加载系统及其加载控制方法技术方案

本公开提供一种加载系统及其加载控制方法。加载系统包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件提供轴力；水平作动器，用于向试件提供横向力；L型加载梁，用于在竖向作动器和水平作动器的协同控制下进行水平位移、竖向位移和转动。根据本申请的加载系统和加载控制方法，可实现对试件水平位移、轴力和转角的精确控制。

Loading System and Its Loading Control Method

The present disclosure provides a loading system and a loading control method thereof. The loading system includes: vertical counterforce device, which is used to provide reaction force for vertical actuator; lateral counterforce device, which is used to provide reaction force for horizontal actuator; vertical actuator, which is used to provide axial force for specimen; horizontal actuator, which is used to provide lateral force for specimen; L-shaped loading beam, which is used to carry out horizontal displacement under the co-control of vertical actuator and horizontal actuator. Vertical displacement and rotation. According to the loading system and the loading control method of this application, the horizontal displacement, the axial force and the rotation angle of the specimen can be accurately controlled.

【技术实现步骤摘要】
加载系统及其加载控制方法
本申请涉及一种比如在土木领域、交通领域、桥梁领域和机械领域等的新型加载系统及其控制方法，其可应用于高精度试验加载部分的静力、拟静力和拟动力试验。
技术介绍
近年来，随着工程结构的大型化和复杂化，以及阻尼器、隔震支座、防屈曲支撑等耗能减振与隔震结构构件的工程应用，抗震领域对大比例尺试验甚至足尺试验的需求越来越强烈。为了能够获得尽量准确、真实的试验结果，对各方面都提出了更高的要求，如：对试件尺寸和加载时间相似比效应的控制；试验中新的试验方法的应用；试验加载设备的能力及控制性能；将试验与相关软件进行对接，对试验系统的接口进行整合；对试验边界条件模拟的准确程度等。由于地震对结构的作用是多轴且不断变化的，并且随着工程结构的大型化、复杂化以及边界条件模拟的复杂化，为了更好地模拟各种情况下的地震反应，试验系统也逐渐向复杂化、精细化发展。传统的加载系统由反力墙102、电液伺服作动器A’、位移计和液压千斤顶B’组成，如图1所示。试件水平方向位移由电液伺服作动器A’控制，试件所受竖向力由液压千斤顶B’加载。传统加载方式存在如下问题：无法实现对转角的精确控制；轴力加载通过手动调节千斤顶实现，误差很大。随着对大比例尺甚至足尺试验的需求越来越强烈，结构试验技术水平的提高，以及液压伺服系统的快速发展，对作动器的协同工作的复杂性以及边界条件的准确实现的复杂性都提出了更高的要求。传统的加载方式已经实现不了日渐精密的加载工况。为了解决以上问题，达到高精度加载的目的，本申请提出一种新型的加载系统和加载控制方法。根据本申请的方案，能够实现对转角的精确控制，且能够精确控制轴力加载。另外，本申请还能解决：传统加载方式中，水平方向加载通过手动控制实现，结果精度和效率低的问题。
技术实现思路
根据本专利技术一方面，提供一种加载系统，包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件205提供轴力；水平作动器，用于向试件205提供横向力；L型加载梁，用于在竖向作动器和水平作动器的协同控制下进行水平位移、竖向位移和转动。根据本专利技术另一方面，提供一种加载控制方法，包括：向加载系统发出位移、轴力和转角命令，转化为竖向作动器和水平作动器各自的目标位移，作用在试件205上，使所述试件205产生运动。通过本申请的加载系统和加载控制方法，克服了现有技术中手动调节千斤顶实现轴力加载导致误差很大的缺陷，且可实现对转角的精确控制。本申请的加载系统和加载控制方法还可实现对水平方向加载的更高精度的控制，保证加载顺利进行并取得准确试验结果。附图说明从以下参考附图对示例性实施方式的说明，其他特征将是明显的。图1(a)示出了传统加载系统的外观图示；图1(b)示出了传统加载系统的示意图；图2(a)示出了根据本专利技术的加载系统的外观图示；图2(b)示出了根据本专利技术的加载系统的示意图；图3示出了根据本专利技术的加载控制方法的示例流程图；图4(a)示出了本专利技术的加载系统应用于场景一时的安装示意图；图4(b)示出了本专利技术的加载系统应用于场景一时的安装现场图；图5(a)示出本专利技术的加载系统应用于场景一时的试验装置示意图；图5(b)示出图5(a)的简化几何图；图6(a)示出了场景一的情况下试件205顶部的示意图；图6(b)示出了图6(a)的简化几何图；图7(a)示出了场景一的情况下试件205底部的示意图；图7(b)示出了图7(a)的简化几何图；图8示出了在应用场景二的情况下剪力墙顶部位移与转角关系；图9(a)示出了在应用场景二的情况下剪力墙加载装置示意图；图9(b)示出了在应用场景二的情况下剪力墙加载装置现场图。