一种高精度在线动平衡检测控制系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度在线动平衡检测控制系统和方法。本系统包括旋转机械、振动传感器、转速传感器、不平衡调整装置、双核嵌入式控制模块和上位机。本方法操作步骤：（1）第一层网络动平衡控制：双核嵌入式控制模块的DSP核心实时采集振动传感器和转速传感器的数据，计算输出控制信号，控制不平衡调整装置的运动；（2）第二层网络动平衡控制：双核嵌入式控制模块的ARM核心通过无线发送和接受模块与上位机进行通信，在上位机中对旋转机械的控制模型进行精确建模，并周期性的输出校正控制信号精确的校正不平衡调整装置的运动。采用本发明系统和方法能够充分利用双核嵌入式控制模块和上位机的优势，在线精确的检测控制旋转机械的动平衡情况。
【专利说明】一种高精度在线动平衡检测控制系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高精度在线动平衡检测控制系统和方法，特别适用于高速旋转机械的精确在线动平衡控制。
技术背景
[0002]由于转子质量分布不均而造成的不平衡振动是影响旋转机械运行效果和安全的主要影响因素之一，在线动平衡技术可以对转子的平衡状态进行实时在线的检测控制，消除旋转机械运行中产生的不平衡，可以有效地保护旋转机械以及周围的操作人员，延长旋转机械的使用寿命，因此具有重要意义。目前已有的方法存在一定的缺陷:只使用嵌入式控制模块或者只使用上位机对不平衡量进行算法处理和控制。嵌入式控制模块和上位机各有优势，其中嵌入式模块实时性好，但是运算能力有限，无法在实时性要求高的情况下使用复杂精确的算法；上位机运算能力较强，但是实时性较差，无法对系统进行快速响应和控制。
[0003]目前，针对在线动平衡技术，中国专利申请号“200710063642.6”——公开了“一种基于FPGA的高精度数字在线动平衡检测”;中国专利申请号“201210363937.6” 一一公开了“一种在线主动动平衡测控装置及测控方法”；中国专利申请号“200910235439.1” 一一公开了“动平衡检测方法和装置”;中国专利申请号“200910235439.1”一一公开了“动平衡检测方法和装置”;中国专利申请号“201210442081.1”一一公开了“一种旋转机械的动平衡测试方法”。在已公开的发明或文献中，未提到使用嵌入式控制模块和上位机构成双层网络来提高在线动平衡检测控制精度的实例。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度在线动平衡检测控制系统和方法，能够充分利用双核嵌入式控制模块和上位机的优势，在线精确的检测控制旋转机械的动平衡情况，消除旋转机械长时间运行情况下的控制失效问题，从而延长机械的使用寿命，增加了系统的安全性。
[0005]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
一种高精度在线动平衡检测控制系统，其包括旋转机械、振动传感器、转速传感器、不平衡调整装置、双核嵌入式控制模块和上位机，其特征在于:振动传感器和转速传感器的输入端与旋转机械相连，振动传感器和转速传感器的输出端与双核嵌入式控制模块相连，不平衡调整装置分别连接旋转机械和双核嵌入式控制模块，上位机通过无线网络与双核嵌入式控制模块相连。所述双核嵌入式控制模块包含有DSP核心和ARM核心，负责实时检测振动传感器和转速传感器转换的旋转机械振动和转速信号，进行信号处理和动平衡算法计算，并将相关数据发送给上位机进行对旋转机械的控制模型进行精确建模，产生周期性的校正控制信号，最终控制不平衡调整装置的运动，实现动平衡检测控制。
[0006]一种高精度在线动平衡检测控制方法，包括以下步骤:
(I)第一层网络动平衡控制:所述双核嵌入式控制模块的DSP核心在所述转速传感器的触发中断下实时采集安装在所述旋转机械上的所述振动传感器数据，采集的数据经过零相移IIR滤波器滤除干扰信号，然后通过FFT变换计算出不平衡量的幅值和相位，接着通过多队列滤波技术滤除采样不完整的振动信号和消除不同采样周期带来的数值波动，最后通过影响因子法计算输出控制信号，控制所述不平衡调整装置的运动，进而实现第一层网络的动平衡控制效果；
(2)第二层网络动平衡控制:在第一层网络动平衡控制的同时，第一层网络中多队列滤波后的数据由所述双核嵌入式控制模块的双核通信发给ARM核心，并由ARM核心无线发送和接受模块与所述上位机进行通信，在所述上位机中利用其强大的计算能力使用群算法对所述旋转机械的控制模型进行精确建模，并周期性的输出校正控制信号精确的校正所述不平衡调整装置的运动，进而实现第二层网络的动平衡控制效果。
