专利名称：基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统及控制方法
技术领域：
本发明属于海洋工程领域，具体地涉及一种基于力反馈控制原理模涡激振动试验装置的控制系统及其控制方法。
背景技术：
实际海洋环境中的立管为长细柔性结构，在洋流的作用下会产生涡激振动，振动引起的结构疲劳或可能的共振等将对海洋结构物的安全造成极大威胁。目前研究涡激振动的试验方法有两种强迫振荡和自激振荡。对于两种试验方式， 利用一套试验装置仅仅能够对有限的圆柱体模型进行试验，尤其是对于自激振荡试验，试验中的重要参数(模型质量、弹性系数、阻尼系数等)在一个试验中几乎是定值，因此一次试验得到的信息量较小。为了弥补这种不足，并加强对强迫振荡试验和自激振荡试验相互关系的研究，一种创新的研究方式，带有力反馈装置的强迫振荡试验研究展现出了很大的优势。现有的研究装置普遍存在以下不足(1)传统自激振荡试验局限于立管分段模型的实际结构性能，只能测得具有既定结构性能参数的立管的涡激振动响应，降低了普适性，而更换立管、弹簧、阻尼器等将消耗大量时间，拖延试验进度；(2)当前的强迫振荡装置只能使立管模型按照既定的周期和振幅运动，无法模拟模型在来流作用下真实的响应；
(3)自激振荡试验装置，尤其是双自由度的，设计和制造非常复杂，而且很难保证振动系统在两个方向上的质量和固有频率相等。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，旨在结合模型试验与数值模拟，通过力与速度的测量和实时信号反馈，实时数值模拟具有虚拟结构参数的立管的运动特性，解决现有试验装置局限于模型实际结构性能，只能进行既定周期的强迫振动，且设计制造比较复杂，简而言之无法较简易且准确地模拟立管处于实际海况中的问题。为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种基于力反馈控制原理模拟深海立管分段模型来流中自激振动的试验装置的控制系统及其控制方法，其特征在于通过数据采集处理器，采集试验工况中试验试件受力与运动信息，并通过相应数值模拟运算器实时计算获得下一时刻模型运动速度，通过运动控制器驱动伺服系统完成运动任务，并进行下一循环工作。为保证硬实时性，上述系统通过RTOS系统控制，信号通过总线传输，结果通过与RTOS系统连接的显示器实时反馈给试验人员。根据本发明的一个方面，提供一种基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，包括RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器、三分力仪、编码器、伺服系统，RTOS系统依次连接数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器，数据采集处理器的输入端与三分力仪、编码器相连，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接，运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与伺服系统相连，其中
RTOS系统为实时操作系统，用于保证数据采集、数据处理、以及运动响应的实时性；数据采集处理器用于获得试验试件的受力信息、以及运动信息；数值模拟运算器用于根据设定的模拟立管模型的性能参数建立立管的物理模型，并将接收自数据采集处理器的受力信息和运动信息加载到立管的物理模型上，计算下一个采样周期内的试件运动目标信息；运动控制器用于向伺服系统发出运动指令，并根据试件运动目标信息发出控制指令，其中，运动指令用于指挥涡激振动实验装置的拖车以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，控制指令用于指挥伺服系统完成目标运动。优选地，还包括与RTOS系统相连接的显示器，其中，显示器用于实时显示实验试验运动与受力情况。优选地，数值模拟运算器在将接收自数据采集处理器的受力信息和运动信息加载到立管的物理模型上之前，先对受力信息进行滤波、降噪处理，具体地对受力信息进行滤波、降噪处理，从而保留受力信息中的流体力信息、以及试件惯性力信息；然后根据运动信息中的试件加速度运动信息，结合试件本身的固定的结构信息，从而去除受力信息中的试件惯性力信息，仅保留试件所受的流体力信息，并将流体力信息作为激励信号加载于立管的物理模型上。优选地，数值模拟运算器计算下一个采样周期内的试件运动目标信息的具体方式为，数据经过滤波之后，利用Newmark- ^方法，根据t时刻的位移y (tn)、速度、加速度KU以及水动力Ffluid(tn)求解试件下一时刻的运动信息
权利要求
