能量注入式虚拟质量共振柱控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了能量注入式虚拟质量共振柱控制系统及控制方法，系统包括质量块和控制装置，土试样底端固定在基座上，顶端与质量块中心连接。质量块包括十字架、连接件、4块条形磁铁、加速度计及配重块；控制装置包括单片机、USB接口、模数转换器、数模转换器、电荷放大器、多路开关、可编程增益放大器、采样保持器和功率放大器；加速度计、电荷放大器、可编程增益放大器、采样保持器、模数转换器依次连接，用于检测加速度信号；数模转换器、功率放大器及线圈依次连接，用于驱动质量块使土试样振动。控制装置通过USB接口与PC机连接，接收来自PC的各种指令，同时也将有关数据上传给PC机显示实时显示。
【专利说明】
能量注入式虚拟质量共振柱控制系统及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及共振柱技术领域，尤其涉及能量注入式虚拟质量共振柱控制系统及控 制方法。
【背景技术】
[0002] 由于共振柱试验系统工艺复杂技术难度大，目前世界上生产共振柱的厂家屈指可 数，少之又少。目前市场上已有的共振柱系统普遍采用自由振动法和共振法两种方式进行 工作，而这两种方式的振动均在测量后的参数方面存在一定的误差，同时也无法在软件编 程方面回避消除掉该误差，并且阻尼比通过试样在衰减振荡下，测量幅度的衰减来求得，由 于剪切模量和阻尼比都随时间的增加而变化，因此在测量过程中不改变周期和幅值，对振 动历时很难加以控制。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供能量注入式虚拟质量共振 柱控制系统，其能在没有其他外加能源的情况下保证整个系统持续稳定运动。
[0004] 本发明的目的之二在于提供能量注入式虚拟质量共振柱控制方法，其能实现本发 明的目的之一。
[0005] 本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
[0006] 能量注入式虚拟质量共振柱控制系统，包括基座、土试样、质量块和控制装置，该 质量块包括十字架、连接件、4块条形磁铁、加速度计和配重块，4块条形磁铁分别通过连接 件均匀固定在十字架的四个端上，加速度计安装在十字架的边缘，配重块固定在十字架的 边缘，且配重块的重量与加速度计的重量相等，配重块和加速度计以质量块的轴线为对称 轴对称设置;每一块条形磁铁的两端分别套设有一线圈;土试样的底端固定在基座上;土试 样的顶端与质量块的中心连接;所述控制装置包括单片机、USB接口、模数转换器、数模转换 器、电荷放大器、多路开关、信号调理器、可编程增益放大器和采样保持器和功率放大器;加 速度计、电荷放大器、可编程增益放大器、采样保持器、模数转换器依次连接，控制装置通过 USB接口与PC机连接;信号调理器、电荷放大器、可编程增益放大器均与多路开关连接;所述 控制装置不断采样角加速度信号，然后根据用户给定的振动频率和振动幅度进行比较，得 到频率误差信号和幅度误差信号，然后分别对这两个误差信号进行数字比例、积分和微分 (PID)调节，经数模转换器将数字变为模拟振动信号，通过功率放大器输出驱动线圈产生振 动磁场，使4个条形磁铁驱动质量块使土试样顶端按给定的频率和幅度振动。
[0007] 优选的，所述十字架上还设有加速度传感器，加速度传感器与信号调理器连接，加 速度传感器输出的加速度信号的电荷量由电荷放大器转换为电压量，经可编程增益放大器 调节电压量的大小，以进一步提高测量精度，模数转换器将加速度信号的模拟量变为数字 量并送单片机进行处理。加速度传感器对质量块在振动旋转时的加速度进行检测。
[0008] 优选的，所述十字架上还设有垂直方向位移传感器，该垂直方向位移传感器经过 调理模块接多路开关输入端，由可编程增益放大器调节垂直方向位移信号的大小，再由模 数转换器将该垂直方向位移信号变为数字信号后送单片机进行处理。垂直方向位移传感器 对质量块在振动旋转时在轴向上的角度偏移进行检测，输出轴向角度偏移信号至计算机以 供用户作为参考。
