能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)包括質(zhì)量塊和控制裝置，土試樣底端固定在基座上，頂端與質(zhì)量塊中心連接。質(zhì)量塊包括十字架、連接件、4塊條形磁鐵、加速度計(jì)及配重塊；控制裝置包括單片機(jī)、USB接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電荷放大器、多路開關(guān)、可編程增益放大器、采樣保持器和功率放大器；加速度計(jì)、電荷放大器、可編程增益放大器、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次連接，用于檢測(cè)加速度信號(hào)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器、功率放大器及線圈依次連接，用于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊使土試樣振動(dòng)。控制裝置通過USB接口與PC機(jī)連接，接收來自PC的各種指令，同時(shí)也將有關(guān)數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)顯示實(shí)時(shí)顯示。
【專利說明】
能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及共振柱技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)及控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)工藝復(fù)雜技術(shù)難度大，目前世界上生產(chǎn)共振柱的廠家屈指可 數(shù)，少之又少。目前市場(chǎng)上已有的共振柱系統(tǒng)普遍采用自由振動(dòng)法和共振法兩種方式進(jìn)行 工作，而這兩種方式的振動(dòng)均在測(cè)量后的參數(shù)方面存在一定的誤差，同時(shí)也無法在軟件編 程方面回避消除掉該誤差，并且阻尼比通過試樣在衰減振蕩下，測(cè)量幅度的衰減來求得，由 于剪切模量和阻尼比都隨時(shí)間的增加而變化，因此在測(cè)量過程中不改變周期和幅值，對(duì)振 動(dòng)歷時(shí)很難加以控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供能量注入式虛擬質(zhì)量共振 柱控制系統(tǒng)，其能在沒有其他外加能源的情況下保證整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。
[0004] 本發(fā)明的目的之二在于提供能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制方法，其能實(shí)現(xiàn)本發(fā) 明的目的之一。
[0005] 本發(fā)明的目的之一采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] 能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，包括基座、土試樣、質(zhì)量塊和控制裝置，該 質(zhì)量塊包括十字架、連接件、4塊條形磁鐵、加速度計(jì)和配重塊，4塊條形磁鐵分別通過連接 件均勻固定在十字架的四個(gè)端上，加速度計(jì)安裝在十字架的邊緣，配重塊固定在十字架的 邊緣，且配重塊的重量與加速度計(jì)的重量相等，配重塊和加速度計(jì)以質(zhì)量塊的軸線為對(duì)稱 軸對(duì)稱設(shè)置;每一塊條形磁鐵的兩端分別套設(shè)有一線圈;土試樣的底端固定在基座上;土試 樣的頂端與質(zhì)量塊的中心連接;所述控制裝置包括單片機(jī)、USB接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換 器、電荷放大器、多路開關(guān)、信號(hào)調(diào)理器、可編程增益放大器和采樣保持器和功率放大器;加 速度計(jì)、電荷放大器、可編程增益放大器、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次連接，控制裝置通過 USB接口與PC機(jī)連接;信號(hào)調(diào)理器、電荷放大器、可編程增益放大器均與多路開關(guān)連接;所述 控制裝置不斷采樣角加速度信號(hào)，然后根據(jù)用戶給定的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度進(jìn)行比較，得 到頻率誤差信號(hào)和幅度誤差信號(hào)，然后分別對(duì)這兩個(gè)誤差信號(hào)進(jìn)行數(shù)字比例、積分和微分 (PID)調(diào)節(jié)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字變?yōu)槟M振動(dòng)信號(hào)，通過功率放大器輸出驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生振 動(dòng)磁場(chǎng)，使4個(gè)條形磁鐵驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊使土試樣頂端按給定的頻率和幅度振動(dòng)。