1.一种基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，包括RTOS系统、数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器、三分力仪、编码器、伺服系统，RTOS系统依次连接数据采集处理器、数值模拟运算器、运动控制器，数据采集处理器的输入端与三分力仪、编码器相连，数据采集处理器的输出端与RTOS系统相连接，运动控制器的输入端与RTOS系统相连接，运动控制器的输出端与伺服系统相连，其中 RTOS系统为实时操作系统，用于保证数据采集、数据处理、以及运动响应的实时性； 数据采集处理器用于获得试验试件的受力信息、以及运动信息； 数值模拟运算器用于根据设定的模拟立管模型的性能参数建立立管的物理模型，并将接收自数据采集处理器的受力信息和运动信息加载到立管的物理模型上，计算下一个采样周期内的试件运动目标信息； 运动控制器用于向伺服系统发出运动指令，并根据试件运动目标信息发出控制指令，其中，运动指令用于指挥涡激振动实验装置的拖车以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，控制指令用于指挥伺服系统完成目标运动。
2.根据权利要求I所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，还包括与RTOS系统相连接的显示器，其中，显示器用于实时显示实验试验运动与受力情况。
3.根据权利要求I所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，数值模拟运算器在将接收自数据采集处理器的受力信息和运动信息加载到立管的物理模型上之前，先对受力信息进行滤波、降噪处理，具体地 对受力信息进行滤波、降噪处理，从而保留受力信息中的流体力信息、以及试件惯性力信息；然后根据运动信息中的试件加速度运动信息，结合试件本身的固定的结构信息，从而去除受力信息中的试件惯性力信息，仅保留试件所受的流体力信息，并将流体力信息作为激励信号加载于立管的物理模型上。
4.根据权利要求3所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，数值模拟运算器计算下一个采样周期内的试件运动目标信息的具体方式为，数据经过滤波之后，利用Newmark- ^方法，根据t时刻的位移y (tn)、速度j(U、加速度K(,)以及水动力Ffluid(tn)求解试件下一时刻的运动信息 ) 其中，
5.根据权利要求3所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统，其特征在于，数值模拟运算器滤波的截止频率为lOOrad/s。
6.一种基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I :首先试验开始前，在数值模拟运算器中设定模拟立管模型的性能参数，从而建立需要模拟的立管的物理模型，并使得涡激振动实验装置的所有设备处于试验准备状态；步骤2 :试验中，运动控制器发出运动指令，指挥涡激振动实验装置的拖车以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，当达到试验工况设计要求时，开始进入采样模拟循环阶段，模拟循环阶段即步骤3-6 ； 步骤3 :通过数据采集处理器获得试验试件的受力信息、以及运动信息； 步骤4 :受力信息和运动信息通过RTOS系统同步由数据采集处理器输入至数值模拟运算器内，完成滤波、降噪处理，去除受力信息中的噪声，保留受力信息中的流体力信息以及试件惯性力信息；通过数据采集处理器所获得的运动信息中的试件加速度运动信息，结合试件本身的固定的结构信息，从而去除受力信息中的试件惯性力信息，仅保留试件所受的流体力信息，作为激励信号加载于步骤I中所述的立管的物理模型上，获得下一个采样周期内的试件运动目标信息； 步骤5 :试件运动目标信息通过RTOS系统同步至运动控制器，结合数据采集处理器实时反馈的运动信息，由运动控制器发出控制指令，指挥伺服系统完成目标运动； 步骤6 :进入下一个采样周期，控制系统重复上述步骤3-5直至试验工况拖曳完毕。
7.根据权利要求6所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制方法，其特征在于，数值模拟运算器计算下一个采样周期内的试件运动目标信息的具体方式为，数据经过滤波之后，利用Newmark- ^方法，根据t时刻的位移y (tn)、速度j(/ )、加速度以及水动力Ffluid(tn)求解试件下一时刻的运动信息
8.根据权利要求6所述的基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制方法，其特征在于，数值模拟运算器滤波的截止频率为lOOrad/s。
全文摘要
本发明提供一种基于力反馈原理的涡激振动试验装置控制系统和控制方法。试验过程中采用RTOS系统，实现力反馈技术，即通过传感器得到力和速度信号，根据当前的力和速度信号计算得到下一个时刻模型的目标速度，并控制机械系统按照指令进行运动。本发明有益效果为，结合力反馈控制原理的涡激振动试验装置，通过设定质量、阻尼、刚度系数等参数模拟模型结构性能，取代了传统自激振荡装置中更换立管、弹簧、阻尼器等繁琐的试验操作，加快了试验进度，并为立管分段模型的选择提供了很大的自由度，高效快速地完成立管系列对比试验；可利用测量得到的模型受来流作用力，通过实时数值计算，得到模型相应时刻的真实运动特性。
文档编号G05B13/04GK102967427SQ20121043723
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者付世晓, 许玉旺, 范迪夏, 郭飞, 陈希恰 申请人:上海交通大学