CN102230821B - 超低频振动台振级快速调整方法 - Google Patents

Abstract

超低频振动台振级快速调整方法，包括以下步骤：使振动台系统工作于位移反馈方式，采用保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变的信号发生器作为信源；使用逐次逼近法在预调整频率f_k下调整振动台输出至与设定振动位移x在允许的误差范围内；使用逐步移频法将信号发生器输出等幅地、无间断相位地、从预调整频率f_k逐步地递减至试验频率f，等待振动台输出稳定，调整过程结束。本发明具有使振动台在超低频工作时可以迅速精确地调整到设定振级的优点。

Description

超低频振动台振级快速调整方法

技术领域

本发明涉及一种超低频振动台振级快速调整方法。

技术背景

随着科学技术的不断发展，传感器的测试水平不断朝着极限水平发展。在航空航天、地震与海啸监测、精密加工、大型建筑的结构动力学研究、石油勘探等领域，人们对超低频测振传感器的测量频率范围不断提出新的要求，如下限频率低于0.05Hz的速度传感器以及零频响应的加速度传感器，都已经开始应用到各领域当中。这些传感器的出现对超低频计量校准系统提出了更高的要求。

常规的超低频校准是一项非常费时繁琐的工作，为确保校准精度及工作效率，缩短传感器校准过程的时间是一项非常有意义的工作。对于超低频振动校准自动控制系统，必须设计一种合理的振级调整方法，使振动台可以快速精确的达到预定振级。目前比较普遍的振级调整方法是逐次逼近法，这种方法的基本思路是：首先采集得到标准传感器输出当前振动台若干个周期的振动信号，然后根据电压有效值的计算方法得到振动台当前振级，然后以设定步长逐次递增信号发生器发出信号的幅度，直到振动台稳定在预定振级下。但是，超低频(＜0.1Hz)信号的测量时间随信号周期的增大而增长，如在0.01Hz下对传感器进行校准，每改变一次信号发生器的输出信号幅值，就需要至少一个周期即100s的测量时间，假设经过5步调整可以达到预定振级，则至少需要500s的调整时间，传感器校准过程非常缓慢。

发明内容

为克服现有技术在超低频振动校准过程中测试时间长且效率较低的缺点，本发明提供了一种使振动台在超低频工作时迅速精确地达到设定振级的调整方法。

超低频振动台振级快速调整方法具体步骤如下：

1)、使振动台工作于位移反馈方式；采用保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变的信号发生器作为信号源，如基于直接数字合成(DDS)技术的信号发生器；

2)、获取用户设置的试验频率f和试验振动位移x，设定电压增量修正系数s(0＜s＜1)，频率调整步数n(n＞1)；

3)、设置信号发生器输出频率f_s为预调整频率f_k、电压u_i为初始u_k；

4)、控制信号发生器向振动台系统输入信号，待振动台输出稳定后，测取振动台的当前振动位移x₀；

5)、使用逐次逼近法调整振动台输出至允许的误差ε范围内：

(5.1)、计算当前比例因子 $k=\frac{x_0}{u_i};$

(5.2)、计算信号发生器输出目标电压u_s，

计算目标电压u_s与当前输出电压u_i的电压增量Δu＝u_s-u_i；使信号发生器的输出电压 $u_i\⇐u_i+s\×\mathrm{\Δu};$

(5.3)、待振动台输出稳定后，测量当前振动位移x₀；

(5.4)、判断|x₀-x|＜ε是否成立，若不成立，重复执行步骤(5.1)-(5.3)；若成立，则跳转至步骤6)；

6)、使用逐步移频法将信号发生器的输出等幅地、无间断相位地、从f_k逐步地递减至试验频率f；

7)、等待振动台稳定输出，结束振级调整。

进一步，步骤2)中，电压增量修正系数s根据试验设定，且满足0＜s＜1，如s＝0.5；频率调整步数n也根据试验设定，且满足n＞1，如n＝10。

进一步，步骤3)中，f_k为预调整频率，，式中，v_max为振动台输出最大速度峰值，d为设定的振动位移峰值；u_k为初始电压，根据试验设定。

进一步，步骤6)中，使用逐步移频法将信号发生器的输出等幅地、无间断相位地、从f_k逐步地递减至试验频率f包括以下步骤：

(6.1)、获取频率递减步长Δf＝(f_k-f)/n；

(6.2)、令f′＝f_s-Δf，其中f_s为信号发生器的当前频率；

(6.3)、判断f′是否小于或等于试验频率f，若否，则将f′设为信号源频率，即

然后为使系统稳定，延时1s后重复执行

(6.4)；若是，则将f设为信号源频率，即

退出移频操作至步骤7)。

本发明的技术构思是：振动台系统工作于位移反馈方式，信源采用保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变的信号发生器；然后使用逐次逼近法在一个相对较高的预调整频率f_k下将振动台位移精确地、较快速地调整至设定位移；接着，使用逐步移频法无间断相位逐步递减信号发生器输出信号频率(幅值保持不变)，直至设定频率，此时振动台的输出位移将基本保持为开始在f_k下控制好的位移。

