一种集成式振动试验系统及其能耗管理方法与流程

本发明涉及一种振动试验设备，特别涉及一种集成式振动试验系统及其能耗管理方法，属于环境试验技术领域。

背景技术：

振动试验系统在工作中，随着试验量级的增加，能量的消耗越大。传统振动试验系统通常基于以下4部分组成：振动执行机构、功率放大器、振动控制器及冷却系统组成。

但是传统振动试验系统存在以下问题：

1、未形成有效的能耗估算机制，在不同的工作条件下到底需求多少能耗没有详细的评估；

2、不同振动试验条件下，系统噪声的声压级不可控，特别是冷却系统的噪声，始终伴随整个系统的工作历程，对用户环境造成声污染；

3、在不同量级的振动试验中，系统功耗不可控，导致系统耗能高，直接导致整个系统的使用成本居高不下。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种集成式振动试验系统及其能耗管理方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种集成式振动试验系统，其包括：

振动执行机构，用于对试验产品进行振动激励，所述振动执行机构至少包括励磁部件及动圈单元；

冷却装置，与振动执行机构相连，用于对振动执行机构进行冷却；

励磁电源，为振动执行机构提供磁场；

功率放大器，连接于振动控制器与振动执行机构之间，用于对控制信号进行功率放大，以驱动振动执行机构；

控制模块，包括：

冷却功率控制单元，用于控制冷却装置的输出功率；

温差压力信号采集单元，用于测定冷却装置输出温度与周边环境的温度差；

功率放大器温度调节单元，用于调节功率放大器的温度；

励磁功率控制单元，用于调节励磁电源的输出功率。

作为本发明的进一步改进，所述温差压力信号采集单元上集成有气流传感器单元。

作为本发明的进一步改进，所述冷却装置为冷却风机。

作为本发明的进一步改进，所述冷却装置上设有消音装置。

相应地，本发明实施例还提供了一种集成式振动试验系统的能耗管理方法，其包括以下步骤：

1)根据试验参数预判所需的动圈驱动电流，计算出振动所需的推力，并确定系统最优励磁电流；

2)计算需求的励磁控制参数，并确定冷却装置的参数；

3)通过温差压力信号采集单元测出冷却装置的出口温度，判断冷却装置的出口温度是否在预设范围内，若是，则执行步骤4)，若否，重新确定冷却装置的参数；

4)计算集成式振动试验系统的总能耗P_total＝P_f+P_d+P_b，其中，P_f为励磁部件能耗，P_d为动圈单元能耗，P_b为冷却装置能耗，通过控制动圈驱动电流、励磁电流、励磁控制参数中的一种或多种以使总能耗P_total在预设范围内。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4)中励磁部件能耗的计算方法包括：

根据安培定律计算满足振动执行机构工作时励磁电源的最优励磁电流I_f；

通过温差压力信号采集单元测出冷却装置的输出温度T_f、周边环境的温度T_f0；

根据公式计算励磁部件能耗能耗，其中R_f0分别为励磁部件的等效阻抗系数，C_f为励磁部件的温度系数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4)中动圈单元能耗的计算方法包括：

根据安培定律计算满足振动执行机构工作时励磁电源的动圈驱动电流I_d；

通过温差压力信号采集单元测出冷却装置的输出温度T_d、周边环境的温度T_d0；

根据公式P_d＝R_d0×[1+C_d×(T_d-T_d0)]×I_d²计算动圈单元能耗，其中R_d0分别为动圈单元的等效阻抗系数，C_d为动圈单元的温度系数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中冷却装置为冷却风机，冷却装置的参数包括冷却风机的风速。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4)还包括：

当集成式振动试验系统的总能耗P_total在预设范围内时，记录当前动圈驱动电流、励磁电流、励磁控制参数、以及励磁部件能耗、动圈单元能耗、冷却装置能耗的值。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1.本发明的集成式振动试验系统及其能耗管理方法，明显的降低了系统功耗，提高了设备工作效率，同时减少了环境噪声污染；

2.本发明的集成式振动试验系统及其能耗管理方法，大大避免了资源浪费，降低了生产成本，为企业带来巨大的经济收益。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案之中集成式振动试验系统的构成示意图；

图2是本发明一典型实施方案之中集成式振动试验系统的原理框图；

图3是本发明一典型实施方案之中集成式振动试验系统的激振力一定时，励磁线圈中磁场随电流的变化关系图；

图4是本发明一典型实施方案之中集成式振动试验系统的能耗管理方法流程图；

图5a是采用传统振动试验系统的能耗图；

图5b是采用本发明一典型实施方案之中的能耗图；

附图标记说明：1—振动执行机构；2—冷却装置；3—功率放大器；4—控制模块；5—励磁电源；41—冷却功率控制单元；42—温差压力信号采集单元；43—功率放大器温度调节单元；4—励磁功率控制单元。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

