作用力從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 力，在迭代過程中需要不斷計(jì)算試驗(yàn)體的剛度矩陣，以求得位移命令發(fā)送給作動(dòng)器，用這種 方法可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度方向的力、位移同時(shí)加載控制。針對(duì)試驗(yàn)體豎向和水平向剛度很 大，引起LBCBs加載裝置出現(xiàn)彈性變形的問題，有人提出了外置高精度傳感器，在LBCBs裝置 控制系統(tǒng)之外再建立一個(gè)位移控制閉環(huán)來抵消加載裝置彈性變形引起的誤差。為了實(shí)現(xiàn)作 動(dòng)器空間測(cè)量信號(hào)矢量和笛卡爾坐標(biāo)信號(hào)矢量之間的轉(zhuǎn)換，采用迭代的方法來實(shí)時(shí)更新轉(zhuǎn) 換矩陣，而也有人采用牛頓法求雅可比矩陣的方法來實(shí)時(shí)更新轉(zhuǎn)換矩陣。然而數(shù)學(xué)迭代容 易受噪聲影響，在試件進(jìn)入非線性時(shí)剛度矩陣的迭代求解容易出現(xiàn)病態(tài)，從而使求解困難， 一般的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件特性都是路徑相關(guān)的，迭代過程的反復(fù)加載容易導(dǎo)致試件特性的改 變。
[0004] 國(guó)內(nèi)有的單位將外環(huán)力，內(nèi)環(huán)位移的控制方法應(yīng)用在擬靜力和擬動(dòng)力試驗(yàn)中，實(shí) 現(xiàn)了水平和垂直兩個(gè)自由度的擬動(dòng)力試驗(yàn)，直接使用初始剛度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換矩陣。在他們的研 究中，外環(huán)控制器采用PI控制器，當(dāng)試驗(yàn)體的位移較大呈現(xiàn)出幾何非線性和試驗(yàn)體進(jìn)入塑 性階段，剛度下降時(shí)，外環(huán)控制器的控制效果下降。也有學(xué)者提出了在主控自由度采用位移 控制，其它自由度采用力控制，通過數(shù)學(xué)迭代保證各個(gè)自由度上的力成比例加載。并采用這 種力位移混合控制方法進(jìn)行了曲線橋墩的彎剪耦合靜力循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)，但在試驗(yàn)過程中， 彎剪作用是成比例施加的。但是空間三向六自由度的力-位移混合控制方法沒有出現(xiàn)，由于 空間力控制和位移控制的相互耦合關(guān)系，使得空間三維加載控制與上述平行自由度或水平 豎向耦合的雙閉環(huán)控制有本質(zhì)不同，本方法是一個(gè)更通用的解決這一問題的途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)中的多自由度加載由于作動(dòng)器的相互耦合作用而經(jīng)常導(dǎo)致加載失 控，無(wú)法準(zhǔn)確再現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震中的真實(shí)受力狀態(tài)。本發(fā)明采用雙閉環(huán)控制取代數(shù)學(xué)迭代，解 決多自由度加載控制中的耦合問題，提出三向六自由度力-位移混合控制方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:三向六自由度力-位移混合控制方法包括笛卡爾坐標(biāo)系命 令1、比較環(huán)節(jié)2、誤差3、魯棒控制模塊4、控制量5、力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6、位移命令7、笛卡爾坐 標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8、作動(dòng)器伸縮量命令9、作動(dòng)器10、試驗(yàn)體11、高精度力/位移傳 感器12、作動(dòng)器空間響應(yīng)13、作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣14、笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng) 15、力-位移滯回曲線16、試驗(yàn)體剛度矩陣17、笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量 之間的非線性關(guān)系18、信號(hào)輸入模塊19、卡爾曼濾波器20、加載平臺(tái)21和反力地板22,所述 比較環(huán)節(jié)2比較笛卡爾坐標(biāo)系命令1與笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15得到誤差3,所述魯棒控制模塊4 由誤差3得到控制量5,所述力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6由控制量5得到位移命令7,所述笛卡爾坐標(biāo) 系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8由位移命令7得到作動(dòng)器伸縮量命令9,所述多臺(tái)作動(dòng)器10按作 動(dòng)器伸縮量命令9驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)體11運(yùn)動(dòng)，由所述高精度力/位移傳感器12得到作動(dòng)器空間響應(yīng) 13,所述作動(dòng)器空間響應(yīng)13經(jīng)由所述作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣14得到笛卡爾坐 標(biāo)系響應(yīng)15。
[0007] 所述比較環(huán)節(jié)2包括笛卡爾坐標(biāo)系命令1減去笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15的差值，向量的 元素個(gè)數(shù)為自由度個(gè)數(shù)，向量的物理意義為位移/力復(fù)合向量、位移向量或力向量。
