一种基于CompactRIO的实时主动减振系统及减振方法与流程

一种基于compactrio的实时主动减振系统及减振方法
技术领域
[0001]
本发明涉及结构动力学振动主动控制领域，具体涉及一种基于compactrio的实时主动减振系统及减振方法。


背景技术：

[0002]
在诸多工程技术领域，结构不必要的振动及环境噪声扰动将对结构的性能造成一定的影响，结构长久的损耗更可能引发十分严重的后果。振动主动控制是一种“以动制动”的控制方式，在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号应用一定的控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。振动主动控制能够有效地抑制扰动，具有自适应强、功耗低，应用广等特点，使其成为近年来振动控制领域研究的热点。
[0003]
随着新材料技术的发展，功能材料也越来越丰富，功能材料通常有两类，一类是对外界刺激（如：声、光、电、磁、力）产生反应，通常称为感知材料，可做成各种传感器。另一类是对外部环境条件发生变化产生响应，称为智能材料，适合做成各种驱动器。其中压电材料特有的力电耦合正逆压电效应使其在工程中应用范围不断扩大，尤其是结构振动控制领域中，压电智能材料因具有自感知、自适应、自调节、高频宽、易成形、方便粘贴于结构表面或埋置于结构内部等特性，而成为弹性结构主动控制中最受欢迎的智能材料。
[0004]
labview作为图形化的编程开发环境，是工业界公认的标准的数据采集和仪器控制软件。其开发环境组成有：前面板，后面板以及图标/连接器三部分。前面板是图形化交互界面，用于设置输入数值和观察输出值，类似于传统仪器的人工操作面板。后面板则包含虚拟仪器程序的图形化源代码，通过选取并连接各功能模块，无需文本编程就可实现程序的逻辑功能。labview rt在labview的基础上增添了实时控制模块，在保持原有图形化编程特点的基础上，在相关硬件或软件时钟的支持下提供了实时控制功能，为开发实时测控系统提供了一个很好的解决方案。
[0005]
现有的基于压电智能材料的结构振动主动控制测控系统多受限于层合压电结构本身的动力学建模，即被控结构模型的变更将对控制效果产生较大影响，测控系统的普适性不高。因此有必要加以改进，提高测控系统的实用性。


技术实现要素：

[0006]
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于compactrio的实时主动减振系统，通过软硬件协作达到对结构的主动减振目的，实现工程人员实时的数据处理及响应监测。
[0007]
本发明的另一目的是提供一种基于compactrio的实时主动减振方法。
[0008]
技术方案：一种基于compactrio的实时主动减振系统，包括：数据采集模块、数据处理模块、控制信号输出模块、作动抑振模块，所述数据采集模块用于获取被控系统的原始振动信号；所述数据处理模块用于根据原始振动信号通过控制算法的运算获得控制分量；
所述控制信号输出模块用于将控制分量转换为模拟信号输出；所述作动抑振模块用于根据控制模拟信号对被动系统的振动进行抑制。
[0009]
其中，所述数据采集模块包括加速度传感器、pcb传感器电缆，加速度传感器用于测量被控系统的实时加速度信号，pcb传感器电缆用于将传感器连接至数据处理模块，将传感器测得的信号传输至数据处理模块。
[0010]
进一步地，所述数据处理模块包括ni 9234采集板卡、ni crio嵌入式硬件、以及labview rt实时测控软件程序，所述labview rt实时测控软件程序运行于pc终端上；ni 9234采集板卡插在ni crio嵌入式硬件上，通过ni crio嵌入式硬件与pc相连，将实时测得的信号数据送到pc端的labview rt实时测控软件程序内进行分析。
[0011]
进一步地，所述所述控制信号输出模块包括ni 9264输出板卡，所述ni 9264输出板卡插在所述ni crio嵌入式硬件上，pc的控制信号输出至ni 9264输出板卡，ni 9264输出板卡上输出信号通过导线接到作动抑振模块。
[0012]
进一步地，所述所述作动抑振模块采用pzt压电驱动片。
