基于ARM的实时混合试验控制系统研究_毕业论文.pdf

"基于ARM的实时混合试验控制系统研究" 本研究主要集中于基于ARM的实时混合试验控制系统的设计、开发和实现。该系统通过将结构拆分为试验子结构与数值子结构，使用液压设备对试验子结构进行加载，OpenSees软件对数值子结构进行仿真分析，实现了数值仿真与物理加载的结合，经济有效地复现了结构在地震下的动态响应。 系统的核心技术控制器基于ARM的STM32F407微控制器，结合OpenSees数值仿真软件，使用Matlab作为中间平台实现STM32控制器与OpenSees之间的通信，同时使用LabVIEW平台作为混合试验系统的副控制器实现伺服油源的间接控制。 本文的研究工作可以分为四个部分： （1）基于ARM的实时混合试验系统的整体设计和开发。首先，对混合试验系统的组成部分及优点进行介绍；其次，从混合试验系统整体角度介绍了系统的设计方案和工作流程；最后，从系统硬件设计和软件设计两个方面，详细介绍了硬件部分：液压伺服作动器系统、STM32控制器以及外围电路的具体选型和工作原理，软件部分：OpenSees、Matlab、LabVIEW以及STM32控制器所使用到的编程软件Keil的设计思路及程序开发。 （2）针对实时混合试验系统的内环控制部分，即液压伺服系统，在位置控制中存在的响应慢、精度差、抗干扰能力弱等问题，提出了卡尔曼优化遗传PID控制算法。首先，针对液压伺服系统中存在的内泄漏和油液压缩性等非线性问题，建立了液压伺服系统的数学模型，并通过设备工作特性，确定了数学模型中的参数；其次，利用遗传算法（GA）搜索液压伺服系统的最优比例积分微分（PID）控制器增益，实现液压伺服系统中阀控液压缸排量的精确控制；最后，为了解决GA优化PID引起的幅度波动并减少外部干扰的影响，将卡尔曼滤波算法添加到液压伺服系统中，以减少幅度波动和外部干扰对系统的影响。 （3）针对伺服油源部分的控制，开发了基于LabVIEW的系统副控制器，并对其与STM32控制器之间的通信方法进行研究。首先，对基于LabVIEW的系统副控制器与STM32控制器之间数据传输以及通讯连接的整体设计进行了介绍；其次，针对LabVIEW和STM32控制器能够实现Modbus通讯的方法进行了详细介绍；接着，根据STM32控制器可以实现的Modbus通讯方法：RS232、RS485以及TCP在LabVIEW中进行对应的程序开发；最后，通过输入步长位移，记录各通讯方法所需要的试验时间进行比较分析。 （4）通过一系列的实验来验证基于ARM的实时混合试验系统。首先，通过弹簧性能试验，验证了该系统对于设备性能测试的可行性以及适用性；接着，通过比较系统内环控制试验的实际位移与目标位移，验证了提出的内环控制算法的准确性以及所选通讯方式的实时性；最后，通过比较单层以及三层框架结构的混合试验结果与对应的OpenSees仿真分析结果，验证了混合试验系统整体测试结果的准确性以及鲁棒性。 本文创新之处主要在于以下两点：（1）构建了基于ARM的实时混合试验系统，并针对该系统提出了卡尔曼优化遗传PID控制算法，提升了实时混合试验系统内环控制精度以及抗干扰性；（2）基于构建的实时混合试验系统平台的伺服驱动器控制部分，设计了基于LabVIEW的系统副控制器，节省了混合试验设备成本，并针对副控制器与控制器之间的通讯方式进行研究，缩短了系统通讯所需的时间，提升了系统的实时性。 因此，本研究工作为基于ARM的实时混合试验控制系统的设计、开发和实现提供了一个可行的解决方案，能够满足实时混合试验系统的需求，提高了系统的响应速度和控制精度，并减少了外部干扰对系统的影响。