[0008]所述魯棒控制模塊4包括一個(gè)多輸入量和多輸出量的控制模塊，一般米用對(duì)角元 素為比例積分(PI)控制的多維方陣，矩陣的非對(duì)角元素為〇,或者采用滑動(dòng)模態(tài)控制，基于 控制對(duì)象(力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6、笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8、作動(dòng)器10、試驗(yàn)體11 和作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣14組成的系統(tǒng)）的狀態(tài)空間矩陣設(shè)計(jì)滑動(dòng)模態(tài)控 制，基于笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15和控制量5設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器20識(shí)別多維向量的狀態(tài)量，由滑 動(dòng)模態(tài)在滑移面上的滑動(dòng)來使多輸入多輸出系統(tǒng)特性與試驗(yàn)體材料非線性和加載裝置幾 何非線性無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)較好的解耦。
[0009] 所述笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8包括位移命令7與作動(dòng)器伸縮量命令9 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由笛卡爾坐標(biāo)系位移向量與作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系18在平衡位 置線性化得到，笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8的求取步驟如下：
[0010] 首先將以試驗(yàn)體所處空間定義笛卡爾坐標(biāo)系，將各作動(dòng)器的軸向伸縮方向定義為 作動(dòng)器空間坐標(biāo)系。從機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)角度說，三向六自由度加載系統(tǒng)從某種意義上是并聯(lián)機(jī) 構(gòu)，要得到作動(dòng)器伸縮量命令9：Ti +i(t)，需要將試驗(yàn)體笛卡爾坐標(biāo)系命令ldi+i與反饋的笛 卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15dRi+1比較得到誤差3e i+1，誤差3再經(jīng)過PI控制器校正得到控制量5u，控制 量5u通過加載系統(tǒng)笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8C Tv進(jìn)行坐標(biāo)變換得到作動(dòng)器伸縮 量命令9。作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)到新的位置后，作動(dòng)器空間響應(yīng)13dm1+1(t)，通過作動(dòng)器空間到笛卡爾 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣14(0)4,得到笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15dRi+1(t)。例如三自由度試驗(yàn)系統(tǒng) 的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換如圖2所示：
[0011]圖中，cU，d2，d3分別是水平、軸向和彎矩的笛卡爾坐標(biāo)系命令7，對(duì)應(yīng)于柱頂水平、 豎向和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的位移，也可以認(rèn)為是位移命令7，h，12，13是作動(dòng)器加載之前的長(zhǎng)度， V 分別是作動(dòng)器加載之后的長(zhǎng)度，A h，A 12, A 13分別是作動(dòng)器伸縮量命令8，h是 豎直作動(dòng)器的球鉸中心到加載梁質(zhì)心的高度，X1是左邊緣到作動(dòng)器1球鉸軸心的距離，x2是 作動(dòng)器2和3球鉸軸心到試驗(yàn)體中心之間的距離。從圖2可以得到，笛卡爾坐標(biāo)系向作動(dòng)器空 間轉(zhuǎn)換矩陣18為
[0015] A 1^1^-h (4)
[0016] A 12 = 1/2-12 (5)
[0017] A 13 = 1/3-13 (6)
[0019] 為了得到坐標(biāo)變換的線性關(guān)系，A h，A 12, A 13分別對(duì)di，d2，d3求偏導(dǎo)數(shù)，

[0029] 假設(shè)平衡位置處，(11 = 0，(12 = 0，(13 = 0，即原點(diǎn)位置，取(11，(12，(13都為零的原點(diǎn)處的 轉(zhuǎn)換系數(shù)作為笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8為

[0039]得到笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8為
[0041] 所述作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣14是笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換 矩陣8的逆。
[0042] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:本發(fā)明不需要進(jìn)行數(shù)學(xué)迭代來實(shí)現(xiàn)加載裝 置幾何非線性和試驗(yàn)體材料非線性關(guān)系的求解，計(jì)算和分析更簡(jiǎn)單?？梢愿鶕?jù)試驗(yàn)體的特 性，靈活設(shè)置外環(huán)位移控制和力控制的組合，從而解決工程抗震試驗(yàn)對(duì)更靈活加載方式的 需求，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)體嚴(yán)格邊界條件的準(zhǔn)確模擬。