[0007] 優(yōu)選的，所述十字架上還設(shè)有加速度傳感器，加速度傳感器與信號(hào)調(diào)理器連接，加 速度傳感器輸出的加速度信號(hào)的電荷量由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓量，經(jīng)可編程增益放大器 調(diào)節(jié)電壓量的大小，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將加速度信號(hào)的模擬量變?yōu)閿?shù)字 量并送單片機(jī)進(jìn)行處理。加速度傳感器對(duì)質(zhì)量塊在振動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的加速度進(jìn)行檢測(cè)。
[0008] 優(yōu)選的，所述十字架上還設(shè)有垂直方向位移傳感器，該垂直方向位移傳感器經(jīng)過 調(diào)理模塊接多路開關(guān)輸入端，由可編程增益放大器調(diào)節(jié)垂直方向位移信號(hào)的大小，再由模 數(shù)轉(zhuǎn)換器將該垂直方向位移信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送單片機(jī)進(jìn)行處理。垂直方向位移傳感器 對(duì)質(zhì)量塊在振動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)在軸向上的角度偏移進(jìn)行檢測(cè)，輸出軸向角度偏移信號(hào)至計(jì)算機(jī)以 供用戶作為參考。
[0009] 優(yōu)選的，還包括平衡塊、滑輪組和鋼繩；鋼繩的一端與質(zhì)量塊的中心點(diǎn)連接，另一 端繞設(shè)于滑輪組后從滑輪組引出至與平衡塊連接，該平衡塊的重量用于抵消質(zhì)量塊的重 量。通過滑輪組和平衡塊的設(shè)置，能夠抵消質(zhì)量塊等附加重量，以減小附加重量對(duì)測(cè)試過程 產(chǎn)生的影響，提高精確度。
[0010] 本發(fā)明的目的之二采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0011] 能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制方法，應(yīng)用于本發(fā)明目的之一的能量注入式虛擬 質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，加速度計(jì)采集質(zhì)量塊的角加速度，該角加速度乘以變量Ιι作為角加 速度環(huán)路反饋信號(hào);對(duì)角加速度進(jìn)行一次積分得到角速度信號(hào)，角速度信號(hào)乘以變量C1作 為速度的反饋信號(hào)，將角加速度環(huán)路反饋信號(hào)和速度的反饋信號(hào)相加得到數(shù)字扭矩信號(hào)T; 角加速度信號(hào)經(jīng)過一頻率計(jì)數(shù)器獲得振蕩頻率，與來自用戶給定的預(yù)設(shè)頻率比較得到頻率 誤差信號(hào)，該頻率誤差信號(hào)輸出至一 PID控制器以對(duì)參數(shù)變量II進(jìn)行調(diào)節(jié)，使土試樣按給定 的預(yù)設(shè)頻率振動(dòng)；角加速度信號(hào)經(jīng)過一均方根檢測(cè)器得到振幅，與來自用戶給定的預(yù)設(shè)振 幅比較得到振幅誤差信號(hào)，該振幅誤差信號(hào)輸出至一的PID控制器以對(duì)變量&進(jìn)行調(diào)節(jié)，使 土試樣按給定的預(yù)設(shè)振幅振動(dòng)。
[0012] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：
[0013] 本發(fā)明在上電啟動(dòng)后，不斷對(duì)質(zhì)量塊的角加速度進(jìn)行采集，進(jìn)行相關(guān)處理后輸出 信號(hào)至線圈，使線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)在沒有其他信號(hào)源的情況下也可以使土樣在給定的頻 率和給定的幅度下運(yùn)動(dòng)起來。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明的非線性阻尼特性圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖中：1、土試樣；2、十字架；3、加速度計(jì);4、基座；5、鋼繩;6、滑輪組;7、平衡塊;8、 條形磁鐵;9、線圈；10、單片機(jī)；11、功率放大器;12、模數(shù)轉(zhuǎn)換器;13、數(shù)模轉(zhuǎn)換器;14、電荷放 大器;15、可編程增益放大器;16、采樣保持器;17、信號(hào)調(diào)理器;18、多路開關(guān)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面，結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
