一种振动台的中心零位控制方法和系统与流程

本发明涉及硬件检测领域，特别涉及一种振动台的中心零位控制方法和系统。

背景技术：

随着对产品安全性和可靠性要求的提高(尤其是航天产品)，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。振动台运动部件中心零位控制系统是振动试验系统的一个重要部件，它是为了让振动台运动部件维持在平衡位置振动而设计的。中心零位控制系统对于振动台运动部件来说是必不可少的，它可以保证振动台不受振动频率、气囊、风机或其他外界因素影响而导致振动台中心偏移。在振动试验中，振动台运动部件中心零位偏移，会使试样发生皱折、弯曲，可导致振动试验结果存在误差；或在极度严重的情况下可能会导致设备的损坏。

目前，振动台运动部件中心零位一般是利用传感器将运动信号转换成电信号，经运算放大器后输出与振动台运动部件位置相关的电压信号，以此来驱动相应的执行机构实现自动对中。该系统存在环境抗干扰能力差、在扫频过程中会因频率变化而产生偏移、容易对运动部件中心零位控制发生误动作等缺点。

基于以上的问题，本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种振动台的中心零位控制方法和系统，以fpga控制器为核心，实现对振动台的中心零位的实时控制，同时提高了振动台的检测精度，使其稳定性更加可靠。

本发明提供的技术方案如下：

一种振动台的中心零位控制方法，包括：步骤s100获取所述振动台上待测物体的当前振动信号；步骤s200将获取的待测物体的所述当前振动信号与预设位置信息进行比对运算；步骤s300根据步骤s200的比对运算的结果设置所述振动台的振动参数；根据设置后的所述振动台的振动参数，执行步骤s100；其中，所述振动台的当前振动信号包括第一振动信号，和第二振动信号。

优选的，所述步骤s200包括：步骤s210根据所述第一振动信号和所述第二振动信号获取所述振动台的当前中心位置信息；步骤s220将获取的所述当前中心位置信息与所述预设位置信息进行比对运算，获取振动偏移信息。

优选的，在所述步骤s100之前还包括：步骤s000获取所述振动台的控制模式。

优选的，包括：当所述振动台的控制模式处于第一工作模式时，所述步骤s300执行以下步骤：步骤s311当所述振动偏移量大于预设偏移量时，控制所述振动台执行第一控制方式；步骤s312当所述振动偏移量小于预设偏移量时，控制所述振动台执行第二控制方式。

优选的，包括：当所述振动台的控制模式处于第二工作模式时，所述步骤s300执行以下步骤：判断所述振动偏移量是否等于预设偏移量；当不等于预设所述偏移量时，执行第一控制算法，获取第一控制参数；根据获取的所述第一控制参数，执行第二控制算法；根据所述第二控制算法，获取所述振动台的第二控制参数，并调整所述振动台的工作参数。

一种振动台的中心零位控制系统，可执行上述的控制方法；包括：信号获取单元，用于获取所述振动台的当前振动信号；中央控制单元，与所述信号获取单元连接，将获取的所述当前振动信号与预设位置信息进行比对运算；工作执行单元，分别与所述信号获取单元以及所述中央控制单元连接；根据所述中央控制单元的比对结果设置所述振动台的控制参数，根据设置的所述振动台的控制参数，进一步通过所述信号获取单元获取所述振动台的振动信息；其中，所述振动台的当前振动信号包括第一振动信号，和第二振动信号。

优选的，所述中央控制单元包括：位置信息计算模块，根据所述第一振动信号和所述第二振动信号获取当前中心位置信息；偏移信息获取模块，将获取的所述当前中心位置信息与所述预设位置信息进行比对运算，获取振动偏移信息。

优选的，还包括：控制模式获取模块，与所述信号获取单元连接，获取所述振动台的控制模式。

优选的，包括：所述工作执行单元包括：第一执行单元；当所述振动台处于第一工作模式时，所述第一执行单元包括：根据所述偏移信息获取模块的计算结果，当所述振动偏移量大于预设偏移量时，控制所述振动台执行第一控制方式；当所述振动偏移量小于所述预设偏移量时，控制所述振动台执行第二控制方式。

优选的，所述工作执行单元还包括：第二执行单元；当所述振动台处于第二工作模式时，所述第二执行单元包括：根据所述偏移信息获取模块的计算结果，判断所述振动偏移量是否等于预设偏移量；当不等于预设所述偏移量时，执行第一控制算法，获取第一控制参数；根据获取的所述第一控制参数，执行第二控制算法；根据所述第二控制算法，获取所述振动台的第二控制参数，并调整所述振动台的工作参数。