【附圖說明】
[0043]圖1是本發(fā)明三向六自由度力-位移混合控制方法流程圖；
[0044] 圖2是笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間的幾何非線性關(guān)系圖；
[0045] 圖3是本發(fā)明魯棒控制模塊的滑動(dòng)模態(tài)控制原理圖；
[0046] 圖4是本發(fā)明魯棒控制模塊的PI控制原理圖；
[0047] 圖中，1-笛卡爾坐標(biāo)系命令，2-比較環(huán)節(jié)，3-誤差，4-魯棒控制模塊，5-控制量，6-力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)，7-位移命令，8-笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣，9-作動(dòng)器伸縮量 命令，10-作動(dòng)器，11-試驗(yàn)體，12-高精度力/位移傳感器，13-作動(dòng)器空間響應(yīng)，14-作動(dòng)器空 間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，15-笛卡爾坐標(biāo)響應(yīng)，16-力-位移滯回曲線，17-試驗(yàn)體剛度矩 陣，18-笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系，19-信號(hào)輸入模塊， 20-卡爾曼濾波器，21-加載平臺(tái)，22-反力地板。
【具體實(shí)施方式】 [0048] 實(shí)施例一：
[0049] 結(jié)合附圖3說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本實(shí)施方式的三向六自由度力-位移混合 控制方法的設(shè)計(jì)過程：
[0050] 1、在加載平臺(tái)21和實(shí)驗(yàn)室反力地板22之間安裝試驗(yàn)體11;
[0051] 2、準(zhǔn)確測(cè)量加載系統(tǒng)的幾何尺寸，計(jì)算作動(dòng)器長(zhǎng)度變化引起的作動(dòng)器空間坐標(biāo)系 變化的笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系18;
[0052] 3、將式（1)_(3)所示的笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性 關(guān)系18分別對(duì)笛卡爾坐標(biāo)系的變量求偏導(dǎo)，組合得到笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣 8；
[0053] 4、采用攝動(dòng)法對(duì)各自由度輸入笛卡爾坐標(biāo)系命令1，測(cè)量各自由度上的笛卡爾坐 標(biāo)響應(yīng)15,得到各自由度上的力-位移滯回曲線16,通過曲線擬合得到各自由度的剛度，從 而組合得到試驗(yàn)體剛度矩陣17;
[0054] 5、根據(jù)試驗(yàn)體剛度矩陣17,求逆得到試驗(yàn)體剛度矩陣17的逆矩陣，將對(duì)應(yīng)采用位 移控制的試驗(yàn)體剛度矩陣17的逆矩陣元素取為1，而對(duì)力控制的自由度直接采用試驗(yàn)體剛 度矩陣17的逆矩陣對(duì)應(yīng)元素將力轉(zhuǎn)化成位移命令6,得到力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6;
[0055] 6、將笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8求逆得到作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換矩陣14,各個(gè)作動(dòng)器的作動(dòng)器空間響應(yīng)13乘以作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 14,得到笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15;
[0056] 7、根據(jù)自由度的個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)魯棒控制模塊4,采用參數(shù)識(shí)別方法，分別對(duì)各自由度輸 入白噪聲激勵(lì)信號(hào)，得到各自由度的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，將多個(gè)自由度系統(tǒng)傳遞函數(shù)組合得到 傳遞函數(shù)矩陣，轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間模型，基于控制對(duì)象（力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6、笛卡爾坐標(biāo)系到 作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8、作動(dòng)器10、試驗(yàn)體11和作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣14組成 的系統(tǒng)）的狀態(tài)空間模型設(shè)計(jì)滑動(dòng)模態(tài)控制，基于笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15和控制量5設(shè)計(jì)卡爾 曼濾波器20識(shí)別多維狀態(tài)量，由滑動(dòng)模態(tài)在滑移面上的滑動(dòng)來使多輸入多輸出系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn) 體材料非線性和加載裝置幾何非線性無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)較好的解耦；