[0007]上述高精度在线动平衡检测控制方法中，让采集到的振动传感器数据经过零相移IIR滤波器处理，既保证了滤波的快速性，又不产生相位的偏移。
[0008]上述高精度在线动平衡检测控制方法中，所述多队列滤波技术指:采用多组先入先出队列以采样点数为依据，对FFT变换计算出来的不平衡量的幅值和相位进行分别存储，当某一队列存储的数据总量满足设定的队列长度时，则认定该队列的采样点数为正常，计算该队列内数据的平均值作为输出，清除其它队列存储的数据后，进行新一轮的滤波过程。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有以下突出的实质性特点和显著的进步:
(I)本发明创新性的采用两层网络对在线动平衡进行高精度检测控制，既能利用双核嵌入式模块的快速响应性能对动平衡进行实时控制，又能充分利用上位机的强大计算能力和大存储等优势进行复杂的精确建模，进而对动平衡进行校正，有益于在保证实时性的前提下，提闻动平衡的控制精度。
[0010](2)本发明采用多队列滤波技术能够有效滤除采样不完整的振动信号和消除不同采样周期带来的数值波动，使得检测控制系统和方法对现实工作环境的噪声有较强的鲁棒性，通用性得到增强。
[0011](3)本发明采用ARM+DSP双核嵌入式控制模块，充分利用ARM核心的网络通讯优势和DSP核心的运算优势，可以较大程度地提高在线动平衡检测控制的实时性和可靠性。
[0012]【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明一种高精度在线动平衡检测控制系统的总体结构图。
[0013]图2是本发明所涉及的一种高精度在线动平衡检测控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0015]实施例一:
如图1所示，本高精度在线动平衡检测控制系统，其包括旋转机械(1.1)为生物培养摇床振动平台、振动传感器(1.2)为量程是五个重力加速度的加速度传感器、转速传感器(1.3)为高速光电开关、不平衡调整装置(1.4)为自动控制可移动质量滑块、双核嵌入式控制模块(1.5)为美国德州仪器公司的0MAPL138双核模块、上位机(1.6)，其特征在于:振动传感器(1.2)和转速传感器(1.3)的输入端与旋转机械(1.1)相连，振动传感器(1.2)和转速传感器(1.3)的输出端与双核嵌入式控制模块(1.5)相连，不平衡调整装置(1.4)分别连接旋转机械(1.1)和双核嵌入式控制模块(1.5)，上位机(1.6)通过无线网络与双核嵌入式控制模块(1.5)相连；所述双核嵌入式控制模块(1.5)包含有DSP核心和ARM核心，负责实时检测振动传感器(1.2)和转速传感器(1.3)转换的旋转机械(1.1)振动和转速信号，进行信号处理和动平衡算法计算，并将相关数据发送给上位机(1.6)进行对旋转机械(1.1)的控制模型进行精确建模，产生周期性的校正控制信号，最终控制不平衡调整装置(1.4)的运动，实现动平衡检测控制。
[0016]实施例二:
如图2所示，本高精度在线动平衡检测控制方法，采用上述系统进行平衡控制，能够在线精确的检测控制旋转机械的动平衡情况，消除旋转机械长时间运行情况下的控制失效问题，从而延长机械的使用寿命，增加了系统的安全性。具体操作步骤如下:
(O第一层网络动平衡控制:双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心在转速传感器(1.3)的触发中断下实时采集安装在旋转机械(1.1)上的振动传感器(1.2)数据，采集的数据经过零相移IIR滤波器滤除干扰信号，然后通过FFT变换计算出不平衡量的幅值和相位，接着通过多队列滤波技术滤除采样不完整的振动信号和消除不同采样周期带来的数值波动，最后通过影响因子法计算输出控制信号，控制不平衡调整装置(1.4)的运动，进而实现第一层网络的动平衡控制效果。
[0017](2)第二层网络动平衡控制:在第一层网络动平衡控制的同时，第一层网络中多队列滤波后的数据由双核嵌入式控制模块(1.5)的双核通信发给ARM核心，并由ARM核心无线发送和接受模块与上位机(1.6)进行通信，在上位机(1.6)中利用其强大的计算能力使用群算法对旋转机械(1.0的控制模型进行精确建模，并周期性的输出校正控制信号精确的校正不平衡调整装置(1.4)的运动，进而实现第二层网络的动平衡控制效果。
[0018]实施例三:
