專利名稱：基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋工程領(lǐng)域，具體地涉及一種基于力反饋控制原理模渦激振動試驗裝置的控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
實際海洋環(huán)境中的立管為長細柔性結(jié)構(gòu)，在洋流的作用下會產(chǎn)生渦激振動，振動引起的結(jié)構(gòu)疲勞或可能的共振等將對海洋結(jié)構(gòu)物的安全造成極大威脅。目前研究渦激振動的試驗方法有兩種強迫振蕩和自激振蕩。對于兩種試驗方式， 利用一套試驗裝置僅僅能夠?qū)τ邢薜膱A柱體模型進行試驗，尤其是對于自激振蕩試驗，試驗中的重要參數(shù)(模型質(zhì)量、彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)等)在一個試驗中幾乎是定值，因此一次試驗得到的信息量較小。為了彌補這種不足，并加強對強迫振蕩試驗和自激振蕩試驗相互關(guān)系的研究，一種創(chuàng)新的研究方式，帶有力反饋裝置的強迫振蕩試驗研究展現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的研究裝置普遍存在以下不足(1)傳統(tǒng)自激振蕩試驗局限于立管分段模型的實際結(jié)構(gòu)性能，只能測得具有既定結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的立管的渦激振動響應(yīng)，降低了普適性，而更換立管、彈簧、阻尼器等將消耗大量時間，拖延試驗進度；(2)當前的強迫振蕩裝置只能使立管模型按照既定的周期和振幅運動，無法模擬模型在來流作用下真實的響應(yīng)；
(3)自激振蕩試驗裝置，尤其是雙自由度的，設(shè)計和制造非常復(fù)雜，而且很難保證振動系統(tǒng)在兩個方向上的質(zhì)量和固有頻率相等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，旨在結(jié)合模型試驗與數(shù)值模擬，通過力與速度的測量和實時信號反饋，實時數(shù)值模擬具有虛擬結(jié)構(gòu)參數(shù)的立管的運動特性，解決現(xiàn)有試驗裝置局限于模型實際結(jié)構(gòu)性能，只能進行既定周期的強迫振動，且設(shè)計制造比較復(fù)雜，簡而言之無法較簡易且準確地模擬立管處于實際海況中的問題。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種基于力反饋控制原理模擬深海立管分段模型來流中自激振動的試驗裝置的控制系統(tǒng)及其控制方法，其特征在于通過數(shù)據(jù)采集處理器，采集試驗工況中試驗試件受力與運動信息，并通過相應(yīng)數(shù)值模擬運算器實時計算獲得下一時刻模型運動速度，通過運動控制器驅(qū)動伺服系統(tǒng)完成運動任務(wù)，并進行下一循環(huán)工作。為保證硬實時性，上述系統(tǒng)通過RTOS系統(tǒng)控制，信號通過總線傳輸，結(jié)果通過與RTOS系統(tǒng)連接的顯示器實時反饋給試驗人員。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)，包括RTOS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運算器、運動控制器、三分力儀、編碼器、伺服系統(tǒng)，RTOS系統(tǒng)依次連接數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運算器、運動控制器，數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端與三分力儀、編碼器相連，數(shù)據(jù)采集處理器的輸出端與RTOS系統(tǒng)相連接，運動控制器的輸入端與RTOS系統(tǒng)相連接，運動控制器的輸出端與伺服系統(tǒng)相連，其中
RTOS系統(tǒng)為實時操作系統(tǒng)，用于保證數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、以及運動響應(yīng)的實時性；數(shù)據(jù)采集處理器用于獲得試驗試件的受力信息、以及運動信息；數(shù)值模擬運算器用于根據(jù)設(shè)定的模擬立管模型的性能參數(shù)建立立管的物理模型，并將接收自數(shù)據(jù)采集處理器的受力信息和運動信息加載到立管的物理模型上，計算下一個采樣周期內(nèi)的試件運動目標信息；運動控制器用于向伺服系統(tǒng)發(fā)出運動指令，并根據(jù)試件運動目標信息發(fā)出控制指令，其中，運動指令用于指揮渦激振動實驗裝置的拖車以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，控制指令用于指揮伺服系統(tǒng)完成目標運動。優(yōu)選地，還包括與RTOS系統(tǒng)相連接的顯示器，其中，顯示器用于實時顯示實驗試驗運動與受力情況。優(yōu)選地，數(shù)值模擬運算器在將接收自數(shù)據(jù)采集處理器的受力信息和運動信息加載到立管的物理模型上之前，先對受力信息進行濾波、降噪處理，具體地對受力信息進行濾波、降噪處理，從而保留受力信息中的流體力信息、以及試件慣性力信息；然后根據(jù)運動信息中的試件加速度運動信息，結(jié)合試件本身的固定的結(jié)構(gòu)信息，從而去除受力信息中的試件慣性力信息，僅保留試件所受的流體力信息，并將流體力信息作為激勵信號加載于立管的物理模型上。優(yōu)選地，數(shù)值模擬運算器計算下一個采樣周期內(nèi)的試件運動目標信息的具體方式為，數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波之后，利用Newmark- ^方法，根據(jù)t時刻的位移y (tn)、速度、加速度KU以及水動力Ffluid(tn)求解試件下一時刻的運動信息
權(quán)利要求
