基于数字孪生模型的三向振动台试件响应预测与修正方法与流程

本发明涉及响应预测与修正，更具体地说，本发明涉及基于数字孪生模型的三向振动台试件响应预测与修正方法。

背景技术：

1、在三向振动台试验中，试件实测响应常与目标存在明显偏差，根源在于试验系统自身并非理想激励源。以多轴共用液压源为例，当某一轴为复现高频大幅运动而瞬间开启伺服阀大开口时，会从液压管路迅速抽取极高瞬时油量，导致供油压力骤降；这一压力波动直接传递至其他轴的作动器，使其实际出力偏离指令值，各轴运动因此意外牵连。

2、与此同时，试件在共振区产生的强大反作用力也会反过来抑制或扭曲台面运动，进一步改变预设激励波形。这些动态交互随频率、量级和试件特性实时变化，传统基于固定解耦或反复迭代的补偿策略难以精确跟随，极易造成过试验或欠试验。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于数字孪生模型的三向振动台试件响应预测与修正方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于数字孪生模型的三向振动台试件响应预测与修正方法，包括如下步骤：

4、获取振动台实时驱动与响应信号，驱动一体化数字孪生模型同步解算；

5、从数字孪生模型预测结果中分离交叉干扰分量，结合供油压力裕度与作动器行程余量，确定各轴补偿优先级与幅值约束；

6、按所述补偿优先级将交叉干扰分量转化为前馈补偿信号注入控制环路，主动抵消台面运动失真；补偿过程中持续监测实测-预测残差，若出现非期望振荡则自适应收缩相应频段增益，当残差满足稳定条件时则利用残差数据在线修正数字孪生模型参数；

7、迭代执行上述补偿与修正，直至试件响应收敛至容差范围，并将补偿量及模型更新记录为可复用的台-试件耦合补偿知识库。

8、在一个优选地实施方式中，所述驱动一体化数字孪生模型同步解算，具体包括：

9、从振动台控制器同步采集三轴驱动指令电压，从液压源传感器获取供油总管压力与回油压力，同时从台面和试件测点采集实测加速度响应；

10、将驱动指令电压转化为各轴伺服阀的阀芯开度，结合供油总管压力与回油压力之差计算进入作动缸两腔的瞬时流量，得到各腔压力变化率；

11、将作动缸两腔压力差扣除活塞惯性力与外负载力后除以活塞质量得到活塞加速度，并与压力变化率以实测供油压力为边界联立递推，得到各轴作动器实际输出力；

12、将各轴作动器实际输出力加载到台面柔性体有限元模型，并与试件降阶模型通过界面自由度组装成含台面柔性变形、试件惯性与界面弹性耦合的整体动力学方程；

13、利用隐式积分求解所述整体动力学方程，得到台面预测加速度、试件各关注点的预测响应以及连接节点预测力。

14、在一个优选地实施方式中，所述从数字孪生模型预测结果中分离交叉干扰分量，具体包括：

15、提取各轴作动器的预测输出力，将本轴驱动指令电压所对应的期望基准出力从中扣除，剩余力记为液压串扰力；

16、将各轴液压串扰力单独作用于台面模型求解附加加速度响应，传递至试件各关注点得到加速度干扰分量；

17、同时取台面预测加速度与台面视为刚体时的刚体运动加速度之差，得到台面柔性变形附加加速度，再通过连接节点约束刚度矩阵转化为动态附加力施加于试件模型，求解得到耦合加速度分量；

18、将所述液压串扰加速度干扰分量与耦合加速度分量相加，得到各关注点总的交叉干扰分量。

19、在一个优选地实施方式中，所述确定各轴补偿优先级与幅值约束，具体包括：

20、计算供油压力裕度为当前实测供油总管压力与作动器最低许用压力之差，计算各轴行程余量为当前活塞位置与正向和负向机械限位距离中的较小值；

21、将各轴交叉干扰分量的峰值力分别除以行程余量与行程-力转换刚度系数之积、以及除以活塞有效面积与供油压力裕度之积，取两者中的较大值作为补偿迫切度指标；

22、按所述补偿迫切度指标从大到小排序得到补偿优先级；

23、针对每一轴，取行程余量与行程-力转换刚度系数之积、供油压力裕度与活塞有效面积之积、以及干扰峰值力乘以预设安全放大倍数所得允许峰值补偿力三者中的最小值，作为该轴补偿幅值约束上限。