[0057] 8、信號(hào)輸入模塊19輸入笛卡爾坐標(biāo)系命令1，通過比較環(huán)節(jié)2與笛卡爾坐標(biāo)響應(yīng)15 比較，得到誤差3,設(shè)計(jì)魯棒控制模塊4,得到控制量5,經(jīng)過力-位移轉(zhuǎn)換6和笛卡爾坐標(biāo)系到 作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8得到輸入給各個(gè)作動(dòng)器的作動(dòng)器伸縮量命令9,推動(dòng)作動(dòng)器1運(yùn)動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)試驗(yàn)體11的多自由度加載。
[0058] 實(shí)施例二：
[0059] 結(jié)合附圖4說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本實(shí)施方式的三向六自由度力-位移混合 控制模塊的設(shè)計(jì)過程：
[0060] 1、在加載平臺(tái)21和實(shí)驗(yàn)室反力地板22之間安裝試驗(yàn)體11;
[0061] 2、準(zhǔn)確測(cè)量加載系統(tǒng)的幾何尺寸，計(jì)算作動(dòng)器長(zhǎng)度變化引起的作動(dòng)器空間坐標(biāo)系 變化的笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系18;
[0062] 3、將式（1)_( 3)所示的笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性 關(guān)系18分別對(duì)笛卡爾坐標(biāo)系的變量求偏導(dǎo)，組合得到笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣 8；
[0063] 4、采用攝動(dòng)法對(duì)各個(gè)自由度輸入笛卡爾坐標(biāo)系命令1，測(cè)量各個(gè)自由度上的笛卡 爾坐標(biāo)系響應(yīng)15,得到各個(gè)自由度上的力-位移滯回曲線16,通過曲線擬合得到各個(gè)自由度 的剛度，從而組合得到試驗(yàn)體剛度矩陣17;
[0064] 5、根據(jù)試驗(yàn)體剛度矩陣17,求逆得到試驗(yàn)體剛度矩陣17的逆矩陣，將對(duì)應(yīng)采用位 移控制的試驗(yàn)體剛度矩陣17的逆矩陣元素取為1，而對(duì)力控制的自由度直接采用試驗(yàn)體剛 度矩陣17的逆矩陣對(duì)應(yīng)元素將力轉(zhuǎn)化成位移命令6,得到力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6;
[0065] 6、將笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8求逆得到作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換矩陣14,各個(gè)作動(dòng)器的作動(dòng)器空間響應(yīng)13乘以作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 14,得到笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)15;
[0066] 7、根據(jù)自由度的個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)魯棒控制模塊4,對(duì)應(yīng)每個(gè)自由度采用一個(gè)PI控制器進(jìn) 行控制，采用試驗(yàn)試湊方法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)，保證各個(gè)自由度的響應(yīng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，無(wú)超 調(diào)；
[0067] 8、信號(hào)輸入模塊19輸入笛卡爾坐標(biāo)系命令1，通過比較環(huán)節(jié)2與笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng) 15比較，得到誤差3,設(shè)計(jì)多輸入多輸出PI控制器，得到控制量5,經(jīng)過力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)6和 笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣8得到輸入給各個(gè)作動(dòng)器的作動(dòng)器伸縮量命令9,推動(dòng) 作動(dòng)器10動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)體11的多自由度加載。
[0068] 本發(fā)明采用三向六自由度力位移混合控制方法降低結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)多自由度加載 情況下的相互耦合作用，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)在地震中的空間受力狀態(tài)和真實(shí)的邊界條件。目前 國(guó)內(nèi)外均未見相關(guān)技術(shù)的報(bào)道屬于國(guó)際首創(chuàng)。