本发明提供的一种振动台的中心零位控制方法和系统，能够带来以下至少一种有益效果：

1、在本发明中，利用设置在振动台上的金属感应器，采集金属感应接近开关测量的振动位置信号，通过测量的振动位置信号与设定的原点位置进行比较，计算出振动台体位置偏移信息，根据振动台体位置偏移信息调整振动台的振动参数，再次根据调整后的振动参数对振动台体的振动位置信号进行监测，形成闭环监测系统；一实现了对振动台位置信息的实施控制需求；二采用金属感应接近开关测量位置信号，可有效的防止灰尘等的影响，提高可靠性。

2、在本发明中，通过fpga控制器计算振动台的实时振动中心位置，并判断是否超过设定的偏移位置，根据偏移的范围不同，分别采用数字pid控制算法和频率补偿算法；数字pid控制算法，确保中心不会偏移；频率补偿算法，确保振动台在扫频过程中不会因频率变化而产生偏移。在本发明中将数字计算方法与硬件结构进行结合，具有精确度高，结构简单，易于实现，成本低廉，体积小重量轻，抗环境干扰能力强等优点。

3、在本发明中，通过plc控制器，能够方便地完成电动振动台静态、动态中心零位的控制，符合工程实际的需求。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种振动台的中心零位控制方法和系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明一种振动台的中心零位控制方法的一个实施例的流程图；

图2是本发明一种振动台的中心零位控制方法的另一个实施例的流程图；

图3是本发明一种振动台的中心零位控制方法的另一个实施例的流程图；

图4是本发明一种振动台的中心零位控制方法的另一个实施例的流程图；

图5是本发明一种振动台的中心零位控制方法的另一个实施例的流程图；

图6是本发明一种振动台的中心零位控制系统的一个实施例的结构图；

图7是本发明一种振动台的中心零位控制系统的另一个实施例的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明提供了一种振动台的中心零位控制方法的一个实施例，参考图1所示；包括：步骤s100获取所述振动台上待测物体的当前振动信号；步骤s200将获取的待测物体的所述当前振动信号与预设位置信息进行比对运算；步骤s300根据步骤s200的比对运算的结果设置所述振动台的振动参数；根据设置后所述振动台的振动参数，执行步骤s100；其中，所述振动台的当前振动信号包括第一振动信号，和第二振动信号。

具体的，在本实施例中，通过金属感应器与金属感应接近开关进行组合，形成信号发生装置，采集待测物体的上下振动信号，即采集被测对象的脉冲信号为第一振动信号f1、第二振动信号f2；并经过fpga控制器处理得到电动振动台运动部件的中心零位；对检测所得的中心零位与设定原点进行比较，得出中心零位偏移量；根据系统的运动状态选择相应的中心零位控制模式，并对中心零位偏移量进行运算处理得到被测对象最终的中心零位偏移补偿量；将中心零位偏移补偿量发送至执行部件，调整振动台的工作状态。

在本发明中，利用设置在振动台上的金属感应器，采集金属感应接近开关测量的振动位置信号，通过测量的振动位置信号与设定的原点位置进行比较，计算出振动台体位置偏移信息，根据振动台体位置偏移信息调整振动台的振动参数，再次根据调整后的振动参数对振动台体的振动位置信号进行监测，形成闭环监测系统；一实现了对振动台位置信息的实施控制需求；二采用金属感应接近开关测量位置信号，可有效的防止灰尘等的影响，提高可靠性。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，所述步骤s200包括：步骤s210根据所述第一振动信号和所述第二振动信号获取当前中心位置信息；步骤s220将获取的所述当前中心位置信息与所述预设位置信息进行比对运算，获取振动偏移信息。

具体的，在本实施例中，通过中央控制单元中的fpga控制器根据f1、f2脉冲信号导通时间来计算电动振动台运动部件的实时中心零位，所述预设位置为预设中心零位，也即标准零位，将实时中心零位与预设中心零位进行判断比较，判断实时中心零位的状态，根据实时中心零位的状态调整电动振动台的工作参数，包括扫频参数等。

优选的，在所述步骤s100之前还包括：步骤s000获取所述振动台的控制模式。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，参考图2所示；包括：当所述振动台的控制模式处于第一工作模式时，所述步骤s300执行以下步骤：步骤s311当所述振动偏移量大于预设偏移量时，控制所述振动台执行第一控制方式；步骤s312当所述振动偏移量小于预设偏移量时，控制所述振动台执行第二控制方式。

