能量注入式虛擬質量共振柱控制系統及控制方法
【專利摘要】本發明公開了能量注入式虛擬質量共振柱控制系統及控制方法，系統包括質量塊和控制裝置，土試樣底端固定在基座上，頂端與質量塊中心連接。質量塊包括十字架、連接件、4塊條形磁鐵、加速度計及配重塊；控制裝置包括單片機、USB接口、模數轉換器、數模轉換器、電荷放大器、多路開關、可編程增益放大器、采樣保持器和功率放大器；加速度計、電荷放大器、可編程增益放大器、采樣保持器、模數轉換器依次連接，用于檢測加速度信號；數模轉換器、功率放大器及線圈依次連接，用于驅動質量塊使土試樣振動。控制裝置通過USB接口與PC機連接，接收來自PC的各種指令，同時也將有關數據上傳給PC機顯示實時顯示。
【專利說明】
能量注入式虛擬質量共振柱控制系統及控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及共振柱技術領域，尤其涉及能量注入式虛擬質量共振柱控制系統及控 制方法。
【背景技術】
[0002] 由于共振柱試驗系統工藝復雜技術難度大，目前世界上生產共振柱的廠家屈指可 數，少之又少。目前市場上已有的共振柱系統普遍采用自由振動法和共振法兩種方式進行 工作，而這兩種方式的振動均在測量后的參數方面存在一定的誤差，同時也無法在軟件編 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，測量幅度的衰減來求得，由 于剪切模量和阻尼比都隨時間的增加而變化，因此在測量過程中不改變周期和幅值，對振 動歷時很難加以控制。
【發明內容】
[0003] 為了克服現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供能量注入式虛擬質量共振 柱控制系統，其能在沒有其他外加能源的情況下保證整個系統持續穩定運動。
[0004] 本發明的目的之二在于提供能量注入式虛擬質量共振柱控制方法，其能實現本發 明的目的之一。
[0005] 本發明的目的之一采用以下技術方案實現：
[0006] 能量注入式虛擬質量共振柱控制系統，包括基座、土試樣、質量塊和控制裝置，該 質量塊包括十字架、連接件、4塊條形磁鐵、加速度計和配重塊，4塊條形磁鐵分別通過連接 件均勻固定在十字架的四個端上，加速度計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的重量相等，配重塊和加速度計以質量塊的軸線為對稱 軸對稱設置;每一塊條形磁鐵的兩端分別套設有一線圈;土試樣的底端固定在基座上;土試 樣的頂端與質量塊的中心連接;所述控制裝置包括單片機、USB接口、模數轉換器、數模轉換 器、電荷放大器、多路開關、信號調理器、可編程增益放大器和采樣保持器和功率放大器;加 速度計、電荷放大器、可編程增益放大器、采樣保持器、模數轉換器依次連接，控制裝置通過 USB接口與PC機連接;信號調理器、電荷放大器、可編程增益放大器均與多路開關連接;所述 控制裝置不斷采樣角加速度信號，然后根據用戶給定的振動頻率和振動幅度進行比較，得 到頻率誤差信號和幅度誤差信號，然后分別對這兩個誤差信號進行數字比例、積分和微分 (PID)調節，經數模轉換器將數字變為模擬振動信號，通過功率放大器輸出驅動線圈產生振 動磁場，使4個條形磁鐵驅動質量塊使土試樣頂端按給定的頻率和幅度振動。
[0007] 優選的，所述十字架上還設有加速度傳感器，加速度傳感器與信號調理器連接，加 速度傳感器輸出的加速度信號的電荷量由電荷放大器轉換為電壓量，經可編程增益放大器 調節電壓量的大小，以進一步提高測量精度，模數轉換器將加速度信號的模擬量變為數字 量并送單片機進行處理。加速度傳感器對質量塊在振動旋轉時的加速度進行檢測。
[0008] 優選的，所述十字架上還設有垂直方向位移傳感器，該垂直方向位移傳感器經過 調理模塊接多路開關輸入端，由可編程增益放大器調節垂直方向位移信號的大小，再由模 數轉換器將該垂直方向位移信號變為數字信號后送單片機進行處理。垂直方向位移傳感器 對質量塊在振動旋轉時在軸向上的角度偏移進行檢測，輸出軸向角度偏移信號至計算機以 供用戶作為參考。