1.一種基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)，其特征在于，包括RTOS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運算器、運動控制器、三分力儀、編碼器、伺服系統(tǒng)，RTOS系統(tǒng)依次連接數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)值模擬運算器、運動控制器，數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端與三分力儀、編碼器相連，數(shù)據(jù)采集處理器的輸出端與RTOS系統(tǒng)相連接，運動控制器的輸入端與RTOS系統(tǒng)相連接，運動控制器的輸出端與伺服系統(tǒng)相連，其中 RTOS系統(tǒng)為實時操作系統(tǒng)，用于保證數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、以及運動響應(yīng)的實時性； 數(shù)據(jù)采集處理器用于獲得試驗試件的受力信息、以及運動信息； 數(shù)值模擬運算器用于根據(jù)設(shè)定的模擬立管模型的性能參數(shù)建立立管的物理模型，并將接收自數(shù)據(jù)采集處理器的受力信息和運動信息加載到立管的物理模型上，計算下一個采樣周期內(nèi)的試件運動目標信息； 運動控制器用于向伺服系統(tǒng)發(fā)出運動指令，并根據(jù)試件運動目標信息發(fā)出控制指令，其中，運動指令用于指揮渦激振動實驗裝置的拖車以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，控制指令用于指揮伺服系統(tǒng)完成目標運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括與RTOS系統(tǒng)相連接的顯示器，其中，顯示器用于實時顯示實驗試驗運動與受力情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)值模擬運算器在將接收自數(shù)據(jù)采集處理器的受力信息和運動信息加載到立管的物理模型上之前，先對受力信息進行濾波、降噪處理，具體地 對受力信息進行濾波、降噪處理，從而保留受力信息中的流體力信息、以及試件慣性力信息；然后根據(jù)運動信息中的試件加速度運動信息，結(jié)合試件本身的固定的結(jié)構(gòu)信息，從而去除受力信息中的試件慣性力信息，僅保留試件所受的流體力信息，并將流體力信息作為激勵信號加載于立管的物理模型上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)值模擬運算器計算下一個采樣周期內(nèi)的試件運動目標信息的具體方式為，數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波之后，利用Newmark- ^方法，根據(jù)t時刻的位移y (tn)、速度j(U、加速度K(,)以及水動力Ffluid(tn)求解試件下一時刻的運動信息 ) 其中，
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)值模擬運算器濾波的截止頻率為lOOrad/s。
6.一種基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I :首先試驗開始前，在數(shù)值模擬運算器中設(shè)定模擬立管模型的性能參數(shù)，從而建立需要模擬的立管的物理模型，并使得渦激振動實驗裝置的所有設(shè)備處于試驗準備狀態(tài)；步驟2 :試驗中，運動控制器發(fā)出運動指令，指揮渦激振動實驗裝置的拖車以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，當達到試驗工況設(shè)計要求時，開始進入采樣模擬循環(huán)階段，模擬循環(huán)階段即步驟3-6 ； 步驟3 :通過數(shù)據(jù)采集處理器獲得試驗試件的受力信息、以及運動信息； 步驟4 :受力信息和運動信息通過RTOS系統(tǒng)同步由數(shù)據(jù)采集處理器輸入至數(shù)值模擬運算器內(nèi)，完成濾波、降噪處理，去除受力信息中的噪聲，保留受力信息中的流體力信息以及試件慣性力信息；通過數(shù)據(jù)采集處理器所獲得的運動信息中的試件加速度運動信息，結(jié)合試件本身的固定的結(jié)構(gòu)信息，從而去除受力信息中的試件慣性力信息，僅保留試件所受的流體力信息，作為激勵信號加載于步驟I中所述的立管的物理模型上，獲得下一個采樣周期內(nèi)的試件運動目標信息； 步驟5 :試件運動目標信息通過RTOS系統(tǒng)同步至運動控制器，結(jié)合數(shù)據(jù)采集處理器實時反饋的運動信息，由運動控制器發(fā)出控制指令，指揮伺服系統(tǒng)完成目標運動； 步驟6 :進入下一個采樣周期，控制系統(tǒng)重復(fù)上述步驟3-5直至試驗工況拖曳完畢。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制方法，其特征在于，數(shù)值模擬運算器計算下一個采樣周期內(nèi)的試件運動目標信息的具體方式為，數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波之后，利用Newmark- ^方法，根據(jù)t時刻的位移y (tn)、速度j(/ )、加速度以及水動力Ffluid(tn)求解試件下一時刻的運動信息
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制方法，其特征在于，數(shù)值模擬運算器濾波的截止頻率為lOOrad/s。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于力反饋原理的渦激振動試驗裝置控制系統(tǒng)和控制方法。試驗過程中采用RTOS系統(tǒng)，實現(xiàn)力反饋技術(shù)，即通過傳感器得到力和速度信號，根據(jù)當前的力和速度信號計算得到下一個時刻模型的目標速度，并控制機械系統(tǒng)按照指令進行運動。本發(fā)明有益效果為，結(jié)合力反饋控制原理的渦激振動試驗裝置，通過設(shè)定質(zhì)量、阻尼、剛度系數(shù)等參數(shù)模擬模型結(jié)構(gòu)性能，取代了傳統(tǒng)自激振蕩裝置中更換立管、彈簧、阻尼器等繁瑣的試驗操作，加快了試驗進度，并為立管分段模型的選擇提供了很大的自由度，高效快速地完成立管系列對比試驗；可利用測量得到的模型受來流作用力，通過實時數(shù)值計算，得到模型相應(yīng)時刻的真實運動特性。
文檔編號G05B13/04GK102967427SQ20121043723
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者付世曉, 許玉旺, 范迪夏, 郭飛, 陳希恰 申請人:上海交通大學(xué)