[0019] 參見圖1，本發(fā)明提供能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，包括基座4、土試樣1、 質(zhì)量塊和控制裝置。
[0020] 其中，土試樣1的底端固定在基座4上，土試樣1的頂端與質(zhì)量塊的中心連接，在系 統(tǒng)裝配前，還具有一個(gè)試樣裝配殼，該裝配殼容納土試樣1，經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)中的對(duì)土試樣1的 抽真空等處理后使得土試樣結(jié)塊固定、不會(huì)散開，然后將試樣裝配殼拆除，因而在應(yīng)用到本 系統(tǒng)時(shí)，已經(jīng)是沒有試樣裝配殼這個(gè)結(jié)構(gòu)。該質(zhì)量塊包括十字架2、連接件、4塊條形磁鐵8、 加速度計(jì)3和配重塊，4塊條形磁鐵8分別通過連接件均勻固定在十字架2上，加速度計(jì)3安 裝在十字架2的邊緣，，配重塊固定在十字架的邊緣，且配重塊的重量與加速度計(jì)的重量相 等，配重塊和加速度計(jì)以質(zhì)量塊的軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置;每一塊條形磁鐵8的兩端分別套 設(shè)有一線圈9?？刂蒲b置包括單片機(jī)10、USB接口（未圖示）、功率放大器11、模數(shù)轉(zhuǎn)換器12、數(shù) 模轉(zhuǎn)換器13、電荷放大器14、可編程增益放大器15、采樣保持器16、信號(hào)調(diào)理器17和多路開 關(guān)18;加速度計(jì)3、電荷放大器14、可編程增益放大器15、采樣保持器16、模數(shù)轉(zhuǎn)換器12依次 連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器12和數(shù)模轉(zhuǎn)換器13均通過USB接口與單片機(jī)10連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器13通過功 率放大器11與線圈9連接，可編程增益放大器15和采樣保持器16均通過USB接口與單片機(jī)連 接?？刂蒲b置通過USB接口與PC機(jī)連接。
[0021]加速度計(jì)3用于采集質(zhì)量塊的角加速度，并依次通過電荷放大器14、可編程增益放 大器15、采樣保持器16和模數(shù)轉(zhuǎn)換器12輸出角加速度信號(hào)至單片機(jī)10;單片機(jī)10用于根據(jù) 該角加速度信號(hào)處理得到相應(yīng)的數(shù)字扭矩信號(hào)，該數(shù)字扭矩信號(hào)輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 模擬扭矩信號(hào)，通過功率放大器11輸出該模擬扭矩信號(hào)至線圈9,使線圈9有電流經(jīng)過而產(chǎn) 生磁場(chǎng)，條形磁鐵8之間相互作用產(chǎn)生作用力，質(zhì)量塊受力運(yùn)動(dòng)，使得土樣跟著振動(dòng)，從而實(shí) 現(xiàn)不需要外部施加信號(hào)源也能使質(zhì)量塊持續(xù)運(yùn)動(dòng)。
[0022]單片機(jī)10作為前端微處理器用于控制共振柱系統(tǒng)，并通過USB接口與PC機(jī)連接，接 收來自PC的各種指令，同時(shí)也將有關(guān)數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)顯示實(shí)時(shí)顯示。所述前端微處理器不 斷采樣角加速度信號(hào)，然后根據(jù)用戶給定的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度進(jìn)行比較，得到頻率誤差 信號(hào)和幅度誤差信號(hào)，然后分別對(duì)這兩個(gè)誤差信號(hào)進(jìn)行數(shù)字比例、積分和微分(PID)調(diào)節(jié)， 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器13將數(shù)字變?yōu)槟M振動(dòng)信號(hào)，通過功率放大器輸出驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生振動(dòng)磁場(chǎng)， 使4個(gè)條形磁鐵8帶動(dòng)質(zhì)量塊和土試樣頂端按給定的頻率和幅度振動(dòng)。