[0009] 優選的，還包括平衡塊、滑輪組和鋼繩；鋼繩的一端與質量塊的中心點連接，另一 端繞設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量塊的重 量。通過滑輪組和平衡塊的設置，能夠抵消質量塊等附加重量，以減小附加重量對測試過程 產生的影響，提高精確度。
[0010] 本發明的目的之二采用以下技術方案實現：
[0011] 能量注入式虛擬質量共振柱控制方法，應用于本發明目的之一的能量注入式虛擬 質量共振柱控制系統，加速度計采集質量塊的角加速度，該角加速度乘以變量Ιι作為角加 速度環路反饋信號;對角加速度進行一次積分得到角速度信號，角速度信號乘以變量C1作 為速度的反饋信號，將角加速度環路反饋信號和速度的反饋信號相加得到數字扭矩信號T; 角加速度信號經過一頻率計數器獲得振蕩頻率，與來自用戶給定的預設頻率比較得到頻率 誤差信號，該頻率誤差信號輸出至一 PID控制器以對參數變量II進行調節，使土試樣按給定 的預設頻率振動；角加速度信號經過一均方根檢測器得到振幅，與來自用戶給定的預設振 幅比較得到振幅誤差信號，該振幅誤差信號輸出至一的PID控制器以對變量&進行調節，使 土試樣按給定的預設振幅振動。
[0012] 相比現有技術，本發明的有益效果在于：
[0013] 本發明在上電啟動后，不斷對質量塊的角加速度進行采集，進行相關處理后輸出 信號至線圈，使線圈產生磁場，實現在沒有其他信號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動起來。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明的能量注入式虛擬質量共振柱控制系統的結構圖。
[0015] 圖2為本發明的非線性阻尼特性圖。
[0016]圖3為本發明的原理結構圖。
[0017]圖中：1、土試樣；2、十字架；3、加速度計;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；11、功率放大器;12、模數轉換器;13、數模轉換器;14、電荷放 大器;15、可編程增益放大器;16、采樣保持器;17、信號調理器;18、多路開關。
【具體實施方式】
[0018] 下面，結合附圖以及【具體實施方式】，對本發明做進一步描述：
[0019] 參見圖1，本發明提供能量注入式虛擬質量共振柱控制系統，包括基座4、土試樣1、 質量塊和控制裝置。
[0020] 其中，土試樣1的底端固定在基座4上，土試樣1的頂端與質量塊的中心連接，在系 統裝配前，還具有一個試樣裝配殼，該裝配殼容納土試樣1，經過現有技術中的對土試樣1的 抽真空等處理后使得土試樣結塊固定、不會散開，然后將試樣裝配殼拆除，因而在應用到本 系統時，已經是沒有試樣裝配殼這個結構。該質量塊包括十字架2、連接件、4塊條形磁鐵8、 加速度計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的重量相 等，配重塊和加速度計以質量塊的軸線為對稱軸對稱設置;每一塊條形磁鐵8的兩端分別套 設有一線圈9。控制裝置包括單片機10、USB接口（未圖示）、功率放大器11、模數轉換器12、數 模轉換器13、電荷放大器14、可編程增益放大器15、采樣保持器16、信號調理器17和多路開 關18;加速度計3、電荷放大器14、可編程增益放大器15、采樣保持器16、模數轉換器12依次 連接，模數轉換器12和數模轉換器13均通過USB接口與單片機10連接，數模轉換器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接口與單片機連 接。控制裝置通過USB接口與PC機連接。
[0021]加速度計3用于采集質量塊的角加速度，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和模數轉換器12輸出角加速度信號至單片機10;單片機10用于根據 該角加速度信號處理得到相應的數字扭矩信號，該數字扭矩信號輸出至數模轉換器轉換為 模擬扭矩信號，通過功率放大器11輸出該模擬扭矩信號至線圈9,使線圈9有電流經過而產 生磁場，條形磁鐵8之間相互作用產生作用力，質量塊受力運動，使得土樣跟著振動，從而實 現不需要外部施加信號源也能使質量塊持續運動。
