一种用于海洋平台的调谐质量阻尼器半实物仿真测试方法和系统

摘要

一种用于海洋平台的调谐质量阻尼器半实物仿真测试方法和系统，可以模拟真实海洋平台在海洋环境作用下的振动及安装调谐质量阻尼器的效果，并进行调谐质量阻尼器的测试。系统由工控机模拟平台、带有多路数模转换器和多路模数转换器的数据采集卡、信号处理装置、电液伺服作动器、振动台、待测调谐质量阻尼器、传感器构成一个闭环的半实物仿真测试系统，能够对调谐质量阻尼器进行全面测试。本发明可在仿真环境下对调谐质量阻尼器进行测试，降低了调谐质量阻尼器的开发成本、提高了开发效率。

说明书

技术领域

本发明公开一种调谐质量阻尼器仿真测试系统，涉及海洋平台调谐质量阻尼器的测试系统。

背景技术

海洋平台对于调谐质量阻尼器的要求很高，调谐质量阻尼器的参数选择对于平台结构的减振效果起着决定性的作用。在海洋平台上安装调谐质量阻尼器的费用较高，应尽量避免安装失败，造成不应有的经济损失，因此调谐质量阻尼器需要在实验室里被反复彻底地调试，才能最终实现预期的控制指标。如果调谐质量阻尼器未经反复调试取得最佳参数，减振效果将很差，甚至放大平台结构振动。

目前测试用于建筑结构的调谐质量阻尼器的方法和系统，是根据真实结构建造相应的模型，并在实验室内模拟建筑结构所处的环境，然后进行调谐质量阻尼器的测试。当真实结构为海洋平台时，如果实物模拟海洋平台环境、特别是海冰这类环境荷载较为困难。在渤海湾或高纬度海区的冬季，海冰是平台结构设计的控制荷载，受海冰作用的平台结构对调谐质量阻尼器的要求更高，如何真实、简便模拟海洋平台及环境，特别是海冰荷载环境，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的，是设计一种能真实模拟海洋平台环境，低成本、快速全面测试调谐质量阻尼器各种参数的用于海洋平台的调谐质量阻尼器测试方法和系统。

本发明的技术方案是：一种用于海洋平台的调谐质量阻尼器测试方法，是在工业控制计算机上建立由海洋平台仿真模型、海洋环境仿真模型和实时监控系统组成的工控机模拟平台，模拟真实海洋平台在海洋环境作用下的振动及安装调谐质量阻尼器的效果，工控机模拟平台产生的数字信号通过数模转换器和信号处理装置1转换并放大，驱动电液伺服作动器，电液伺服作动器带动振动台，使振动台模拟真实海洋平台在真实环境荷载作用下的振动响应，待测调谐质量阻尼器固定在振动台上，用传感器同步测量振动台及调谐质量阻尼器位移、速度和加速度，通过信号处理装置2和模数转换器再反馈回工控机模拟平台，工控机根据实时监控系统可测评调谐质量阻尼器的效果。根据上述方法构成一个闭环的半实物仿真测试系统，能够对调谐质量阻尼器进行全面测试。仿真软件可以采用如Matlab/simulink和dSPACE等通用的商用软件。

上述工控机模拟平台中的海洋平台仿真模型是根据海洋平台设计图纸或实际测量得到的海洋平台的刚度、质量、阻尼等信息，利用数学建模方法建立的真实反应海洋平台动力特性的数学模型；海洋环境仿真模型是模拟海洋环境荷载的数学模型，可表示为时间的函数形式；实时监控系统由系统控制部分和显示记录部分组成，控制部分可利用键盘、鼠标对海洋平台仿真模型和海洋环境仿真模型进行实时修改，显示记录部分可将调谐质量阻尼器和海洋平台的运动情况在工控机监视器上显示并记录。

适用于上述方法的一种用于海洋平台的调谐质量阻尼器半实物仿真测试系统，由工控机模拟平台、带有多路数模转换器和多路模数转换器的数据采集卡、信号处理装置、电液伺服作动器、振动台、待测调谐质量阻尼器、传感器构成；工控机模拟平台由海洋平台仿真模型、海洋环境仿真模型和实时监控系统组成，所产生的数字信号传入数据采集卡上的多路数模转换器，数模转换器与信号处理装置1输入端连接，信号处理装置1输出端与电液伺服作动器相连接，电液伺服作动器的作动头与振动台相连接，带动振动台运动，待测调谐质量阻尼器安装在振动台上，传感器安装在振动台、待测调谐质量阻尼器上，以及电液伺服作动器和振动台之间，传感器信号输出端与信号处理装置2输入端相连接，信号处理装置2的输出端与数据采集卡上的模数转换器相连接，模数转换器输出数字信号到工控机模拟平台。