[0013]
进一步地，所述控制算法的设计如下：选取被控系统中作动器对应位置处的加速度响应e作为被控量，以、分别为定增益与变增益学习控制分量，设置、分别作为全局控制中权衡、的控制增益，为采样时刻，迭代学习的控制算法设计为：为采样时刻，迭代学习的控制算法设计为：为采样时刻，迭代学习的控制算法设计为：为采样时刻，迭代学习的控制算法设计为：为变增益学习控制分量的学习增益，设置为：其中m、n为预设的变增益学习控制分量的权重参数，是e的分段函数，且。
[0014]
进一步地，所述控制算法还包括：引入限幅控制，对全局控制输入进行饱和处理，设置，参数输入为控制作动器的过载输入电压，其中为饱和函数，其定义为：，为标准符号函数；为控制作动器的过载输入电压。
[0015]
一种基于compactrio的实时主动减振方法，包括以下步骤：利用数据采集模块获取被控系统的原始振动信号；数据处理模块根据采集的原始振动信号通过通过控制算法的运算获得控制分量；
控制信号输出模块将控制分量转换为模拟信号进行输出；作动抑振模块根据输出的控制模拟信号对被动系统的振动进行抑制。
[0016]
其中，所述数据采集模块包括加速度传感器、pcb传感器电缆，加速度传感器测量被控系统的实时加速度信号，pcb传感器电缆用于将传感器连接至数据处理模块，将传感器测得的信号传输至数据处理模块；所述数据处理模块包括ni 9234采集板卡、ni crio嵌入式硬件、以及labview rt实时测控软件程序，所述labview rt实时测控软件程序运行于pc终端上；ni 9234采集板卡插在ni crio嵌入式硬件上，通过ni crio嵌入式硬件与pc相连，将实时测得的信号数据送到pc端的labview rt实时测控软件程序内进行分析；所述所述控制信号输出模块包括ni 9264输出板卡，所述ni 9264输出板卡插在所述ni crio嵌入式硬件上，pc的控制信号输出至ni 9264输出板卡，ni 9264输出板卡上输出信号通过导线接到作动抑振模块；所述所述作动抑振模块采用pzt压电驱动片。
[0017]
有益效果：本发明提出基于简化的迭代学习控制策略的软硬件平台设计方案，所依据的迭代学习控制策略将实现有限区间上的完全跟踪任务，通过对系统进行控制尝试，以输出信号与目标信号的偏差修正不理想的控制信号，提高系统的跟踪性能。该方案在具有较强的非线性耦合、较高的位置重复精度、难以建模和高精度轨迹跟踪控制要求的被控系统上对于动力学建模及相关参数上依赖程度较小，控制律设计满足实时性强、减振效率高、快速性好等特点，实例实用性更强、适用性更广，并具有良好的交互体验，有着非常重要的意义。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例的实时主动减振系统组成结构示意框图；图2为本发明实施例的labview实时测控程序设计流程图；图3为本发明实施例的迭代学习控制器基本结构示意图；图4为本发明实施例的labview实时测控程序人机交互界面设计图；图5为本发明实施例的labview实时测控程序工作流程图。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0020]
图1为本发明实施例中的主动减振系统组成结构示意框图。该实时主动减振系统主要由四个功能模块组成：数据采集模块、数据处理模块、控制信号输出模块、压电材料作动抑振模块。数据采集模块由高精度加速度传感器、pcb传感器电缆组成，用于获取被控系统的原始振动信号；数据处理模块由ni 9234四通道数据采集板卡、ni crio嵌入式硬件（即并行控制传输模块）、labview rt实时测控软件程序组成，labview rt实时测控软件程序运行于pc终端上，根据原始振动信号经过控制律计算获得输出信号控制分量增益；控制信号输出模块由ni 9264输出板卡、ni crio嵌入式硬件构成，用于将程序输出数字信号转换为模拟信号输出；作动抑振模块主要为pzt压电陶瓷，通过施加电信号利用逆压电效应实现对被动系统的振动进行抑制。
[0021]