具体实施方式根据本专利技术一方面，提供一种加载系统，包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件205提供轴力；水平作动器，用于向试件205提供横向力；L型加载梁203，用于在竖向作动器和水平作动器的协同作用下进行水平和竖向位移以及转动。图2示例性示出了根据本专利技术一方面的加载系统。如图2所示，该加载系统包括横向反力装置202，该横向反力装置202用于对水平作动器提供反力，其可以是反力墙；竖向反力装置201，用于对竖向作动器提供反力，该竖向反力装置201可以是竖向反力架；水平作动器和竖向作动器，在图中示为2台竖向作动器B、D和1台水平作动器A，然而实施方式不限于此；L型加载梁203，用于在竖向作动器B、D和水平作动器A的协同作用下进行位移、转动。在图2(b)中还示出了四连杆204，用于约束L型加载梁203的转动，然而本实施方式不限于此，对于有转动的试验可以拆除四连杆204。竖向作动器B、D和水平作动器A优选为电液伺服作动器，最大出力为200t，最大位移为±250mm。竖向反力架总高度可以是9.5m。反力墙可以高5m，厚3m。该系统可对高达4m的墙、柱等试件205进行拟静力或拟动力试验。应理解，以上数字仅为便于描述，并不用于对本专利技术进行限制。在图2(b)的示例中，作动器A为水平作动器，其一端连接反力墙，另一端连接L型加载梁203；作动器B、D为竖向作动器，其一端连接反力梁，另一端连接L型加载梁203。试件205安装在L型加载梁203下方，用螺杆将试件顶梁与L型加载梁203的下边缘固定连接，将试件底座锚固在台座上。应理解，只要能通过三个作动器的协同控制来实现L型加载梁203的水平、竖向位移和转动，从而实现试件205的目标水平位移、竖向轴力和转角，三个作动器与L型加载梁203的连接关系不限于以上示例。以上加载系统中L型加载梁203起到非线性变换的作用，用于将向加载系统发出的位移和转角命令转化为作动器各自的目标位移。L型加载梁203的设置能够实现试验过程中试件205、作动器A、作动器B和作动器D的位移计几何位置的非线性变化。非线性变换过程在硬件上可以通过数值信号处理器(DSP)或者ASIC电路实现。该加载系统还可以包含外环比例-积分控制器(proportionalintegralcontroller，简称PI控制器)，从而实现对试件205的精确加载控制。该加载系统还可以包含检测器，用于获得试件205的真实水平位移、转角和实际轴力。关于外环PI控制器和检测器的具体工作，将参照以下加载控制方法进行详细描述。根据本专利技术另一方面，还提供一种加载控制方法，包括：向加载系统发出位移、轴力和转角命令，转化为竖向作动器和水平作动器各自的目标位移，作用在试件205上，使试件205产生运动。该方法还可以进一步包括：通过非线性变换，将向所述加载系统发出的位移、轴力和转角命令转化为所述竖向作动器B、D和水平作动器A各自的目标位移；通过检测器，得到试件205的真实水平位移、转角和实际轴力；通过外环PI控制器对水平位移和转角、实际轴力的误差不断修正直至达到要求精度，以实现对位移和转角的控制。其中，通过外环PI控制器对轴力误差以及水平位移和转角的误差进行修正可以包括：将位移、转角、轴力命令与试件205的真实水平位移、转角和实际所受轴力作差，得到系统的控制误差，再通过外环PI控制器进行修正，直到系统的控制误差缩小到在可接受范围内。图3示出了该加载控制方法的示例流程图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种加载系统，其特征在于，包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件提供轴力；水平作动器，用于向试件提供横向力；L型加载梁，用于在竖向作动器和水平作动器的协同控制下进行水平位移、竖向位移和转动。

【技术特征摘要】
1.一种加载系统，其特征在于，包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件提供轴力；水平作动器，用于向试件提供横向力；L型加载梁，用于在竖向作动器和水平作动器的协同控制下进行水平位移、竖向位移和转动。2.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，还包括：非线性变换装置，用于将向所述加载系统发出的位移、轴力和转角命令转化为所述竖向作动器和水平作动器各自的目标位移；检测器，用于获得试件的真实水平位移、转角和实际轴力；外环PI控制器，用于对所述检测器得到的真实位移和转角、以及实际轴力的误差不断进行修正，来实现对试件的精确控制。3.根据权利要求2所述的加载系统，其特征在于，所述外环PI控制器对位移、转角、轴力命令与试件的真实水平位移、转角和实际轴力之差、即所述误差进行修正，直到所述误差缩小到在可接受范围内。4.根据权利要求1-3中任一项所述的加载系统，其特征在于，包括2台所述竖向作动器和1台所述水平作动器，且所述竖向作动器和水平作动器是电液伺服作动器，其最大出力为200t，最大位移为±250mm。5.根据权利要求1-3中任一项所述的加载系统，其特征在于，所述竖...

【专利技术属性】
技术研发人员：许国山，梅玉恒，陈琦，郑雪梅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23