[0023] 質(zhì)量塊上還設(shè)有加速度傳感器和垂直方向位移傳感器，所述控制裝置包括信號(hào)調(diào) 理器17和多路開關(guān)18,加速度傳感器和垂直方向位移傳感器均與信號(hào)調(diào)理器17連接，信號(hào) 調(diào)理器17、電荷放大器14可編程增益放大器15均與多路開關(guān)18連接，單片機(jī)10通過USB接口 與多路開關(guān)18連接;加速度傳感器用于檢測(cè)質(zhì)量塊在水平方向上的加速度信號(hào)，并依次通 過信號(hào)調(diào)理模塊、多路開關(guān)18、可編程增益放大器15、采樣保持器16和模數(shù)轉(zhuǎn)換器12輸出水 平角度偏移信號(hào)至單片機(jī)10;加速度傳感器輸出的加速度信號(hào)電荷量由電荷放大器轉(zhuǎn)換為 電壓量，經(jīng)可編程增益放大器調(diào)節(jié)電壓量的大小，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將加 速度信號(hào)的模擬量變?yōu)閿?shù)字量并送單片機(jī)進(jìn)行處理。垂直方向位移傳感器用于檢測(cè)質(zhì)量塊 在垂直方向上的角度偏移，并依次通過信號(hào)調(diào)理器17、多路開關(guān)18、可編程增益放大器15、 采樣保持器16和模數(shù)轉(zhuǎn)換器12輸出軸向角度偏移信號(hào)至計(jì)單片機(jī)10。所述十字架上還設(shè)有 垂直方向位移傳感器，垂直方向位移傳感器經(jīng)過調(diào)理器17接多路開關(guān)18輸入端，由可編程 增益放大器15調(diào)節(jié)垂直方向位移信號(hào)的大小，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器12將該垂直方向位移信號(hào) 變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送單片機(jī)進(jìn)行處理。多路開關(guān)18每一次只能連接加速度計(jì)或加速度傳感器 或垂直方向位移傳感器，單片機(jī)10可以控制多路開關(guān)18切換頻率，保證多路開關(guān)18的切換 頻率足夠快，則相當(dāng)于一直在采集上述三種傳感器的信號(hào)。電荷放大器14是將加速度傳感 器輸出的電荷變?yōu)殡妷海删幊淘鲆娣糯笃?5用于調(diào)節(jié)加速度信號(hào)的大小，以進(jìn)一步提高 測(cè)量精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器12將加速度模擬量變?yōu)閿?shù)字量并送單片機(jī)進(jìn)行處理
[0024] 本發(fā)明提供的能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)還包括平衡塊7、滑輪組6和鋼 繩5;鋼繩5的一端與質(zhì)量塊的中心點(diǎn)連接，另一端繞設(shè)于滑輪組6后從滑輪組6引出至與平 衡塊7連接，該平衡塊7的重量用于抵消質(zhì)量塊的重量。
[0025] 另一方面，本發(fā)明還提供一種能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制方法，其應(yīng)用于能 量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，包括兩個(gè)閉合控制環(huán)路，其中一個(gè)閉合控制環(huán)路為加 速度計(jì)采集質(zhì)量塊的角加速度，該角加速度乘以變量Ιι作為角加速度環(huán)路反饋信號(hào)，另一 個(gè)閉合控制環(huán)路為對(duì)角加速度進(jìn)行一次積分得到角速度信號(hào)，角速度信號(hào)乘以變量Ci作為 速度的反饋信號(hào)，將角加速度環(huán)路反饋信號(hào)和速度的反饋信號(hào)相加得到扭矩T;該扭矩T與 系統(tǒng)中得到的數(shù)字扭矩信號(hào)對(duì)應(yīng);還包括兩個(gè)開放控制環(huán)路，其中一個(gè)開放控制環(huán)路為頻 率控制環(huán)路，角加速度信號(hào)經(jīng)過一頻率計(jì)數(shù)器獲得振蕩頻率，與來自用戶給定的預(yù)設(shè)頻率 比較得到頻率誤差信號(hào)，該頻率誤差信號(hào)輸出至PID控制器以對(duì)變量^進(jìn)行調(diào)節(jié)，使土試樣 按給定的預(yù)設(shè)頻率振動(dòng)；另一個(gè)開放控制環(huán)路為振幅控制環(huán)路，角加速度信號(hào)經(jīng)過一均方 根檢測(cè)器得到振幅，與來自用戶給定的預(yù)設(shè)振幅比較得到振幅誤差信號(hào)，該振幅誤差信號(hào) 輸出至PID控制器以對(duì)變量&進(jìn)行調(diào)節(jié)，使土試樣按給定的預(yù)設(shè)振幅振動(dòng)。