具体而言，加速度传感器测量被控系统的实时加速度信号即时域响应，pcb传感器电缆连接传感器与9234板卡，用于将传感器测得的信号传输至ni 9234四通道数据采集板卡；ni 9234四通道数据采集板卡插在ni crio上，可通过ni crio与pc相连，将实时测得的信号数据送到pc端的测控程序内进行分析，同时pc的控制信号输出也依靠ni crio及插在其上的ni 9264输出板卡，输出板卡上输出信号通过导线接到压电片作动器的两极，实现软硬件平台的闭环。
[0022]
如所选取被控系统设定的边界条件为一端固支一端自由的状态，在进行主动抑振试验时，可将加速度传感器粘接在靠近试验件固支端的位置，如此布置将不会影响主动减振系统的测试及结果分析，且靠近固支端将使传感器自重对被控系统（例如悬臂梁或板等）的附加载荷影响降到最小。当被控系统结构较为复杂时，压电片粘贴位置选取应主要考虑结构振动的形变较大及附加载荷影响较小处。
[0023]
为了实现测控系统的高效性、准确性，本发明采用基于labview平台开发应用程序的虚拟仪器技术，以通用计算机硬件及操作系统为依托，通过计算机与仪器的密切结合，实现测试、分析的自动化。用于主动减振系统的labview应用程序在前面板可实现良好的交互环境，主要功能由后面板的程序框图实现，包括：数据初始化；数据获取及运算；数据存储；输出控制信号。
[0024]
具体的控制逻辑如下：在运行windows系统的计算机上自行开发的labview实时测控程序通过pci总线和目标硬件传输模块相连，rt模块将labview的vi程序编译下载到目标环境中执行，当vi在目标平台上运行时，目标硬件系统和计算机实时测控程序之间自动建立数据通信，在pc端的labview vi前面板上可实时观测来自目标硬件系统的数据；目标环境即rt（real-time模块，作为labview编程环境的一个附加软件，用于创建和部署实时分布式系统应用程序）系列硬件，主要构成可以分为两个部分，一为处理器和存储器部分，运行实时测控系统及通过rt下载的vi，二为采集和控制部分，即输入输出通道；数据由ni 9234采集卡的模拟通道采集，在实时测控程序中送入迭代学习算法模块，据此得到的控制信号由ni crio嵌入式硬件、ni 9264数据输出板卡送出；输入输出均依靠ni crio并行控制传输模块及编程软件对数据采集输出板卡进行配置，建立相应的虚拟和物理通道，其中虚拟通道即pc端测控程序设计的数据采集通道和控制信号输出通道；物理通道指板卡上的实际接口，为试验数据实测接线连接所需；并通过对时钟总线的控制实现信号的同步；输出的控制信号经压电陶瓷片对应型号的功率放大器放大后加载到压电陶瓷片（即作动器）两极，控制后的响应信号将同步采集并实时显示到pc端的labview程序交互界面上。
[0025]
在此测控系统中，控制循环的时间是由软件实现的。在实时控制系统中，控制时间的确定性是非常重要的指标之一，因为系统需要循环的时间的波动最小。在此程序中为了实现循环的时间控制，使用硬件的时钟来触发模拟输入操作，循环时间由模拟输入时钟决定。硬件时钟指特定的支持rt系统的硬件平台内置功能；模拟输入时钟在测控程序运行时启动，控制实时测控的循环时间。系统的模拟输出操作仍然由软件触发。循环开始之前，硬件初始化，设置为连续无缓冲的模拟输入方式。数据采集的驱动程序功能使每当模拟输入采集得到数据时，vi被激活进而完成循环内的操作。
[0026]
如图2、图3所示，pc端的labview实时测控程序在建立虚拟通道完成数据采集系统构建的同时满足控制算法的实现。控制律设计考虑到要满足实时性强、减振效率高、快速性
好，且为了该实例实用性更广，在被控系统的动力学建模及相关参数上不要过于依赖，依据此设计目标最终选定最能符合的智能控制策略之一，学习控制。选取被控系统中作动器对应位置处的加速度响应e作为被控量，以、分别为定增益与变增益学习控制分量，设置、分别作全局控制中权衡、的控制增益，设计迭代学习控制算法如下：的控制增益，设计迭代学习控制算法如下：的控制增益，设计迭代学习控制算法如下：式中，为采样时刻；是变增益学习控制分量的学习增益。
[0027]
可设置为：其中，m、n两个参数间接地反映了对控制性能的要求，并反映了控制过程中变增益学习控制分量的权重。显然，是e的分段函数，且。
[0028]
