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

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服傳統(tǒng)的時域評價方法在評價實時混合模擬效果的不足，本發(fā)明從頻域的角度出發(fā)，提出了一種實時混合模擬試驗效果的頻域評價方法，可以對實時混合模擬的試驗誤差和時滯進行準(zhǔn)確的評價，從而指導(dǎo)后續(xù)的試驗數(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實時混合模擬的輸入信號和輸出信號分別乘以一個窗函數(shù)，得到加窗后的輸入信號和輸出信號；
第二步:對第一步加窗后的輸入信號和輸出信號進行快速傅立葉變換，得到輸入信號和輸出信號的頻譜；第三步:將第二步得到的輸入信號的頻譜對應(yīng)于每個頻率的值，分別除以輸出信號的頻譜在相同頻率下對應(yīng)的值，得到各頻率下輸入信號與輸出信號的頻譜比值；第四步:將第二步得到的輸入信號的頻譜對應(yīng)于每個頻率的值取模，進一步得到模的η次冪，并對各頻率下模的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，得到輸入信號中該頻率的權(quán)重；第六步:在每一個頻率下，將第三步得到的輸入信號與輸出信號的頻譜比值，分別乘以對應(yīng)頻率下第五步得到的權(quán)重，然后將各個頻率下的乘積結(jié)果進行累加，得到頻域分析指標(biāo)FEI ；第七步:計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)用來判斷試驗的幅值誤差大小，而相位Φ用于計算時滯；第八步:對第二步得到的輸入信號的頻譜，將輸入信號的各個頻率分別乘以其在第五步中的權(quán)重，并進行加權(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的等效頻率f'得到實時混合模擬的時滯d。其中，第七步得到的幅值A(chǔ)、相位Φ和第九步得到的時滯d即為評價實時混合模擬的指標(biāo)，若幅值A(chǔ)越接近于1、 相位Φ和時滯d越接近于0，說明試驗的效果越好。有益效果:采用本發(fā)明的“實時混合模擬試驗效果的頻域評價方法”后，能夠準(zhǔn)確的計算實時混合模擬的時滯和試驗誤差。對數(shù)據(jù)加窗的方法，可以消除信號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。在實時混合模擬的分析過程中，若將計算位移作為輸入信號，測量位移作為輸出信號，可以得到實時混合模擬的時滯，從而可以對補償方法進行評價；若將指令位移作為輸入信號，測量位移作為輸出信號，可以得到實時混合模擬的試驗誤差和試驗效果。因此，通過實施混合模擬頻域評價方法，可以對試驗效果進行評價的同時，還能比較不同補償方法的優(yōu)劣。
具體實施例方式第一步:對實時混合模擬的輸入信號和輸出信號加窗，減小頻譜泄露對頻域分析的影響。對于窗函數(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) ’分別代表輸入信號和輸出信號，I⑴和0(t)分別代表加窗輸入信號和輸出信號，H(L)代表長度為L的漢寧窗；第二步:對第一步加窗后的輸入信號和輸出信號進行快速傅立葉變換，得到輸入信號和輸出信號的頻譜，該頻譜包含兩個變量:一個是頻率，一個是對應(yīng)頻率下頻譜的值；
第三步:將第二步得到的輸入信號的頻譜對應(yīng)于每個頻率的值，分別除以輸出信號的頻譜在相同頻率下對應(yīng)的值，得到各頻率下輸入信號與輸出信號的頻譜比值；第四步:將第二步得到的輸入信號的頻譜對應(yīng)于每個頻率的值取模，進一步得到模的η次冪，并對各頻率下模的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，得到輸入信號中該頻率的權(quán)重；第六步:在每一個頻率下，將第三步得到的輸入信號與輸出信號的頻譜比值，乘以第五步得到的權(quán)重，再將所有頻率下的乘積進行累加，得到頻域分析指標(biāo)FEI:
權(quán)利要求
1.一種實時混合模擬試驗效果的頻域評價方法，其特征在于該方法包含以下步驟:第一步:對實時混合模擬的輸入信號和輸出信號分別乘以一個窗函數(shù)，得到加窗后的輸入信號和輸出信號；第二步:對第一步加窗后的輸入信號和輸出信號進行快速傅立葉變換，得到輸入信號和輸出信號的頻譜；第三步:將第二步得到的輸入信號的頻譜對應(yīng)于每個頻率的值，分別除以輸出信號的頻譜在相同頻率下對應(yīng)的值，得到各頻率下輸入信號與輸出信號的頻譜比值；第四步:將第二步得到的輸入信號的頻譜對應(yīng)于每個頻率的值取模，進一步得到模的η次冪，并對各頻率下模的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，得到輸入信號中該頻率的權(quán)重；第六步:在每一個頻率下，將第三步得到的輸入信號與輸出信號的頻譜比值，分別乘以對應(yīng)頻率下第五步得到的權(quán)重，然后將各個頻率下的乘積結(jié)果進行累加，得到頻域分析指標(biāo) FEI ；第七步:計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)用來判斷試驗的幅值誤差大小，而相位Φ用于計算時滯；第八步:對第二步得到的輸入信號的頻譜，將輸入信號的各個頻率分別乘以其在第五步中的權(quán)重，并進行加權(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的等效頻率得到實時混合模擬的時滯d。其中，第七步得到的幅值A(chǔ)、相位Φ和第九步得到的時滯d即為評價實時混合模擬的指標(biāo)，若幅值A(chǔ)越接近于1、相位Φ和時滯d越接近于O，說明試驗的效果越好。
全文摘要
一種實時混合模擬試驗效果的頻域評價方法，對實時混合模擬的輸入和輸出進行傅里葉變化，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)，可以得到評價指標(biāo)FEI，計算評價指標(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，說明試驗的效果越好。同時，采用與計算評價指標(biāo)FEI相同的加權(quán)方法計算輸入信號的等效頻率feq，用相位φ除以等效頻率feq可以得到實時混合模擬的時滯。該方法可以通過選取計算位移或者指令位移作為輸入，測量位移作為輸出，對實時混合模擬的效果進行評價，或者對不同的補償方法進行評價。
文檔編號G01M99/00GK103076194SQ201210593190
公開日2013年5月1日 申請日期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 申請人:東南大學(xué)