[0026] 由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算均是基于離散信號(hào)，也就是數(shù)字信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)無法處理，因 而首先需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)下的角加速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);兩個(gè)開環(huán)不斷 對(duì)idPCi這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正，能夠使得最終輸出的信號(hào)更加精確。
[0027]參見圖3,本發(fā)明的原理在于：
[0028] 對(duì)于共振柱而言，其共振頻率主要取決于土樣的剛度和質(zhì)量塊的質(zhì)量。對(duì)于傳統(tǒng) 的共振柱系統(tǒng)，施加在質(zhì)量塊上的信號(hào)是開環(huán)驅(qū)動(dòng)的，而質(zhì)量塊的質(zhì)量在試驗(yàn)過程中是不 能改變的，所以對(duì)于某一土樣在某一給到振幅下其共振頻率和應(yīng)變率已預(yù)先確定。按照 Dalembert理論，如果給土樣頂部的質(zhì)量塊施加一個(gè)與角加速度成正比的扭矩，該扭矩相當(dāng) 于給土樣頂部增加一個(gè)額外的虛擬質(zhì)量，這樣系統(tǒng)的共振頻率將隨該扭矩大小的改變而改 變。土樣的剛度特性可以由系統(tǒng)參數(shù)、質(zhì)量塊系數(shù)和共振頻率來決定。該原理同樣適用于阻 尼控制，如果施加一個(gè)與角加速度成正比的扭矩，該扭矩則會(huì)補(bǔ)充系統(tǒng)在振動(dòng)過程中消耗 的能量，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定振動(dòng)。因此，在給定的剪應(yīng)變幅值下，土樣的阻尼比可以通過所施 加的扭矩來求得。
[0029] 假設(shè)給質(zhì)量塊施加的扭矩為T，則土樣頂部的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0031]式中Θ為試樣頂部質(zhì)量塊的角位移；I〇為質(zhì)量塊的質(zhì)量慣性矩;C0和k都是與振動(dòng) 頻率和試樣幾何尺寸以及物理特性有關(guān)的參數(shù);T為施加在質(zhì)量塊上的扭矩。式（1)是二階 實(shí)系數(shù)非齊次微分方程。
[0037] 式中，UPC!為可調(diào)參數(shù)。
[0038] 另式(4)中的& = 0)，土樣將做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則振動(dòng)方程為
[0042]固式(6)的通解為
[0043] Θ = A&m{cot + φ) (γ )
[0044] 即產(chǎn)生正弦振蕩，其振幅A和初相角P與初始條件有關(guān)。振動(dòng)角頻率為
[0046] 可以證明，當(dāng)阻尼比β〈<1時(shí)，有
[0048] 通過式(8)和式(9)可以獲得土樣的兩個(gè)重要參數(shù):振動(dòng)角頻率ω和阻尼比β。
[0049] 從式(4)可知，當(dāng)& = 0)，且CjPCo均為常數(shù)時(shí)，系統(tǒng)與剪應(yīng)變振幅的阻尼是不確定 的，要使系統(tǒng)按給定的振幅下能穩(wěn)定振蕩，Co必須有一個(gè)合適的值。也就是說，非線性阻尼 成分存在于系統(tǒng)中。顯然，&是振幅A的函數(shù):& = (Η)Α，式中，C、D為可調(diào)參數(shù)。
[0050] 研究表明，土的物理特性決定了Co與A的關(guān)系是非線性的。典型的土非線性阻尼特 性曲線Co和函數(shù)&的關(guān)系如圖2所示。由于Q的斜率為負(fù)，使CdPQ在第一象限有一個(gè)交點(diǎn)， 該交點(diǎn)決定振幅?？梢宰屝膩砀淖兗魬?yīng)變振幅。特別是在低應(yīng)變(A很小時(shí)），土樣的非線性 阻尼特性相對(duì)較弱，這時(shí)可以通過調(diào)節(jié)CiSD使振幅穩(wěn)定來。徹底解決目前共振柱小應(yīng)變或 微應(yīng)變情況下難以保證振幅穩(wěn)定的一大難題。
[0051] 上述推導(dǎo)過程都是基于模擬信號(hào)推導(dǎo)，然而計(jì)算機(jī)的計(jì)算都是基于離散信號(hào)進(jìn)行 處理，并且計(jì)算機(jī)并不能根據(jù)式（1)至式(9)進(jìn)行計(jì)算，所以需要進(jìn)行拉普拉斯變換，拉普拉 斯變換就是公式（1)至公式(9)的超運(yùn)算，變成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的加減乘除的計(jì)算。