该控制律无须考虑被控系统本身的参数或建模，控制系统的输入只与当前及过去的被控响应相关，具备非常好的实时性，且设计参数少，容易实现。
[0029]
在控制律的构成上，定增益与变增益学习控制分量分别对应于对被控响应的固定与变速积分，它在全局控制中的作用是：前者快速性较好，但是易产生控制超调，甚至饱和或过载；后者快速反应能力较差，但能使控制过程的品质有所提升。通过适当的全局控制增益的选择，这两者能够在性能上达到互为补充的作用。
[0030]
因为被控量选择试验件实时测得的加速度响应，该算法获得控制输入的速度反馈是两层并行的，产生的控制作用本质上可视为主动增加系统的阻尼，因而控制系统总是稳定的，且具有主动阻振的功能。
[0031]
图4为本发明labview实时测控程序人机交互界面设计图，该实施例所涉及的命令按钮说明如下：开始：用于开始采集数据停止：用于停止数据采集数字显示：用于切换至数字显示时域显示：用于显示时域信息设置：用于设置参数信息控制输入信号：用于显示控制作动器的输入信号频域显示：用于显示频谱信息帮助：用于显示帮助文档关闭：用于关闭程序
图5为本发明labview实时测控程序（以下简称labview程序）工作流程图，本发明实施例提供的方法步骤包括：步骤一、所述实时测控系统上电，打开labview程序界面，激活、初始化各模块，测控平台状态良好无错误输出、等待用户操作。
[0032]
步骤二、所述labview程序参数信息设置包括通道设置参数和采样设置参数，其中，所述通道设置参数的参数类型包括：采集数据类型、最大值、最小值和灵敏度，可选的，参数类型还可以包括灵敏度系数和灵敏度单位；输出信号类型、幅值、相位。所述采样（或输出）设置参数的参数类型包括：采样率、采样模式、每通道采样数通道数和灵敏度。
[0033]
步骤三、所述labview程序在运行时通过ni crio并行控制传输模块（即crio9024）及ni9234采集板卡获得被控系统的实时动响应信息并在时域显示的框图中显示实时振动加速度信号波形。
[0034]
步骤四、实时加速度信号时域信息通过后面板程序框图的模块转换可在频域显示按钮下显示响应信号频谱。
[0035]
步骤五、所述控制算法中参数设计的基本原则遵从：初始设置依据期望的减振效率确定变增益学习控制分量相对应的参数m和n；而后结合两个学习控制分量各自的性能优势，重点调整全局控制定增益、变增益，以寻求实际较高的减振效率及优越的动态性能。
[0036]
步骤六、所述labview程序运行时，为避免全局控制过程中可能出现的控制过载，并最大限度地发挥作动器的控制驱动能力，引入限幅控制，即对全局控制输入进行饱和处理。引入饱和函数：，参数输入为控制作动器的过载输入电压。其中为饱和函数，其定义为：，为标准符号函数；为控制作动器的过载输入电压。饱和处理就是在以上方程计算得到的电压值u设置为程序输出电压的最大值，为了保护压电片不被过大的输出电压击穿损毁。
[0037]
步骤七、所述控制算法控制输入的更新在每个采样时刻以迭代方式完成，所需前一时刻的被控响应信息在程序中自动存储并与下一时刻的响应信息共同进入学习控制算法。
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步骤八、所述labview程序运行时，帮助按钮可显示程序操作的详细问题、主要错误输出代码及可供参考的解决方案。
[0039]
步骤八、所述labview程序运行完成后，在波形图位置处右键可选择导出结果信息：导出数据至剪贴板、导出数据至excel或导出波形图像。
[0040]
步骤九、所述主动减振测控系统任务完成，点击关闭，退出程序。
[0041]
本发明以pzt压电材料为驱动器，通过ni pci板卡采集实时响应，并在labview中编写基于学习控制的实时控制算法，实现实时数据处理及响应监测。数据采集及处理后输出主要依靠ni crio嵌入式硬件、ni 9234采集板卡和ni 9264模拟信号输出板卡，并选用加速度传感器和pzt压电驱动片作为响应信号采集和控制信号作动模块，实现数据的可靠获取。同时，采用基于labview平台开发应用程序的虚拟仪器技术，以通用计算机硬件及操作
系统为依托，通过计算机与仪器的密切结合，实现测试、分析的自动化，提高测控系统的高效性、准确性。