振动台可以由台面、线性导轨、支撑架和底部支座构成，支撑架固定在底部支座上，线性导轨的滑轨安装在支撑架上，线性导轨的滑块与台面连接，振动台台面与电液伺服作动器的作动头相连，调谐质量阻尼器底部固定在振动台台面上；电液伺服作动器可安装在剪力墙上。

利用本发明可以在仿真环境下对调谐质量阻尼器进行调试及性能测试，对调谐质量阻尼器参数进行匹配与优化，所有的测试环境均为仿真测试平台模拟真实环境得到，并且从控制角度上看与海洋平台真实环境完全一致。由于仿真模型可以按照要求进行参数修改，从而可以模仿各种不同的海洋环境和海洋平台，通过修改海洋平台以及环境仿真模型，可为调谐质量阻尼器测试提供不同的仿真环境。与现有的调谐质量阻尼器测试技术相比，本发明具有以下特点：1)仿真环境设计制作容易，灵活性强、实现了低成本、快速测试调谐质量阻尼器，并提高了试验的安全性；2)提高了调谐质量阻尼器的开发效率，降低了调谐质量阻尼器进行实际平台应用的风险及成本；3)具有通用性，解决了模拟海洋平台环境的困难，软件实现部分容易修改，应用前景广泛。

附图说明

图1是一种调谐质量阻尼器半实物仿真测试系统的结构框图。

图中连接各模型的细实线表示信息流，粗实线表示能量流。

图2是系统实物测试装置示意图，图中1表示振动台台面，2表示线形导轨，3表示振动台支撑架，4表示振动台底部支座，5表示用于固定电液伺服作动器的剪力墙，6表示电液伺服作动器，7表示待测调谐质量阻尼器，A、B、C表示传感器的安装位置。

具体实施方式

一种用于海洋平台的调谐质量阻尼器测试方法，如图1所示，一种半实物仿真测试系统的连接示意图，包括工控机模拟平台、电液伺服作动器、待测调谐质量阻尼器、多路模数转换器、多路数模转换器、信号处理装置和振动台。工控机模拟平台通过数模输出通道将控制信号输出到信号处理装置，经信号处理装置进行必要的放大、电平转换后，驱动安装在剪力墙上的伺服液压作动器运动。伺服液压作动器带动振动台，从而使固定在振动台上的调谐质量阻尼器产生振动。传感器安装在振动台、待测调谐质量阻尼器上，以及电液伺服作动器和振动台之间，测量位移、速度和加速度，通过信号处理装置后经模数转换器输入通道与工控机模拟平台连接。工控机模拟平台与真实的调谐质量阻尼器构成一个闭环测试系统，完全模拟了海洋平台的真实情况，从而可实现对调谐质量阻尼器的全面测试。

以一台带有DS1104PPC控制器板的PIV/2GHz的研华工业控制机作为硬件平台，DS1104集成了PowerPC处理器部分和数据采集卡部分，PowerPC处理器部分可用来进行浮点运算(250MHz)，数据采集卡部分拥有八路模数(A/D)和八路数模(D/A)及其它一些I/O接口。软件开发平台采用Matlab/Simulink。

信号处理装置1为正负40毫安电压电流跟随放大器，信号处理装置2为动态电阻应变仪，传感器的型号为891-4型拾振器，电液伺服试验机的最大动负荷为±200kN，油缸行程为±75mm，工作频率范围为20HZ。

振动台由台面、线性导轨、支撑架和底部支座构成，支撑架固定在底部支座上，线性导轨的滑轨安装在支撑架上，线性导轨的滑块与台面连接，振动台台面与电液伺服作动器的作动头相连，调谐质量阻尼器底部固定在振动台台面上。

工控机模拟平台输入或输出的各种信号如下表所示

序号信号名称及单位信号类型连接通道1作动器位置信号(mm)输出信号D/A12作动器位置信号(mm)输入信号A/D13调谐质量阻尼器位移信号(m)输入信号A/D24调谐质量阻尼器速度信号(m/s)输入信号A/D35调谐质量阻尼器加速度信号(m/s²)输入信号A/D46振动台位移信号(m)输入信号A/D57振动台加速度信号(m/s²)输入信号A/D68作动器负荷信号(kN)输入信号A/D7

调谐质量阻尼器的测试步骤如下：

1、系统各部分按图1和图2所示关系连接，工控机与数模、模数转换器的连接方式如上表所示。

2、启动工业控制计算机，运行dSPACE控制系统软件。

3、在工控机模拟平台上运行模拟海洋平台和海洋环境的Matlab/Simulink仿真模型。

4、在工控机模拟平台上模拟各种海洋环境，如不同气候条件下的海冰情况。

5、通过工控机模拟平台观察调谐质量阻尼器和振动台的的振动情况，例如相应的位移、速度和加速度。

6、通过实时监控系统记录仿真测试过程中产生的各种信号数据。