因而本 發(fā)明執(zhí)行的流程為，先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī) 根據(jù)拉普拉斯方程進(jìn)行運(yùn)算得到扭矩，輸出扭矩信號(hào)至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并通 過功率放大器進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)線圈，使線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而是土樣產(chǎn)生反復(fù)運(yùn)動(dòng)。 [0052]圖3的原理圖實(shí)際上與本發(fā)明的方法對(duì)應(yīng)，本發(fā)明從控制領(lǐng)域角度來看就是一個(gè) 多層多環(huán)路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，本發(fā)明采用數(shù)字控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)測(cè)量，對(duì)控 制環(huán)路中由拉普拉斯方程表示的環(huán)節(jié)D(s)用Tustin變換得到離散化模型D(z)，即
[0053] 將前面闡述的公式改寫為拉普拉斯方程，則上述式(4)
￡> 相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行兩個(gè)環(huán)路，一個(gè)是由加速度計(jì)采集的角加速度I乘以參數(shù)（也就是 11)作為角加速度環(huán)路反饋信號(hào)，也就是本發(fā)明的步驟S4，另外一環(huán)路是對(duì)角加速度i進(jìn)行 一次積分α/s)得到角速度信號(hào)#，角速度信號(hào)|乘以參數(shù)(也就是C1)后作為速度的反饋信 號(hào)，也就是本發(fā)明的步驟S6。角加速度環(huán)路反饋信號(hào)和速度的反饋信號(hào)兩者相加后得到扭 矩T，以滿足式(2)。上述兩個(gè)環(huán)路為閉環(huán)控制。此外，還具有另外兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)是頻率 控制環(huán)路，角加速度信號(hào)經(jīng)過頻率計(jì)數(shù)器獲得振蕩頻率，與用戶預(yù)設(shè)頻率f r進(jìn)行比較得到 頻率誤差信號(hào)，頻率誤差信號(hào)經(jīng)過PID控制器調(diào)節(jié)Ii，也就是步驟S3;另一個(gè)是振幅控制環(huán) 路，角加速度信號(hào)經(jīng)過均方根檢測(cè)器得到振幅，振幅與用戶預(yù)設(shè)的振幅A r比較得到振幅誤 差信號(hào)，振幅誤差信號(hào)經(jīng)過PID控制器調(diào)節(jié)Q，也就是步驟S5,使系統(tǒng)在定頻和幅值下穩(wěn)定 振動(dòng)。其中，PID控制器、頻率計(jì)數(shù)器和均方根檢測(cè)器都是屬于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的器件。本發(fā)明 所述的計(jì)算機(jī)還包括了 32位的處理器，該32位的處理器對(duì)閉環(huán)進(jìn)行運(yùn)算。本發(fā)明通常依次 對(duì)土樣進(jìn)行試驗(yàn)，需要幾百個(gè)到幾萬個(gè)振動(dòng)周期，在整個(gè)控制過程中，計(jì)算機(jī)將每個(gè)振動(dòng)周 期的Ιο和&記錄下來，振動(dòng)結(jié)束后由式(8)計(jì)算出共振頻率，由式(9)計(jì)算出阻尼比。
[0054] 計(jì)算機(jī)對(duì)水平角度偏移信號(hào)和軸向角度偏移信號(hào)不作為環(huán)路運(yùn)算中的參考因素， 水平角加速度信號(hào)和軸向角度偏移信號(hào)只作為工作人員的參考，用戶可根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)對(duì) 預(yù)設(shè)振幅和預(yù)設(shè)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0055] 對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種 相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，其特征在于，包括基座、土試樣、質(zhì)量塊和控 制裝置，該質(zhì)量塊包括十字架、4塊條形磁鐵、加速度計(jì)和配重塊，4塊條形磁鐵分別均勻固 定在十字架的四個(gè)端上，加速度計(jì)安裝在十字架的邊緣，配重塊固定在十字架的邊緣，且配 重塊的重量與加速度計(jì)的重量相等，配重塊和加速度計(jì)以質(zhì)量塊的軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè) 置;每一塊條形磁鐵的兩端分別套設(shè)有一線圈;土試樣的底端固定在基座上;土試樣的頂端 與質(zhì)量塊的中心連接;所述控制裝置包括單片機(jī)、USB接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電荷 