[0069] 以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范 圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 三向六自由度力-位移混合控制方法，其特征在于:包括笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)、比較 環(huán)節(jié)(2)、誤差(3)、魯棒控制模塊(4)、控制量(5)、力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)、位移命令(7)、笛卡 爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣(8)、作動(dòng)器伸縮量命令(9)、作動(dòng)器（10)、試驗(yàn)體（11)、高 精度力/位移傳感器（12)、作動(dòng)器空間響應(yīng)（13)、作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 (14)、笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)(15)、力-位移滯回曲線（16)、試驗(yàn)體剛度矩陣（17)、笛卡爾坐標(biāo)系 位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系（18)，輸入信號(hào)模塊（19)，所述比較環(huán)節(jié) (2)比較笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)與笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)（15)得到誤差(3)，所述魯棒控制模塊 (4)由誤差(3)得到控制量(5)，通過力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)得到笛卡爾坐標(biāo)系下的所述位移 命令(7)，通過所述笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣(8)得到作動(dòng)器伸縮量命令(9)，多 個(gè)所述作動(dòng)器(11)在作動(dòng)器伸縮量命令(9)驅(qū)動(dòng)下控制試驗(yàn)體(11)運(yùn)動(dòng)，由所述高精度力/ 位移傳感器(12)得到作動(dòng)器空間響應(yīng)(13)，通過所述作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 (14) 得到笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)(15)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述三向六自由度力-位移混合控制方法，具體實(shí)施步驟包括： 步驟一:求取笛卡爾坐標(biāo)系下的力/位移響應(yīng)誤差， 所述輸入信號(hào)模塊19從外部獲取笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)，比較環(huán)節(jié)(2)包括在6自由度 上的笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)和笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)（15)之間求差值，將各自由度上輸入的笛 卡爾坐標(biāo)系命令（1)減去反饋的笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)（15)，得到誤差(3)，這是一個(gè)混合誤差 向量，向量中的元素是力或位移； 步驟二:設(shè)計(jì)外部力/位移混合控制模塊獲得控制量， 所述魯棒控制模塊(4)包括一個(gè)6輸入量和6輸出量的控制器，一般采用對(duì)角元素為比 例積分PI控制的6維方陣，矩陣的非對(duì)角元素為0,或者采用滑動(dòng)模態(tài)控制，基于由力-位移 轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)、笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣(8)、作動(dòng)器(10)、試驗(yàn)體(11)和作動(dòng)器 空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣（14)組成的控制對(duì)象的狀態(tài)空間矩陣設(shè)計(jì)滑動(dòng)模態(tài)控制器， 基于笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)（15)和控制量(5)設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器識(shí)別多維向量的狀態(tài)量，由滑 動(dòng)模態(tài)控制器在滑移面上的滑動(dòng)或者PI控制器的參數(shù)合理設(shè)計(jì)保證各自由度的響應(yīng)沒有 超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，從而保證試驗(yàn)體在三向六自由度加載過程中試驗(yàn)體的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確地跟蹤 命令，不受到試驗(yàn)體材料非線性和加載裝置幾何非線性的影響，從而實(shí)現(xiàn)較好的解耦控制； 步驟三:將控制量轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系位移命令， 所述力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)，由試驗(yàn)體剛度矩陣（17)求逆處理得到，而試驗(yàn)體剛度矩陣 (17)由在笛卡爾坐標(biāo)系中采用攝動(dòng)法，得到試驗(yàn)體（11)笛卡爾坐標(biāo)系各自由度上力-位移 滯回曲線（16)，由力-位移滯回曲線（16)數(shù)據(jù)擬合得到各個(gè)自由度上的試驗(yàn)體剛度，組合得 到6 X 6的試驗(yàn)體剛度矩陣（17)，根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系采用位移控制的自由度對(duì)應(yīng)的力-位移 轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)的矩陣對(duì)角元的元素設(shè)為1，與之相關(guān)的力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)的對(duì)應(yīng)行的對(duì)角 元之外的2其它元素取為0,若笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)和笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)（15)完全采用位 移控制，則力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)為單元矩陣，若笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)和笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng) (15) 完全采用力控制，則力-位移轉(zhuǎn)換系陣(6)為試驗(yàn)體剛度矩陣（17)的逆； 步驟四：將笛卡爾坐標(biāo)系位移命令轉(zhuǎn)化為作動(dòng)器位移命令， 所述笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣(8)是一個(gè)ηΧη的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣，首先得到 笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系（18)，這種笛卡爾坐標(biāo)系位 移向量和作動(dòng)器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系（18)對(duì)位移命令求偏導(dǎo)，得到線性化的位移 命令(7)和作動(dòng)器伸縮量命令（13)之間的代數(shù)關(guān)系，這也是笛卡爾坐標(biāo)系位移向量和作動(dòng) 器伸縮量向量之間的非線性關(guān)系（18)，對(duì)其在平衡位置上將笛卡爾坐標(biāo)系的各自由度位移 值代入，得到的位移命令和作動(dòng)器伸縮量命令（13)之間的笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換 矩陣(8)為常數(shù)； 步驟五:作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)體運(yùn)動(dòng)得到作動(dòng)器力/位移響應(yīng)， 多個(gè)所述作動(dòng)器（10)接收到作動(dòng)器伸縮量命令(9)以后驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)體（11)運(yùn)動(dòng)，采用高 精度力/位移傳感器得到作動(dòng)器空間響應(yīng)； 步驟六:將作動(dòng)器力/位移響應(yīng)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系力/位移響應(yīng)， 所述作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣（14)包括將作動(dòng)器空間響應(yīng)轉(zhuǎn)換為笛卡兒 坐標(biāo)系響應(yīng)(15)，直接使用常系數(shù)笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣(8)的逆； 步驟七:將笛卡爾坐標(biāo)系力/位移響應(yīng)反饋給比較環(huán)節(jié)直到輸入新的命令， 所述笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)(15)反饋給比較環(huán)節(jié)(2)得到新的誤差(3)，再次通過魯棒控制 模塊(4)計(jì)算新的控制量(5)，如此循環(huán)直至笛卡爾坐標(biāo)系響應(yīng)（15)與笛卡爾坐標(biāo)系命令 (1)之間的誤差達(dá)到允許范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，當(dāng)所述信號(hào)輸入模塊(19)獲得了新的 笛卡爾坐標(biāo)系命令（1)，所述比較環(huán)節(jié)(2)計(jì)算得到新的誤差(3)，通過魯棒控制模塊(4)得 到新的控制量(5)，從而開始新的控制過程。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述三向六自由度力-位移混合控制方法，其特征在于:所述力-位移 混合雙閉環(huán)控制策略包括外部力/位移混合控制閉環(huán)和作動(dòng)器內(nèi)部位移控制閉環(huán)，外部力/ 位移混合控制閉環(huán)是第一層次的力-位移混合控制;外部力/位移混合控制閉環(huán)包括比較環(huán) 節(jié)(2)、魯棒控制模塊(4)、力-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)(6)、笛卡爾坐標(biāo)系到作動(dòng)器空間轉(zhuǎn)換矩陣(8)、 作動(dòng)器（10)和作動(dòng)器空間到笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣（14)，這種雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了內(nèi)部位移 控制和外環(huán)力控制的組合，是第二層次的力-位移混合控制，由這兩層次結(jié)合的力-位移混 合控制方法構(gòu)成的三向六自由度力-位移混合控制策略。
【文檔編號(hào)】G01M7/02GK106052986SQ201610279909
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】周惠蒙, 王濤, 李夢(mèng)寧, 滕睿, 李海洋, 高生
【申請(qǐng)人】中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 北京固力同創(chuàng)工程科技有限公司