一种matlab-stm32混合动力试验系统及其试验方法
【专利说明】-种MATLAB-STM32混合动力试验系统及其试验方法
[0001]
技术领域
[0002] 本发明属于实验力学领域，具体涉及一种新型的将计算机数值仿真试验与实物物 理试验相结合的混合动力试验系统及其试验方法。
【背景技术】
[0003] 在实验力学领域，针对一些工程结构主要采用的试验方法有拟静力试验、拟动力 试验和振动台试验。拟静力试验通过作动器对试件施加事先定义的位移，从而获得试件基 本信息，如刚度、承载力、变形和耗能能力等。该方法操作简便且结果容易比较分析，但是这 种方法不能反映由于应变速率引起的试件反力的变化，因而该方法不能用于研宄速度甚至 加速度相关型构件的性能。拟动力试验方法将计算机与加载作动器结合，通过试验方法求 解动力方程，模拟大型复杂结构在真实荷载作用下的响应。但其每一步加载都是拟静力的， 这对于各类速度相关型构件(如各类耗能支撑、减振器）显然不能满足要求，未能实现实时 (或快速）加载，必然导致不能真实反映构件的性能。振动台试验是通过对工程结构施加真 实荷载记录而获得结构在荷载下的响应。该方法可以直接研宄工程结构在真实荷载下的反 应和破坏机理，被认为是目前研宄工程结构抗震(振)性能最准确的手段。然而，由于台面尺 寸、工作空间的限制，常常需要将结构压缩成小比例模型开展有关试验，结构因压缩其动力 性能往往会失真。
[0004] 混合动力试验系统是在拟动力试验方法的基础上发展起来的，它是一种子结构试 验技术，将工程结构分为两大部分：取结构中局部非线性较强或受力复杂的部分作为试验 单元，在实验室条件下进行物理性能试验；将结构中线性部分或受力简单的部分作为数值 计算单元，在计算机内进行数值仿真试验；通过高性能计算机将两者进行集成协调，实现整 体结构的性能试验。这样不仅可以大大减小试验模型的规模，降低了试验难度和试验成本， 而且减少了控制自由度的个数，可以用较少的作动器进行试验，提高了试验精度。该项技术 在大型结构的动力试验研宄中得到越来越多的应用。
[0005] 对于实现混合试验技术来说，需要解决如下几个关键问题：（1)数值单元和试验 单元的建立，做好混合试验的前提就是选择最优的方案划分试验单元和数值单元。（2)稳 定的数值积分算法，混合试验所使用的数值积分算法不仅决定了试验积分步长所耗用时 间，更为关键的是直接影响试验的稳定性和试验结果的准确性。（3)与有限元软件的通 信，在利用通用有限元软件对数值单元进行数值分析时如何实现与混合试验系统的数据交 换，并保证数据的传送及时准确，这些很大程度上都依赖于所开发的接口程序。（4)试验 加载设备的硬件支持，混合试验特别是实时混合试验对诸多方面都要求很高，需要时通讯 网络和数据采集系统协调工作。特别是作动器的性能和通讯延时情况，是能否实现快速甚 至实时混合试验的关键。传统典型的混合试验系统中多以OpenSees作为数值仿真软件， OpenFresco作为OpenSees与硬件通信和控制的接口软件，电液伺服作动器及其控制系统 来作为试验单元。其中OpenSees软件主要适用于土木工程结构的建模与仿真，这使得在其 他领域的应用受到了限制。OpenFresco主要是针对OpenSees软件开发的接口软件，这使得 其他数值仿真软件在混合试验系统中的应用受到了限制。而且，电液伺服系统关键零部件 包括：液压油源、电液伺服阀、液压作动缸、伺服控制器和控制系统。这些都使得该混合试验 系统造价成本高，系统搭建复杂，以及它多领域的应用受到了限制。
【发明内容】
[0006] 发明目的：针对传统的混合试验系统中电液伺服作动器的单一性及高成本、混合 动力试验系统造价过高和应用领域受限等问题，本发明提供一种新型系统简单，易于实现 的MATLAB-STM32混合动力试验系统，使得混合动力试验系统能够更广泛的应用。本发明还 提供一种基于上述MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法。