放大器、多路開關(guān)、信號(hào)調(diào)理器、可編程增益放大器和采樣保持器和功率放大器;加速度計(jì)、 電荷放大器、可編程增益放大器、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次連接，控制裝置通過USB接口 與PC機(jī)連接;信號(hào)調(diào)理器、電荷放大器、可編程增益放大器均與多路開關(guān)連接;所述控制裝 置不斷采樣角加速度信號(hào)，然后根據(jù)用戶給定的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度進(jìn)行比較，得到頻率 誤差信號(hào)和幅度誤差信號(hào)，然后分別對(duì)這兩個(gè)誤差信號(hào)進(jìn)行數(shù)字比例、積分和微分(PID)調(diào) 節(jié)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字變?yōu)槟M振動(dòng)信號(hào)，通過功率放大器輸出驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生振動(dòng)磁場(chǎng)， 使4個(gè)條形磁鐵驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊使土試樣頂端按給定的頻率和幅度振動(dòng)。2. 如權(quán)利要求1所述的能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，其特征在于，所述十字架 上還設(shè)有加速度傳感器，加速度傳感器與信號(hào)調(diào)理器連接，加速度傳感器輸出的加速度信 號(hào)的電荷量由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓量，經(jīng)可編程增益放大器調(diào)節(jié)電壓量的大小，以進(jìn)一 步提高測(cè)量精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將加速度信號(hào)的模擬量變?yōu)閿?shù)字量并送單片機(jī)進(jìn)行處理。3. 如權(quán)利要求2所述的能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，其特征在于，所述十字架 上還設(shè)有垂直方向位移傳感器，該垂直方向位移傳感器經(jīng)過調(diào)理模塊接多路開關(guān)輸入端， 由可編程增益放大器調(diào)節(jié)垂直方向位移信號(hào)的大小，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該垂直方向位移信 號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送單片機(jī)進(jìn)行處理。4. 如權(quán)利要求1所述的能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括平衡 塊、滑輪組和鋼繩;鋼繩的一端與質(zhì)量塊的中心點(diǎn)連接，另一端繞設(shè)于滑輪組后從滑輪組引 出至與平衡塊連接，該平衡塊的重量用于抵消質(zhì)量塊的重量。5. 能量注入式虛擬質(zhì)量共振柱控制方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的能量注入式虛擬質(zhì) 量共振柱控制系統(tǒng)，其特征在于，加速度計(jì)采集質(zhì)量塊的角加速度，該角加速度乘以變量Ιι 作為角加速度環(huán)路反饋信號(hào)；對(duì)角加速度進(jìn)行一次積分得到角速度信號(hào)，角速度信號(hào)乘以 變量C1作為速度的反饋信號(hào)，將角加速度環(huán)路反饋信號(hào)和速度的反饋信號(hào)相加得到數(shù)字扭 矩信號(hào)T;角加速度信號(hào)經(jīng)過一頻率計(jì)數(shù)器獲得振蕩頻率，與來自用戶給定的預(yù)設(shè)頻率比較 得到頻率誤差信號(hào)，該頻率誤差信號(hào)輸出至一 PID控制器以對(duì)參數(shù)變量II進(jìn)行調(diào)節(jié)，使土試 樣按給定的預(yù)設(shè)頻率振動(dòng)；角加速度信號(hào)經(jīng)過一均方根檢測(cè)器得到振幅，與來自用戶給定 的預(yù)設(shè)振幅比較得到振幅誤差信號(hào)，該振幅誤差信號(hào)輸出至一的PID控制器以對(duì)變量(^進(jìn) 行調(diào)節(jié)，使土試樣按給定的預(yù)設(shè)振幅振動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G05D19/02GK106094915SQ201610532928
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月7日
【發(fā)明人】楊文龍, 李相崧
【申請(qǐng)人】廣州國(guó)光儀器有限公司