参图1、图2所示，本发明一典型实施方案中的集成式振动试验系统，该系统包括：

振动执行机构1，用于对试验产品进行振动激励，振动执行机构至少包括励磁部件及动圈单元；

冷却装置2，与振动执行机构相连，用于对振动执行机构进行冷却；

励磁电源5，与振动执行机构相连，用于驱动振动执行机构；

功率放大器3，连接于励磁电源与振动执行机构之间，用于对励磁电源的功率进行放大，以驱动振动执行机构；

控制模块4，包括：

冷却功率控制单元41，用于控制冷却装置的输出功率；

温差压力信号采集单元42，用于测定冷却装置输出温度与周边环境的温度差；

功率放大器温度调节单元43，用于调节功率放大器的温度；

励磁功率控制单元44，用于调节励磁电源的输出功率。

在一些实施方案之中，温差压力信号采集单元上集成有气流传感器单元。

在一些实施方案之中，冷却装置为冷却风机，当然，在其他实施方案中也可以采用其他冷却装置对振动执行机构1进行冷却。

在一些更为具体的实施方案之中，所述冷却风机上还设有消音装置。

参图4所示，本发明还提供了一种所述集成式振动试验系统的能耗管理方法，包括以下步骤：

1)根据试验参数预判所需的动圈驱动电流，计算出振动所需的推力，并确定系统最优励磁电流；

2)计算需求的励磁控制参数，并确定冷却装置的参数；

3)通过温差压力信号采集单元测出冷却装置的出口温度，判断冷却装置的出口温度是否在预设范围内，若是，则执行步骤4)，若否，重新确定冷却装置的参数；

4)计算集成式振动试验系统的总能耗P_total＝P_f+P_d+P_b，其中，P_f为励磁部件能耗，P_d为动圈单元能耗，P_b为冷却装置能耗，通过控制动圈驱动电流、励磁电流、励磁控制参数中的一种或多种以使总能耗P_total在预设范围内。

集成式振动试验系统的总能耗P_total＝P_f+P_d+P_b，其中，P_f为励磁部件能耗，P_d为动圈单元能耗，P_b为冷却装置能耗，集成式振动试验系统分别估算以上3部分的能耗,根据实际推力需求，统一制定最佳控制策略。

根据实际工作工况的要求，观察在一定激振力(即推力)F1下,励磁线圈的电流I_f与所产生的磁场B[T]的关系可以由下述曲线拟化，得到一个近似计算值(以1T振动试验系统为例)。

根据图3所示的励磁电流与饱和磁密关系图，可知,当需要不同的推力时，没有必要满励磁功率条件下工作，可以根据F＝B*I_d*L计算出所需的励磁电流，使励磁工作在最节能的条件下。

在一些较为具体的实施方案之中，步骤4)中励磁部件能耗的计算方法包括：

根据安培定律计算满足振动执行机构工作时励磁电源的最优励磁电流I_f；

通过温差压力信号采集单元测出冷却装置的输出温度T_f、周边环境的温度T_f0；

根据公式计算励磁部件能耗能耗，其中R_f0分别为励磁部件的等效阻抗系数，C_f为励磁部件的温度系数。

在一些较为具体的实施方案之中，步骤4)中动圈单元能耗的计算方法包括：

根据安培定律计算满足振动执行机构工作时励磁电源的动圈驱动电流I_d；

通过温差压力信号采集单元测出冷却装置的输出温度T_d、周边环境的温度T_d0；

根据公式P_d＝R_d0×[1+C_d×(T_d-T_d0)]×I_d²计算动圈单元能耗，其中R_d0分别为动圈单元的等效阻抗系数，C_d为动圈单元的温度系数。

在一些实施方案之中，却装置为冷却风机，冷却装置的参数包括冷却风机的风速。

在一些更为具体的实施方案之中，步骤4)还包括：

当集成式振动试验系统的总能耗P_total在预设范围内时，记录当前动圈驱动电流、励磁电流、励磁控制参数、以及励磁部件能耗、动圈单元能耗、冷却装置能耗的值。

本发明的使用方法是：首先制定本发明集成式振动试验系统的目标能耗(预设范围)，之后按照本发明的管理方法控制相应参数即可。

参图5a、5b所示为传统振动试验系统与本发明一典型实施方案中集成式振动试验系统的能耗图，可以看出，采用本发明中的集成式振动试验系统及其能耗管理方法，明显能降低了系统功耗，提高了设备效率，同时减小了环境噪声污染及资源浪费，带来了明显的经济收益。

需要说明的是，本实施例的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明的实施例。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。