[0022]單片機10作為前端微處理器用于控制共振柱系統，并通過USB接口與PC機連接，接 收來自PC的各種指令，同時也將有關數據上傳給PC機顯示實時顯示。所述前端微處理器不 斷采樣角加速度信號，然后根據用戶給定的振動頻率和振動幅度進行比較，得到頻率誤差 信號和幅度誤差信號，然后分別對這兩個誤差信號進行數字比例、積分和微分(PID)調節， 經數模轉換器13將數字變為模擬振動信號，通過功率放大器輸出驅動線圈產生振動磁場， 使4個條形磁鐵8帶動質量塊和土試樣頂端按給定的頻率和幅度振動。
[0023] 質量塊上還設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調 理器17和多路開關18,加速度傳感器和垂直方向位移傳感器均與信號調理器17連接，信號 調理器17、電荷放大器14可編程增益放大器15均與多路開關18連接，單片機10通過USB接口 與多路開關18連接;加速度傳感器用于檢測質量塊在水平方向上的加速度信號，并依次通 過信號調理模塊、多路開關18、可編程增益放大器15、采樣保持器16和模數轉換器12輸出水 平角度偏移信號至單片機10;加速度傳感器輸出的加速度信號電荷量由電荷放大器轉換為 電壓量，經可編程增益放大器調節電壓量的大小，以進一步提高測量精度，模數轉換器將加 速度信號的模擬量變為數字量并送單片機進行處理。垂直方向位移傳感器用于檢測質量塊 在垂直方向上的角度偏移，并依次通過信號調理器17、多路開關18、可編程增益放大器15、 采樣保持器16和模數轉換器12輸出軸向角度偏移信號至計單片機10。所述十字架上還設有 垂直方向位移傳感器，垂直方向位移傳感器經過調理器17接多路開關18輸入端，由可編程 增益放大器15調節垂直方向位移信號的大小，再由模數轉換器12將該垂直方向位移信號 變為數字信號后送單片機進行處理。多路開關18每一次只能連接加速度計或加速度傳感器 或垂直方向位移傳感器，單片機10可以控制多路開關18切換頻率，保證多路開關18的切換 頻率足夠快，則相當于一直在采集上述三種傳感器的信號。電荷放大器14是將加速度傳感 器輸出的電荷變為電壓，可編程增益放大器15用于調節加速度信號的大小，以進一步提高 測量精度，模數轉換器12將加速度模擬量變為數字量并送單片機進行處理
[0024] 本發明提供的能量注入式虛擬質量共振柱控制系統還包括平衡塊7、滑輪組6和鋼 繩5;鋼繩5的一端與質量塊的中心點連接，另一端繞設于滑輪組6后從滑輪組6引出至與平 衡塊7連接，該平衡塊7的重量用于抵消質量塊的重量。
[0025] 另一方面，本發明還提供一種能量注入式虛擬質量共振柱控制方法，其應用于能 量注入式虛擬質量共振柱控制系統，包括兩個閉合控制環路，其中一個閉合控制環路為加 速度計采集質量塊的角加速度，該角加速度乘以變量Ιι作為角加速度環路反饋信號，另一 個閉合控制環路為對角加速度進行一次積分得到角速度信號，角速度信號乘以變量Ci作為 速度的反饋信號，將角加速度環路反饋信號和速度的反饋信號相加得到扭矩T;該扭矩T與 系統中得到的數字扭矩信號對應;還包括兩個開放控制環路，其中一個開放控制環路為頻 率控制環路，角加速度信號經過一頻率計數器獲得振蕩頻率，與來自用戶給定的預設頻率 比較得到頻率誤差信號，該頻率誤差信號輸出至PID控制器以對變量^進行調節，使土試樣 按給定的預設頻率振動；另一個開放控制環路為振幅控制環路，角加速度信號經過一均方 根檢測器得到振幅，與來自用戶給定的預設振幅比較得到振幅誤差信號，該振幅誤差信號 輸出至PID控制器以對變量&進行調節，使土試樣按給定的預設振幅振動。
[0026] 由于計算機的計算均是基于離散信號，也就是數字信號，對模擬信號無法處理，因 而首先需要通過模數轉換器對模擬信號下的角加速度進行轉換為數字信號;兩個開環不斷 對idPCi這兩個參數進行修正，能夠使得最終輸出的信號更加精確。
[0027]參見圖3,本發明的原理在于：