本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下:
(I)第一层网络动平衡控制:
1)转速传感器(1.3)生成的转速信号(2.3)通过脉冲整形(2.4)对双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心进行触发中断(2.5)；
2)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心在触发中断(2.5)的作用下，实时采集安装在旋转机械(1.0上的振动传感器(1.2)产生的并经过A/D转换(2.2)处理的振动信号(2.1)；
3)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将采集到的振动信号数据经过零相移IIR滤波(2.6)滤除干扰信号，不仅滤波速度快，并且没有相移现象；
4)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将步骤3)的结果经过FFT变换(2.7)处理，再分别经过不平衡量幅值计算(2.8)和不平衡量相位计算(2.9)后计算得出不平衡量的幅值和相位；
5)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将步骤4)得到的不平衡量的幅值和相位经过多队列滤波(2.10)，滤除采样不完整的振动信号和消除不同采样周期带来的数值波动；
6)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将步骤5)得到的滤波后数据通过影响因子法计算输出控制信号(2.11); 7)不平衡调整装置(1.4)接收步骤6)输出的控制信号，进行不平衡量调整(2.23)，实现第一层网络的动平衡控制效果；
(2)第二层网络动平衡控制:
1)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将经过多队列滤波(2.10)后得到的数据由双核嵌入式控制模块(1.5)的双核通信(2.12)发给双核嵌入式控制模块(1.5)的ARM核心，再通过无线发送数据(2.13)发送给上位机(1.6)；
2)上位机(1.6)通过无线接收信号(2.15)，如果上位机发现接收到的数据波动超过阈值，或者此时没有一个建好的模型，则满足需要更新模型(2.16)，然后将通过群算法建模(2.17)对采集到的数据进行建模，如果上位机发现接收到的数据波动没有超过阈值，并且此时已经有一个建好的模型，则不满足需要更新模型(2.16)，将接收到的数据输入模型(2.20)；
3)步骤2)中群算法建模(2.17)需要一定量的数据支持，当不满足建模完成(2.18)时，上位机(1.6)将继续等待新数据(2.19)，否则即满足建模完成(2.18)，则将建好的模型交给输入模型(2.20)；
4)步骤2)中当数据经过输入模型(2.20)之后，模型将会输出周期性校正控制信号(2.21)，并通过无线发送信号(2.22)发送给双核嵌入式控制模块(1.5)的ARM核心；
5)双核嵌入式控制模块(1.5)的ARM核心无线接收数据(2.14)，将接收到的控制信号输出给不平衡调整装置(1.4)，进行不平衡量调整(2.23)，实现第二层网络的动平衡控制效果。
【权利要求】
1.一种高精度在线动平衡检测控制系统，包括旋转机械(1.1)、振动传感器(1.2)、转速传感器(1.3)、不平衡调整装置(1.4)、双核嵌入式控制模块(1.5)、上位机(1.6)，其特征在于:振动传感器(1.2)和转速传感器(1.3)的输入端与旋转机械(1.1)相连，振动传感器(1.2)和转速传感器(1.3)的输出端与双核嵌入式控制模块(1.5)相连，不平衡调整装置(1.4)分别连接旋转机械(1.1)和双核嵌入式控制模块(1.5)，上位机(1.6)通过无线网络与双核嵌入式控制模块(1.5)相连；所述双核嵌入式控制模块(1.5)包含有DSP核心和ARM核心，负责实时检测振动传感器(1.2)和转速传感器(1.3)转换的旋转机械(1.1)振动和转速信号，进行信号处理和动平衡算法计算，并将相关数据发送给上位机(1.6)进行对旋转机械(1.1)的控制模型进行精确建模，产生周期性的校正控制信号，最终控制不平衡调整装置(1.4)的运动，实现动平衡检测控制。