[0009] 优选的，还包括平衡块、滑轮组和钢绳；钢绳的一端与质量块的中心点连接，另一 端绕设于滑轮组后从滑轮组引出至与平衡块连接，该平衡块的重量用于抵消质量块的重 量。通过滑轮组和平衡块的设置，能够抵消质量块等附加重量，以减小附加重量对测试过程 产生的影响，提高精确度。
[0010] 本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
[0011] 能量注入式虚拟质量共振柱控制方法，应用于本发明目的之一的能量注入式虚拟 质量共振柱控制系统，加速度计采集质量块的角加速度，该角加速度乘以变量Ιι作为角加 速度环路反馈信号;对角加速度进行一次积分得到角速度信号，角速度信号乘以变量C1作 为速度的反馈信号，将角加速度环路反馈信号和速度的反馈信号相加得到数字扭矩信号T; 角加速度信号经过一频率计数器获得振荡频率，与来自用户给定的预设频率比较得到频率 误差信号，该频率误差信号输出至一 PID控制器以对参数变量II进行调节，使土试样按给定 的预设频率振动；角加速度信号经过一均方根检测器得到振幅，与来自用户给定的预设振 幅比较得到振幅误差信号，该振幅误差信号输出至一的PID控制器以对变量&进行调节，使 土试样按给定的预设振幅振动。
[0012] 相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0013] 本发明在上电启动后，不断对质量块的角加速度进行采集，进行相关处理后输出 信号至线圈，使线圈产生磁场，实现在没有其他信号源的情况下也可以使土样在给定的频 率和给定的幅度下运动起来。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的能量注入式虚拟质量共振柱控制系统的结构图。
[0015] 图2为本发明的非线性阻尼特性图。
[0016]图3为本发明的原理结构图。
[0017]图中：1、土试样；2、十字架；3、加速度计;4、基座；5、钢绳;6、滑轮组;7、平衡块;8、 条形磁铁;9、线圈；10、单片机；11、功率放大器;12、模数转换器;13、数模转换器;14、电荷放 大器;15、可编程增益放大器;16、采样保持器;17、信号调理器;18、多路开关。
【具体实施方式】
[0018] 下面，结合附图以及【具体实施方式】，对本发明做进一步描述：
[0019] 参见图1，本发明提供能量注入式虚拟质量共振柱控制系统，包括基座4、土试样1、 质量块和控制装置。
[0020] 其中，土试样1的底端固定在基座4上，土试样1的顶端与质量块的中心连接，在系 统装配前，还具有一个试样装配壳，该装配壳容纳土试样1，经过现有技术中的对土试样1的 抽真空等处理后使得土试样结块固定、不会散开，然后将试样装配壳拆除，因而在应用到本 系统时，已经是没有试样装配壳这个结构。该质量块包括十字架2、连接件、4块条形磁铁8、 加速度计3和配重块，4块条形磁铁8分别通过连接件均匀固定在十字架2上，加速度计3安 装在十字架2的边缘，，配重块固定在十字架的边缘，且配重块的重量与加速度计的重量相 等，配重块和加速度计以质量块的轴线为对称轴对称设置;每一块条形磁铁8的两端分别套 设有一线圈9。控制装置包括单片机10、USB接口（未图示）、功率放大器11、模数转换器12、数 模转换器13、电荷放大器14、可编程增益放大器15、采样保持器16、信号调理器17和多路开 关18;加速度计3、电荷放大器14、可编程增益放大器15、采样保持器16、模数转换器12依次 连接，模数转换器12和数模转换器13均通过USB接口与单片机10连接，数模转换器13通过功 率放大器11与线圈9连接，可编程增益放大器15和采样保持器16均通过USB接口与单片机连 接。控制装置通过USB接口与PC机连接。
[0021]加速度计3用于采集质量块的角加速度，并依次通过电荷放大器14、可编程增益放 大器15、采样保持器16和模数转换器12输出角加速度信号至单片机10;单片机10用于根据 该角加速度信号处理得到相应的数字扭矩信号，该数字扭矩信号输出至数模转换器转换为 模拟扭矩信号，通过功率放大器11输出该模拟扭矩信号至线圈9,使线圈9有电流经过而产 生磁场，条形磁铁8之间相互作用产生作用力，质量块受力运动，使得土样跟着振动，从而实 现不需要外部施加信号源也能使质量块持续运动。