[0028] 對于共振柱而言，其共振頻率主要取決于土樣的剛度和質量塊的質量。對于傳統 的共振柱系統，施加在質量塊上的信號是開環驅動的，而質量塊的質量在試驗過程中是不 能改變的，所以對于某一土樣在某一給到振幅下其共振頻率和應變率已預先確定。按照 Dalembert理論，如果給土樣頂部的質量塊施加一個與角加速度成正比的扭矩，該扭矩相當 于給土樣頂部增加一個額外的虛擬質量，這樣系統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參數、質量塊系數和共振頻率來決定。該原理同樣適用于阻 尼控制，如果施加一個與角加速度成正比的扭矩，該扭矩則會補充系統在振動過程中消耗 的能量，使系統保持穩定振動。因此，在給定的剪應變幅值下，土樣的阻尼比可以通過所施 加的扭矩來求得。
[0029] 假設給質量塊施加的扭矩為T，則土樣頂部的運動方程為：
[0031]式中Θ為試樣頂部質量塊的角位移；I〇為質量塊的質量慣性矩;C0和k都是與振動 頻率和試樣幾何尺寸以及物理特性有關的參數;T為施加在質量塊上的扭矩。式（1)是二階 實系數非齊次微分方程。
[0037] 式中，UPC!為可調參數。
[0038] 另式(4)中的& = 0)，土樣將做簡諧振動，則振動方程為
[0042]固式(6)的通解為
[0043] Θ = A&m{cot + φ) (γ )
[0044] 即產生正弦振蕩，其振幅A和初相角P與初始條件有關。振動角頻率為
[0046] 可以證明，當阻尼比β〈<1時，有
[0048] 通過式(8)和式(9)可以獲得土樣的兩個重要參數:振動角頻率ω和阻尼比β。
[0049] 從式(4)可知，當& = 0)，且CjPCo均為常數時，系統與剪應變振幅的阻尼是不確定 的，要使系統按給定的振幅下能穩定振蕩，Co必須有一個合適的值。也就是說，非線性阻尼 成分存在于系統中。顯然，&是振幅A的函數:& = (Η)Α，式中，C、D為可調參數。
[0050] 研究表明，土的物理特性決定了Co與A的關系是非線性的。典型的土非線性阻尼特 性曲線Co和函數&的關系如圖2所示。由于Q的斜率為負，使CdPQ在第一象限有一個交點， 該交點決定振幅。可以讓心來改變剪應變振幅。特別是在低應變(A很小時），土樣的非線性 阻尼特性相對較弱，這時可以通過調節CiSD使振幅穩定來。徹底解決目前共振柱小應變或 微應變情況下難以保證振幅穩定的一大難題。
[0051] 上述推導過程都是基于模擬信號推導，然而計算機的計算都是基于離散信號進行 處理，并且計算機并不能根據式（1)至式(9)進行計算，所以需要進行拉普拉斯變換，拉普拉 斯變換就是公式（1)至公式(9)的超運算，變成計算機可以執行的加減乘除的計算。因而本 發明執行的流程為，先通過模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號輸入至計算機，計算機 根據拉普拉斯方程進行運算得到扭矩，輸出扭矩信號至數模轉換器，轉換為模擬信號并通 過功率放大器進行功率放大后驅動線圈，使線圈產生磁場，從而是土樣產生反復運動。 [0052]圖3的原理圖實際上與本發明的方法對應，本發明從控制領域角度來看就是一個 多層多環路的閉環控制系統，本發明采用數字控制技術，為實現計算機數字信號測量，對控 制環路中由拉普拉斯方程表示的環節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)
￡> 相當于在計算機中執行兩個環路，一個是由加速度計采集的角加速度I乘以參數（也就是 11)作為角加速度環路反饋信號，也就是本發明的步驟S4，另外一環路是對角加速度i進行 一次積分α/s)得到角速度信號#，角速度信號|乘以參數(也就是C1)后作為速度的反饋信 號，也就是本發明的步驟S6。角加速度環路反饋信號和速度的反饋信號兩者相加后得到扭 矩T，以滿足式(2)。上述兩個環路為閉環控制。此外，還具有另外兩個控制環路，一個是頻率 控制環路，角加速度信號經過頻率計數器獲得振蕩頻率，與用戶預設頻率f r進行比較得到 頻率誤差信號，頻率誤差信號經過PID控制器調節Ii，也就是步驟S3;另一個是振幅控制環 路，角加速度信號經過均方根檢測器得到振幅，振幅與用戶預設的振幅A r比較得到振幅誤 差信號，振幅誤差信號經過PID控制器調節Q，也就是步驟S5,使系統在定頻和幅值下穩定 振動。其中，PID控制器、頻率計數器和均方根檢測器都是屬于計算機內部的器件。本發明 所述的計算機還包括了 32位的處理器，該32位的處理器對閉環進行運算。本發明通常依次 對土樣進行試驗，需要幾百個到幾萬個振動周期，在整個控制過程中，計算機將每個振動周 期的Ιο和&記錄下來，振動結束后由式(8)計算出共振頻率，由式(9)計算出阻尼比。