24、在一个优选地实施方式中，所述按所述补偿优先级将交叉干扰分量转化为前馈补偿信号注入控制环路，具体包括：

25、按补偿优先级逐轴提取关键关注点处的交叉干扰加速度分量，利用整体质量矩阵与刚度矩阵构建从作动器输出力到关注点加速度的增益矩阵，求逆后乘以所述干扰加速度分量得到补偿力向量；

26、将补偿力向量各分量限幅在幅值约束上限之内，限幅后除以作动器力-电压增益系数，再经相位超前滤波器转换为前馈补偿电压信号；

27、将各轴前馈补偿电压信号与振动台控制器原始驱动指令电压对位叠加，形成实际驱动电压。

28、在一个优选地实施方式中，所述自适应收缩相应频段增益，具体包括：

29、将实测-预测残差送入中心频率按对数间隔排列的带通滤波器组，计算各通道滑动窗内的均方根能量；

30、当任意滤波通道的均方根能量在连续多个滑动窗内均超过振荡阈值且呈递增趋势时，判定该频段出现非期望振荡；

31、将出现非期望振荡的频段所对应的前馈补偿增益因子乘以预设收缩系数，收缩系数小于一；

32、若该频段能量回落至振荡阈值以下并保持连续多个滑动窗，则按预设恢复步长逐步回调增益因子至初始值。

33、在一个优选地实施方式中，所述利用残差数据在线修正数字孪生模型参数，具体包括：

34、当所有滤波通道的均方根能量在稳定观察窗口内均低于振荡阈值且实测-预测残差的宽带均方根值低于稳态噪声阈值时，判定系统进入稳定状态；

35、在稳定状态期间锁定当前频段增益因子，累积实测-预测残差序列、作动器各腔压力序列及活塞位移序列为稳定数据集；

36、以稳定数据集的残差能量为目标，对作动器液压模块的流量系数和台面-试件连接节点的刚度系数求取偏导数，代入递推最小二乘更新式输出在线修正量；

37、将修正量叠加至当前模型参数值。

38、在一个优选地实施方式中，所述迭代执行上述补偿与修正，直至试件响应收敛至容差范围，具体包括：

39、将各关注点实测加速度与目标加速度的偏差通过三分之一倍频程滤波器组进行频带划分，提取各频带所有关注点的最大偏差均方根值作为收敛评估值；

40、若任一频带的收敛评估值超出容差上限则判定未收敛，将各频带收敛评估值与容差上限的比值作为频带偏差超标权重，按权重排序选择超标权重最高的频带作为下一轮补偿目标频段；

41、提取目标频段内交叉干扰分量与补偿电压信号的幅值比和相位差，在收敛速率未达预期时调节相位超前滤波器中心频率使相位提前量向实测相位差逼近；

42、将本轮补偿快照数据记录至临时迭代缓存，按更新后的参数生成新一周期的前馈补偿信号并注入控制环路，完成一轮迭代。

43、在一个优选地实施方式中，所述将补偿量及模型更新记录为可复用的台-试件耦合补偿知识库，具体包括：

44、当判定本轮迭代已收敛时，将当前迭代周期对应的前馈补偿电压信号、各频段增益因子、修正后的流量系数与连接刚度系数，连同由试件质量、惯量、台面安装接口类型和激励谱型组合生成的工况标识，一同从临时迭代缓存转存至台-试件耦合补偿知识库。

45、在一个优选地实施方式中，所述知识库在后续试验中调用时，以当前工况标识检索知识库中最接近的历史记录；

46、若命中且其收敛评估值均小于当前目标容差上限，则直接提取该历史记录中的前馈补偿电压信号与频段增益因子作为初始补偿值，跳过从零迭代；

47、若未命中或不满足容差要求，则取最接近工况的补偿值按当前行程余量与供油压力裕度进行线性缩放后作为初始补偿值，再启动在线迭代收敛，并将收敛后的新记录追加回知识库。

48、本发明的技术效果和优点：

49、1、本发明针对三向振动台因液压源压力窜扰、台面柔性变形与试件动态耦合导致试件响应复现精度差、传统固定解耦补偿难以跟随工况实时变化且易引发过试验或欠试验的问题，通过构建包含作动器液压动态、台面柔性与试件耦合的一体化数字孪生模型，在试验中实时分离交叉干扰并结合供油压力裕度与行程余量确定补偿优先级，将其转化为前馈补偿主动抵消台面运动失真，配合分频段自适应增益调节与稳定条件下模型参数修正，实现补偿过程与控制稳定性的解耦，并借助收敛评估与知识库复用，最终实现试件多轴振动响应快速收敛至高精度容差范围，显著提升试验复现精度、缩短调试周期并增强系统运行安全性。