[0022]单片机10作为前端微处理器用于控制共振柱系统，并通过USB接口与PC机连接，接 收来自PC的各种指令，同时也将有关数据上传给PC机显示实时显示。所述前端微处理器不 断采样角加速度信号，然后根据用户给定的振动频率和振动幅度进行比较，得到频率误差 信号和幅度误差信号，然后分别对这两个误差信号进行数字比例、积分和微分(PID)调节， 经数模转换器13将数字变为模拟振动信号，通过功率放大器输出驱动线圈产生振动磁场， 使4个条形磁铁8带动质量块和土试样顶端按给定的频率和幅度振动。
[0023] 质量块上还设有加速度传感器和垂直方向位移传感器，所述控制装置包括信号调 理器17和多路开关18,加速度传感器和垂直方向位移传感器均与信号调理器17连接，信号 调理器17、电荷放大器14可编程增益放大器15均与多路开关18连接，单片机10通过USB接口 与多路开关18连接;加速度传感器用于检测质量块在水平方向上的加速度信号，并依次通 过信号调理模块、多路开关18、可编程增益放大器15、采样保持器16和模数转换器12输出水 平角度偏移信号至单片机10;加速度传感器输出的加速度信号电荷量由电荷放大器转换为 电压量，经可编程增益放大器调节电压量的大小，以进一步提高测量精度，模数转换器将加 速度信号的模拟量变为数字量并送单片机进行处理。垂直方向位移传感器用于检测质量块 在垂直方向上的角度偏移，并依次通过信号调理器17、多路开关18、可编程增益放大器15、 采样保持器16和模数转换器12输出轴向角度偏移信号至计单片机10。所述十字架上还设有 垂直方向位移传感器，垂直方向位移传感器经过调理器17接多路开关18输入端，由可编程 增益放大器15调节垂直方向位移信号的大小，再由模数转换器12将该垂直方向位移信号 变为数字信号后送单片机进行处理。多路开关18每一次只能连接加速度计或加速度传感器 或垂直方向位移传感器，单片机10可以控制多路开关18切换频率，保证多路开关18的切换 频率足够快，则相当于一直在采集上述三种传感器的信号。电荷放大器14是将加速度传感 器输出的电荷变为电压，可编程增益放大器15用于调节加速度信号的大小，以进一步提高 测量精度，模数转换器12将加速度模拟量变为数字量并送单片机进行处理
[0024] 本发明提供的能量注入式虚拟质量共振柱控制系统还包括平衡块7、滑轮组6和钢 绳5;钢绳5的一端与质量块的中心点连接，另一端绕设于滑轮组6后从滑轮组6引出至与平 衡块7连接，该平衡块7的重量用于抵消质量块的重量。
[0025] 另一方面，本发明还提供一种能量注入式虚拟质量共振柱控制方法，其应用于能 量注入式虚拟质量共振柱控制系统，包括两个闭合控制环路，其中一个闭合控制环路为加 速度计采集质量块的角加速度，该角加速度乘以变量Ιι作为角加速度环路反馈信号，另一 个闭合控制环路为对角加速度进行一次积分得到角速度信号，角速度信号乘以变量Ci作为 速度的反馈信号，将角加速度环路反馈信号和速度的反馈信号相加得到扭矩T;该扭矩T与 系统中得到的数字扭矩信号对应;还包括两个开放控制环路，其中一个开放控制环路为频 率控制环路，角加速度信号经过一频率计数器获得振荡频率，与来自用户给定的预设频率 比较得到频率误差信号，该频率误差信号输出至PID控制器以对变量^进行调节，使土试样 按给定的预设频率振动；另一个开放控制环路为振幅控制环路，角加速度信号经过一均方 根检测器得到振幅，与来自用户给定的预设振幅比较得到振幅误差信号，该振幅误差信号 输出至PID控制器以对变量&进行调节，使土试样按给定的预设振幅振动。
[0026] 由于计算机的计算均是基于离散信号，也就是数字信号，对模拟信号无法处理，因 而首先需要通过模数转换器对模拟信号下的角加速度进行转换为数字信号;两个开环不断 对idPCi这两个参数进行修正，能够使得最终输出的信号更加精确。
[0027]参见图3,本发明的原理在于：