具体的，在本实施例中，通过plc控制器获取用户对fpga控制器控制模式的设置；当所述振动台处于非工作状态时，则控制模式处于第一工作模式，即为静态控制时，振动台在开始工作之前，由于气囊、风机或其他因素，导致振动台中心偏移。通过fpga控制器计算出电动振动台运动部件的中心零位偏移量。fpga控制器根据偏移量dx是否大于0(预设偏移量)来驱动输出单元动作，如果偏移量dx大于0(预设偏移量)，则控制气泵开始放气；如果偏移量dx小于0(预设偏移量)，则控制气泵开始打气，直到中心处于正常位置。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，参考图2和图3所示；包括：当所述振动台的控制模式处于第二工作模式时，所述步骤s300执行以下步骤：判断所述振动偏移量是否等于预设偏移量；当不等于预设所述偏移量时，执行第一控制算法，获取第一控制参数；根据获取的所述第一控制参数，执行第二控制算法；根据所述第二控制算法，获取所述振动台的第二控制参数，并调整所述振动台的工作参数。

具体的，在本实施例中，通过plc控制器获取用户对fpga控制器控制模式的设置；当所述振动台处于工作状态时，则控制模式处于第二工作模式，即为动态控制时，振动台在工作时，感应金属(安装在振动台的动圈上)和金属感应接近开关组成，用于采集被测对象的脉冲信号f1、f2传输进fpga控制器；随着振动台运动，安装在振动台台体上的金属感应接近开关检测到感应金属，并相应的产生信号f1和f2。测量的信号经过光电隔离后送入fpga控制器。fpga根据输入信号计算中心零位的偏移程度dx，当偏移量dx较大时，启动动态控制pid控制器，也即执行第一控制算法；根据偏移量计算得到的控制量(第一控制参数)，通过数模转换器送到功率放大器，通过也即执行第二控制算法使得其产生一个反偏移(第二控制参数)从而补偿台体中心偏移量。

第二控制算法，也即频率补偿算法，确保振动台在扫频过程中不会因频率变化而产生偏移；参照图3所示；

正弦频率补偿算法:g1(f)＝λdfdx

式中dx为偏差位移，λdf为与频率有关的补偿系数，其取值如下式：

式中λf为补偿常数，f为振动台的当前工作频率，fl为振动台的工作下限频率，fl为振动台工作的上限频率，f01和f02分别为系数调节的两个频率节点。由上式可以看出，当振动台的当前工作频率较低时，频率调节对中心的控制作用较小，随着频率的上升λdf逐步接近λf，然后在f01和f02之间保持不变。当工作频率大于f02时，λdf会迅速降低。fl、fh、f01和f02随振动台的不同而改变。

第一控制算法：数字pid控制算法：数字pid控制算法通常分为位置式pid控制算法和增量式pid控制算法，本系统中使用的是位置式pid控制算法。位置式的pid表达式为：

其中，k--采样序列号；u(k)--第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)--第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)--第k-1次采样时刻输入的偏差值；ki--积分系数，ki＝kpt/ti；kd--微分系数,kd＝kpt/td。

对于位置式pid控制算法来说，位置式pid控制算法参考图所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。

由上式可以看出，每次输出与过去所有状态均有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-1)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，来推导较为简单的递推算式。为此，对上式作如下动作：

考虑到第(k-1)次采样时有：

使式(1-1)两边对应减去(1-2)，得

整理得

式中，

式(1-3)就是pid位置式的递推形式，是编程时常用的形式之一。其程序框图如下图所示。其中系数a0、a1、a2可以事先算出。参照图4和图5所示为pid控制算法的流程。

在本发明中，通过fpga控制器计算实时振动中心位置是否偏移设定的0点位置，根据偏移的范围不同，分别采用数字pid控制算法和频率补偿算法；数字pid控制算法，确保中心不会偏移；频率补偿算法，确保振动台在扫频过程中不会因频率变化而产生偏移。将数字计算方法与硬件结构进行结合，具有精确度高，结构简单，易于实现，成本低廉，体积小重量轻，抗环境干扰能力强等优点。