2.一种高精度在线动平衡检测控制方法，采用根据权利要求1所述的一种高精度在线动平衡检测控制系统进行控制，其特征在于具体操作步骤如下: (O第一层网络动平衡控制:双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心在转速传感器(1.3)的触发中断下实时采集安装在旋转机械(1.1)上的振动传感器(1.2)数据，采集的数据经过零相移IIR滤波器滤除干扰信号，然后通过FFT变换计算出不平衡量的幅值和相位，接着通过多队列滤波技术滤除采样不完整的振动信号和消除不同采样周期带来的数值波动，最后通过影响因子法计算输出控制信号，控制不平衡调整装置(1.4)的运动，进而实现第一层网络的动平衡控制效果； (2)第二层网络动平衡控制:在第一层网络动平衡控制的同时，第一层网络中多队列滤波后的数据由双核嵌入式控制模块(1.5)的双核通信发给ARM核心，并由ARM核心无线发送和接受模块与上位机(1.6)进行通信，在上位机(1.6)中利用其强大的计算能力使用群算法对旋转机械(1.0的控制模型进行精确建模，并周期性的输出校正控制信号精确的校正不平衡调整装置(1.4)的运动，进而实现第二层网络的动平衡控制效果。
3.根据权利要求2所述的一种高精度在线动平衡检测控制方法，其特征在于所述步骤(I)第一层网络动平衡控制的具体操作步骤如下: 1)转速传感器(1.3)生成的转速信号(2.3)通过脉冲整形(2.4)对双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心进行触发中断(2.5)； 2)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心在触发中断(2.5)的作用下，实时采集安装在旋转机械(1.0上的振动传感器(1.2)产生的并经过A/D转换(2.2)处理的振动信号(2.1)； 3)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将采集到的振动信号数据经过零相移IIR滤波(2.6)滤除干扰信号，不仅滤波速度快，并且没有相移现象； 4)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将步骤3)的结果经过FFT变换(2.7)处理，再分别经过不平衡量幅值计算(2.8)和不平衡量相位计算(2.9)后计算得出不平衡量的幅值和相位； 5)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将步骤4)得到的不平衡量的幅值和相位经过多队列滤波(2.10)，滤除采样不完整的振动信号和消除不同采样周期带来的数值波动； 6)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将步骤5)得到的滤波后数据通过影响因子法计算输出控制信号(2.11);7)不平衡调整装置(1.4)接收步骤6)输出的控制信号，进行不平衡量调整(2.23)，实现第一层网络的动平衡控制效果。
4.根据权利要求2所述的一种高精度在线动平衡检测控制方法，其特征在于所述步骤(2)第二层网络动平衡控制的具体操作步骤如下: 1)双核嵌入式控制模块(1.5)的DSP核心将经过多队列滤波(2.10)后得到的数据由双核嵌入式控制模块(1.5)的双核通信(2.12)发给双核嵌入式控制模块(1.5)的ARM核心，再通过无线发送数据(2.13)发送给上位机(1.6)； 2)上位机(1.6)通过无线接收信号(2.15)，如果上位机发现接收到的数据波动超过阈值，或者此时没有一个建好的模型，则满足需要更新模型(2.16)，然后将通过群算法建模(2.17)对采集到的数据进行建模，如果上位机发现接收到的数据波动没有超过阈值，并且此时已经有一个建好的模型，则不满足需要更新模型(2.16)，将接收到的数据输入模型(2.20)； 3)步骤2)中群算法建模(2.17)需要一定量的数据支持，当不满足建模完成(2.18)时，上位机(1.6)将继续等待新数据(2.19)，否则即满足建模完成(2.18)，则将建好的模型交给输入模型(2.20)； 4)步骤2)中当数据经过输入模型(2.20)之后，模型将会输出周期性校正控制信号(2.21)，并通 过无线发送信号(2.22)发送给双核嵌入式控制模块(1.5)的ARM核心； 5)双核嵌入式控制模块(1.5)的ARM核心无线接收数据(2.14)，将接收到的控制信号输出给不平衡调整装置(1.4)，进行不平衡量调整(2.23)，实现第二层网络的动平衡控制效果。
【文档编号】G01M1/38GK103994859SQ201410197820
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】王海宽, 钱世俊, 费敏锐, 方骏, 诸葛晓钟 申请人:上海大学