[0028] 对于共振柱而言，其共振频率主要取决于土样的刚度和质量块的质量。对于传统 的共振柱系统，施加在质量块上的信号是开环驱动的，而质量块的质量在试验过程中是不 能改变的，所以对于某一土样在某一给到振幅下其共振频率和应变率已预先确定。按照 Dalembert理论，如果给土样顶部的质量块施加一个与角加速度成正比的扭矩，该扭矩相当 于给土样顶部增加一个额外的虚拟质量，这样系统的共振频率将随该扭矩大小的改变而改 变。土样的刚度特性可以由系统参数、质量块系数和共振频率来决定。该原理同样适用于阻 尼控制，如果施加一个与角加速度成正比的扭矩，该扭矩则会补充系统在振动过程中消耗 的能量，使系统保持稳定振动。因此，在给定的剪应变幅值下，土样的阻尼比可以通过所施 加的扭矩来求得。
[0029] 假设给质量块施加的扭矩为T，则土样顶部的运动方程为：
[0031]式中Θ为试样顶部质量块的角位移；I〇为质量块的质量惯性矩;C0和k都是与振动 频率和试样几何尺寸以及物理特性有关的参数;T为施加在质量块上的扭矩。式（1)是二阶 实系数非齐次微分方程。
[0037] 式中，UPC!为可调参数。
[0038] 另式(4)中的& = 0)，土样将做简谐振动，则振动方程为
[0042]固式(6)的通解为
[0043] Θ = A&m{cot + φ) (γ )
[0044] 即产生正弦振荡，其振幅A和初相角P与初始条件有关。振动角频率为
[0046] 可以证明，当阻尼比β〈<1时，有
[0048] 通过式(8)和式(9)可以获得土样的两个重要参数:振动角频率ω和阻尼比β。
[0049] 从式(4)可知，当& = 0)，且CjPCo均为常数时，系统与剪应变振幅的阻尼是不确定 的，要使系统按给定的振幅下能稳定振荡，Co必须有一个合适的值。也就是说，非线性阻尼 成分存在于系统中。显然，&是振幅A的函数:& = (Η)Α，式中，C、D为可调参数。
[0050] 研究表明，土的物理特性决定了Co与A的关系是非线性的。典型的土非线性阻尼特 性曲线Co和函数&的关系如图2所示。由于Q的斜率为负，使CdPQ在第一象限有一个交点， 该交点决定振幅。可以让心来改变剪应变振幅。特别是在低应变(A很小时），土样的非线性 阻尼特性相对较弱，这时可以通过调节CiSD使振幅稳定来。彻底解决目前共振柱小应变或 微应变情况下难以保证振幅稳定的一大难题。
[0051] 上述推导过程都是基于模拟信号推导，然而计算机的计算都是基于离散信号进行 处理，并且计算机并不能根据式（1)至式(9)进行计算，所以需要进行拉普拉斯变换，拉普拉 斯变换就是公式（1)至公式(9)的超运算，变成计算机可以执行的加减乘除的计算。因而本 发明执行的流程为，先通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号输入至计算机，计算机 根据拉普拉斯方程进行运算得到扭矩，输出扭矩信号至数模转换器，转换为模拟信号并通 过功率放大器进行功率放大后驱动线圈，使线圈产生磁场，从而是土样产生反复运动。 [0052]图3的原理图实际上与本发明的方法对应，本发明从控制领域角度来看就是一个 多层多环路的闭环控制系统，本发明采用数字控制技术，为实现计算机数字信号测量，对控 制环路中由拉普拉斯方程表示的环节D(s)用Tustin变换得到离散化模型D(z)，即
[0053] 将前面阐述的公式改写为拉普拉斯方程，则上述式(4)
￡> 相当于在计算机中执行两个环路，一个是由加速度计采集的角加速度I乘以参数（也就是 11)作为角加速度环路反馈信号，也就是本发明的步骤S4，另外一环路是对角加速度i进行 一次积分α/s)得到角速度信号#，角速度信号|乘以参数(也就是C1)后作为速度的反馈信 号，也就是本发明的步骤S6。角加速度环路反馈信号和速度的反馈信号两者相加后得到扭 矩T，以满足式(2)。上述两个环路为闭环控制。此外，还具有另外两个控制环路，一个是频率 控制环路，角加速度信号经过频率计数器获得振荡频率，与用户预设频率f r进行比较得到 频率误差信号，频率误差信号经过PID控制器调节Ii，也就是步骤S3;另一个是振幅控制环 路，角加速度信号经过均方根检测器得到振幅，振幅与用户预设的振幅A r比较得到振幅误 差信号，振幅误差信号经过PID控制器调节Q，也就是步骤S5,使系统在定频和幅值下稳定 振动。其中，PID控制器、频率计数器和均方根检测器都是属于计算机内部的器件。本发明 所述的计算机还包括了 32位的处理器，该32位的处理器对闭环进行运算。本发明通常依次 对土样进行试验，需要几百个到几万个振动周期，在整个控制过程中，计算机将每个振动周 期的Ιο和&记录下来，振动结束后由式(8)计算出共振频率，由式(9)计算出阻尼比。