在本发明中，通过plc控制器，能够方便地完成电动振动台静态、动态中心零位的控制，符合工程实际的需求。

本发明还提供一种振动台的中心零位控制方法的控制系统一个实施例，参考图6所示包括：信号获取单元100，用于获取所述振动台的当前振动信号；中央控制单元200，与所述信号获取单元连接，将获取的所述当前振动信号与预设位置信息进行比对运算；工作执行单元300，分别与所述信号获取单元以及所述中央控制单元连接；根据所述中央控制单元的比对结果设置所述振动台的控制参数，根据设置的所述振动台的控制参数，进一步通过所述信号获取单元获取所述振动台的振动信息；其中，所述振动台的当前振动信号包括第一振动信号，和第二振动信号。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，所述中央控制单元200包括：位置信息计算模块210，根据所述第一振动信号和所述第二振动信号获取当前中心位置信息；偏移信息获取模块220，将获取的所述当前中心位置信息与所述预设位置信息进行比对运算，获取振动偏移信息。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，还包括：控制模式获取模块000，与所述信号获取单元100连接，获取所述振动台的控制模式。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，包括：所述工作执行单元310包括：第一执行单元；当所述振动台处于第一工作模式时，所述第一执行单元包括：根据所述偏移信息获取模块的计算结果，当所述振动偏移量大于预设偏移量时，控制所述振动台执行第一控制方式；当所述振动偏移量小于所述预设偏移量时，控制所述振动台执行第二控制方式。

在以上实施例的基础上，本申请还提供一个实施例，所述工作执行单元300还包括：第二执行单元320；当所述振动台处于第二工作模式时，所述第二执行单元包括：根据所述偏移信息获取模块的计算结果，判断判断所述振动偏移量是否等于预设偏移量；当不等于预设所述偏移量时，执行第一控制算法和第二控制算法，获取对应的第一控制参数和第二控制参数；根据获取的第一控制参数和第二控制参数，调整所述振动台的工作参数。

基于以上提供的实施例，还提供一个实施例；参考图7所示；在本申请的振动台的控制系统中，包括：信号获取单元100，用于获取所述振动台的当前振动信号；信号获取单元包括：感应金属以及感应开关，所述感应金属设置在所述振动台上动圈上；所述感应开关通过感应所述感应金属的信息，并产生所述第一振动信号和所述第二振动信号。中央控制单元，与所述信号获取单元连接，将获取的所述当前振动信号与预设位置信息进行比对运算；

工作执行单元，分别与所述信号获取单元以及所述中央控制单元连接；根据所述中央控制单元的比对结果设置所述振动台的控制参数，根据设置的所述振动台的控制参数，进一步通过所述信号获取单元获取所述振动台的振动信息；其中，所述振动台的当前振动信号包括第一振动信号，和第二振动信号。中央控制单元包括：fpga控制器；fpga控制器中设置若干的功能模块；在fpga控制器中设置有位置信息计算模块，偏移信息获取模块，数模转换器，以及i/o通讯接口；位置信息计算模块，根据所述第一振动信号和所述第二振动信号获取当前中心位置信息；偏移信息获取模块，将获取的所述当前中心位置信息与所述预设位置信息进行比对运算，获取振动偏移信息。fpga控制器将运算处理的结果，以及根据从plc控制器获取的振动台的工作控制模式信息，发送并控制给工作执行单元执行相应的操作；工作执行单元包括功率放大器，以及气泵；功率放大器与所述中央控制端元中的所述数模转换器连接；所述气泵与所述中央控制端元中的所述i/o通讯接口连接。

振动台的工作控制模式包括静态和动态模式；当为静态时，振动台在开始工作之前，由于气囊、风机或其他因素，导致振动台中心偏移。通过fpga控制器计算出电动振动台运动部件的中心零位偏移量。fpga控制器根据偏移量dx是否大于0(预设偏移量)来驱动输出单元动作，如果偏移量dx大于0(预设偏移量)，则控制气泵开始放气；如果偏移量dx小于0(预设偏移量)，则控制气泵开始打气，直到中心处于正常位置。当为动态时，振动台工作时，感应金属随着振动台运动，安装在振动台台体上的金属感应接近开关检测到感应金属，并相应的产生信号f1和f2。测量的信号经过光电隔离后送入fpga控制器。fpga根据输入信号计算中心零位的偏移程度，当偏移量较大时启动动态控制pid控制器。根据偏移量计算得到的控制量通过数模转换器送到功率放大器，使得其产生一个反偏移从而补偿台体中心偏移量。

另外，与中央控制单元连接的plc控制器，用于控制所述振动台的控制模式，以及获取所述fpga控制器的启/停状态；与所述plc控制器连接的人机交互装置，用于输入所述振动台的控制系统的控制模块；所述人机交互装置包括显示器以及输入装置。

在本发明中，通过fpga控制器计算实时振动中心位置是否偏移设定的0点位置，根据偏移的范围不同，分别采用数字pid控制算法和频率补偿算法；数字pid控制算法，确保中心不会偏移；频率补偿算法，确保振动台在扫频过程中不会因频率变化而产生偏移。将数字计算方法与硬件结构进行结合，具有精确度高，结构简单，易于实现，成本低廉，体积小重量轻，抗环境干扰能力强等优点。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。