[0054] 計算機對水平角度偏移信號和軸向角度偏移信號不作為環路運算中的參考因素， 水平角加速度信號和軸向角度偏移信號只作為工作人員的參考，用戶可根據這兩個信號對 預設振幅和預設頻率進行調節。
[0055] 對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種 相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬于本發明權利要求的保護范圍 之內。
【主權項】
1. 能量注入式虛擬質量共振柱控制系統，其特征在于，包括基座、土試樣、質量塊和控 制裝置，該質量塊包括十字架、4塊條形磁鐵、加速度計和配重塊，4塊條形磁鐵分別均勻固 定在十字架的四個端上，加速度計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的重量相等，配重塊和加速度計以質量塊的軸線為對稱軸對稱設 置;每一塊條形磁鐵的兩端分別套設有一線圈;土試樣的底端固定在基座上;土試樣的頂端 與質量塊的中心連接;所述控制裝置包括單片機、USB接口、模數轉換器、數模轉換器、電荷 放大器、多路開關、信號調理器、可編程增益放大器和采樣保持器和功率放大器;加速度計、 電荷放大器、可編程增益放大器、采樣保持器、模數轉換器依次連接，控制裝置通過USB接口 與PC機連接;信號調理器、電荷放大器、可編程增益放大器均與多路開關連接;所述控制裝 置不斷采樣角加速度信號，然后根據用戶給定的振動頻率和振動幅度進行比較，得到頻率 誤差信號和幅度誤差信號，然后分別對這兩個誤差信號進行數字比例、積分和微分(PID)調 節，經數模轉換器將數字變為模擬振動信號，通過功率放大器輸出驅動線圈產生振動磁場， 使4個條形磁鐵驅動質量塊使土試樣頂端按給定的頻率和幅度振動。2. 如權利要求1所述的能量注入式虛擬質量共振柱控制系統，其特征在于，所述十字架 上還設有加速度傳感器，加速度傳感器與信號調理器連接，加速度傳感器輸出的加速度信 號的電荷量由電荷放大器轉換為電壓量，經可編程增益放大器調節電壓量的大小，以進一 步提高測量精度，模數轉換器將加速度信號的模擬量變為數字量并送單片機進行處理。3. 如權利要求2所述的能量注入式虛擬質量共振柱控制系統，其特征在于，所述十字架 上還設有垂直方向位移傳感器，該垂直方向位移傳感器經過調理模塊接多路開關輸入端， 由可編程增益放大器調節垂直方向位移信號的大小，再由模數轉換器將該垂直方向位移信 號變為數字信號后送單片機進行處理。4. 如權利要求1所述的能量注入式虛擬質量共振柱控制系統，其特征在于，還包括平衡 塊、滑輪組和鋼繩;鋼繩的一端與質量塊的中心點連接，另一端繞設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量塊的重量。5. 能量注入式虛擬質量共振柱控制方法，應用于權利要求1所述的能量注入式虛擬質 量共振柱控制系統，其特征在于，加速度計采集質量塊的角加速度，該角加速度乘以變量Ιι 作為角加速度環路反饋信號；對角加速度進行一次積分得到角速度信號，角速度信號乘以 變量C1作為速度的反饋信號，將角加速度環路反饋信號和速度的反饋信號相加得到數字扭 矩信號T;角加速度信號經過一頻率計數器獲得振蕩頻率，與來自用戶給定的預設頻率比較 得到頻率誤差信號，該頻率誤差信號輸出至一 PID控制器以對參數變量II進行調節，使土試 樣按給定的預設頻率振動；角加速度信號經過一均方根檢測器得到振幅，與來自用戶給定 的預設振幅比較得到振幅誤差信號，該振幅誤差信號輸出至一的PID控制器以對變量(^進 行調節，使土試樣按給定的預設振幅振動。
【文檔編號】G05D19/02GK106094915SQ201610532928
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】楊文龍, 李相崧
【申請人】廣州國光儀器有限公司