[0054] 计算机对水平角度偏移信号和轴向角度偏移信号不作为环路运算中的参考因素， 水平角加速度信号和轴向角度偏移信号只作为工作人员的参考，用户可根据这两个信号对 预设振幅和预设频率进行调节。
[0055] 对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种 相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围 之内。
【主权项】
1. 能量注入式虚拟质量共振柱控制系统，其特征在于，包括基座、土试样、质量块和控 制装置，该质量块包括十字架、4块条形磁铁、加速度计和配重块，4块条形磁铁分别均匀固 定在十字架的四个端上，加速度计安装在十字架的边缘，配重块固定在十字架的边缘，且配 重块的重量与加速度计的重量相等，配重块和加速度计以质量块的轴线为对称轴对称设 置;每一块条形磁铁的两端分别套设有一线圈;土试样的底端固定在基座上;土试样的顶端 与质量块的中心连接;所述控制装置包括单片机、USB接口、模数转换器、数模转换器、电荷 放大器、多路开关、信号调理器、可编程增益放大器和采样保持器和功率放大器;加速度计、 电荷放大器、可编程增益放大器、采样保持器、模数转换器依次连接，控制装置通过USB接口 与PC机连接;信号调理器、电荷放大器、可编程增益放大器均与多路开关连接;所述控制装 置不断采样角加速度信号，然后根据用户给定的振动频率和振动幅度进行比较，得到频率 误差信号和幅度误差信号，然后分别对这两个误差信号进行数字比例、积分和微分(PID)调 节，经数模转换器将数字变为模拟振动信号，通过功率放大器输出驱动线圈产生振动磁场， 使4个条形磁铁驱动质量块使土试样顶端按给定的频率和幅度振动。2. 如权利要求1所述的能量注入式虚拟质量共振柱控制系统，其特征在于，所述十字架 上还设有加速度传感器，加速度传感器与信号调理器连接，加速度传感器输出的加速度信 号的电荷量由电荷放大器转换为电压量，经可编程增益放大器调节电压量的大小，以进一 步提高测量精度，模数转换器将加速度信号的模拟量变为数字量并送单片机进行处理。3. 如权利要求2所述的能量注入式虚拟质量共振柱控制系统，其特征在于，所述十字架 上还设有垂直方向位移传感器，该垂直方向位移传感器经过调理模块接多路开关输入端， 由可编程增益放大器调节垂直方向位移信号的大小，再由模数转换器将该垂直方向位移信 号变为数字信号后送单片机进行处理。4. 如权利要求1所述的能量注入式虚拟质量共振柱控制系统，其特征在于，还包括平衡 块、滑轮组和钢绳;钢绳的一端与质量块的中心点连接，另一端绕设于滑轮组后从滑轮组引 出至与平衡块连接，该平衡块的重量用于抵消质量块的重量。5. 能量注入式虚拟质量共振柱控制方法，应用于权利要求1所述的能量注入式虚拟质 量共振柱控制系统，其特征在于，加速度计采集质量块的角加速度，该角加速度乘以变量Ιι 作为角加速度环路反馈信号；对角加速度进行一次积分得到角速度信号，角速度信号乘以 变量C1作为速度的反馈信号，将角加速度环路反馈信号和速度的反馈信号相加得到数字扭 矩信号T;角加速度信号经过一频率计数器获得振荡频率，与来自用户给定的预设频率比较 得到频率误差信号，该频率误差信号输出至一 PID控制器以对参数变量II进行调节，使土试 样按给定的预设频率振动；角加速度信号经过一均方根检测器得到振幅，与来自用户给定 的预设振幅比较得到振幅误差信号，该振幅误差信号输出至一的PID控制器以对变量(^进 行调节，使土试样按给定的预设振幅振动。
【文档编号】G05D19/02GK106094915SQ201610532928
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】杨文龙, 李相崧
【申请人】广州国光仪器有限公司