[0007] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出一种MATLAB-STM32混合动力试验系 统，包括MATLAB数值计算单元、数据通信模块、STM32嵌入式控制模块、数据采集模块和试 验单元，其中STM32嵌入式控制模块包括STM32嵌入式控制器和伺服电机；所述MATLAB数 值计算单元通过数据通信模块与STM32嵌入式控制器进行双向数据传输，MTLAB数值计算 单元计算试验单元动力响应，并通过数据通信模块传输到STM32嵌入式控制器，STM32嵌入 式控制器将反映试验单元工作的电信号转换为MATLAB数值计算单元可识别的信号，并通 过数据通信模块传输到MATLAB数值计算单元；所述STM32嵌入式控制模块与试验单元连 接，STM32嵌入式控制器产生PWM控制信号驱动伺服电机运转，进而带动试验单元工作；所 述试验单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与STM32嵌入式控制器连接，数据采 集模块采集试验单元工作产生的响应信号并传输至STM32嵌入式控制器。
[0008] 所述MATLAB数值计算单元将激励信号和试验单元工作响应信号加设到工程结构 计算模型中进行数值仿真计算，得到的试验单元动力响应包括位移响应、速度响应和加速 度响应中的一种或多种。
[0009] 所述数据通信模块应用MTLAB支持的通信协议实现MTLAB与STM32嵌入式控制 器之间的实时双向通信。
[0010] 所述试验单元包括减震器、非线性杆件或耗能支撑。
[0011] 所述数据采集模块实时采集试验单元运行过程中产生的信号，包括速度、位移、力 和应变中的一种或多种。
[0012] 本发明还提出一种MATLAB-STM32混合动力试验系统的试验方法，包括如下步骤： 1) MATLAB数值计算单元在MATLAB计算环境中搭建工程结构的计算模型，根据数值模 型上施加的激励信号和初始化的响应信号计算出相应的结构响应，并依据结构响应计算出 试验单元的动力响应； 2) MATLAB数值计算单元通过数据通信模块将试验单元动力响应传输到STM32嵌入式 控制器，即采用MATLAB支持的通信协将MATLAB数值计算单元计算出的试验单元动力响应 值传输给STM32嵌入式控制器，实现MATLAB和STM32的数据同步与实时通信； 3) STM32嵌入式控制模块根据MATLAB数值计算单元计算得出的试验单元动力响应确 定伺服电机运转的PWM控制信号，并实时地将PWM控制信号发送给伺服电机，使伺服电机带 动试验单元工作； 4) 数据采集模块利用传感器实时采集试验单元运行过程中产生的信号，并反馈给 STM32嵌入式控制器； 5) STM32嵌入式控制器将数据采集模块反馈的电信号转换为MTLAB数值计算单元可 识别的信号，并通过数据通信模块传回到MTLAB数值计算单元； 6) MATLAB数值计算单元根据接收到的试验单元工作响应信号和程序施加的激励信号 计算下一时刻的试验单元动力响应； 7) 重复执行步骤2)-步骤6)，直至激励信号结束。
[0013] 有益效果：本发明创新性的将MATLAB与STM32嵌入式控制器相结合，发挥了 STM32配置丰富灵活、低功耗、易于控制、控制精度高的优势；实现了 MATLAB和STM32嵌入 式控制器之间的实时双向通信问题，解决了工程结构MATLAB数值计算单元数值仿真试验 与试验单元实物试验协同工作；并且解决了传统混合试验系统中电液伺服作动器的单一性 及高成本、混合动力试验系统造价过高和应用领域受限的问题。
[0014] 与传统的纯实物试验相比，本发明不需再建造工程结构的完整实物模型，只需部 分装置、器件或单元的实物模型，因此大大降低了试验成本，同时该系统还具有体积小，精 度高，方便操作等突出优点；与传统的纯数值模型试验相比，本发明对非线性强、性能尚不 明确的装置、器件或单元采用了实物模型进行试验，避免了数值仿真分析中由于实物单元 数学模型描述不准确而带来的误差，因此结果更准确、更可靠。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的MATLAB-STM32混合动力试验系统的结构框图； 图2为二层钢框架结构模型示意图； 图3为真实试验系统图； 图4为正弦激励荷载下框架第一自由度数值解和试验解对比图，图4 (a)为正弦荷载 作用下第一自由度方向位移数值解和试验解对比图，图4 (b)为正弦荷载作用下试验子结 构沿第一自由度方向反力数值解和试验解对比图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0017] MATLAB-STM32混合