由于移频速度远远快于超低频下振级调整速度，所以可以对超低频振级进行快速调整。以在0.01Hz下对传感器进行校准为例，首先在预调整频率f_k＝0.1Hz下按照逐次逼近法将振动台调整到设定振动位移，假设每改变一次信号发生器的输出信号幅值，需要一个周期即10s的测量时间，并经过5步调整达到预定值，则共需50s时间；然后，将信号发生器的输出频率通过10步移频调整、花费10s时间调整到0.01Hz。总共调整时间只需60s，比技术背景中描述的常规方法调整时间缩短了近一个数量级。

本发明具有使振动台在超低频工作时迅速精确地达到设定振级的优点。

附图说明

图1是超低频振动台位移反馈控制模型。

图2是振动台运动部件简化动力学模型。

图3是振动台机电耦合动力学模型。

图4是反馈控制模型幅频特性曲线。

图5是超低频振动校准系统组成示意图。

图6是振级调整算法流程图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

超低频振动台振级快速调整方法具体步骤如下：

1)、使振动台工作于位移反馈方式；采用保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变的信号发生器作为信号源，如基于直接数字合成(DDS)技术的信号发生器；

2)、获取用户设置的试验频率f和试验振动位移x，设定电压增量修正系数s(0＜s＜1)，频率调整步数n(n＞1)；

3)、设置信号发生器输出频率f_s为预调整频率f_k、电压u_i为初始u_k；

4)、控制信号发生器向振动台系统输入信号，待振动台输出稳定后，测取振动台的当前振动位移x₀；

5)、使用逐次逼近法调整振动台输出至允许的误差ε范围内：

(5.1)、计算当前比例因子 $k=\frac{x_0}{u_i};$

(5.2)、计算信号发生器输出目标电压u_s，

计算目标电压u_s与当前输出电压u_i的电压增量Δu＝u_s-u_i；使信号发生器的输出电压 $u_i\⇐u_i+s\×\mathrm{\Δu};$

(5.3)、待振动台输出稳定后，测量当前振动位移x₀；

(5.4)、判断|x₀-x|＜ε是否成立，若不成立，重复执行步骤(5.1)-(5.3)；若成立，则跳转至步骤6)；

6)、使用逐步移频法将信号发生器的输出等幅地、无间断相位地、从f_k逐步地递减至试验频率f；

7)、等待振动台稳定输出，结束振级调整。

步骤2)中，电压增量修正系数s根据试验设定，且满足0＜s＜1，如s＝0.5；频率调整步数n也根据试验设定，且满足n＞1，如n＝10。

步骤3)中，f_k为预调整频率，

式中，v_max为振动台输出最大速度峰值，d为设定的振动位移峰值；u_k为初始电压，根据试验设定。

逐步移频基本原理

振动台在超低频工作时采用如1图所示的位移反馈控制闭环调节系统。图中，功率放大器的传递函数在超低频时可以认为是一个常数，即有

$G_1\left(s\right)=\frac{U_o^{\′}\left(s\right)}{U_i^{\′}\left(s\right)}=K---\left(1\right)$

在超低频工作条件下，振动台运动部件可简化为如图2所示单自由度机械动力学系统模型，并进而得到图3所示振动台机电耦合动力学模型，其电压-位移传递函数可表示为

$G_2\left(s\right)=\frac{X_o\left(s\right)}{U_o^{\′}\left(s\right)}=\frac{\mathrm{Bl}}{{\mathrm{mLs}}^3+(\mathrm{mR}+\mathrm{cL})s^2+[\mathrm{Rc}+\mathrm{kL}+{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2]s+\mathrm{Rk}}---\left(2\right)$

式中，m为运动部件及负载总质量，k是运动部件支撑系统的刚度，c为运动部件的阻尼系数，L为动圈等效电感，R为动圈等效电阻，l为动圈等效长度。

在超低频工作时，位移传感器的传递函数H(s)可认定为常数

$H\left(s\right)=\frac{U_f\left(s\right)}{X_o\left(s\right)}=S_g---\left(3\right)$

控制器采用比例控制，即

G₃(s)＝K_p    (4)

式中，K_p为比例系数

根据上述对图1振动台反馈控制系统各个环节的介绍，可以给出整个闭环反馈系统的传递函数

$G\left(s\right)=\frac{X_o\left(s\right)}{U_i\left(s\right)}=\frac{K_p\mathrm{KBl}}{{\mathrm{mLs}}^3+(\mathrm{mR}+\mathrm{cL})s^2+[\mathrm{Rc}+\mathrm{kL}+{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2]s+\mathrm{Rk}+{\mathrm{BlK}}_p{\mathrm{KS}}_g}---\left(5\right)$

令s＝jω，则有系统频响函数

$G\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{K_p\mathrm{KBl}}{[-(\mathrm{mR}+\mathrm{cL}){\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{Rk}+{\mathrm{BlK}}_p{\mathrm{KS}}_g]+j[-\mathrm{mL}{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{Rc}+\mathrm{kL}+{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2]\mathrm{\ω}}---\left(6\right)$

当振动台在超低频直至零频的条件下工作时，公式中的ω项趋于零，通过调整控制器与功率放大器参数K、K_p，使分母中BlK_pKS_g？Rk，则振动台系统超低频工作时的电压-位移频响函数进一步可简化为

$G\left(\mathrm{\ω}\right)\≈\frac{K_p\mathrm{KBl}}{{\mathrm{BlK}}_p{\mathrm{KS}}_g}=\frac{1}{S_g}---\left(7\right)$

从式中可以看出，此时系统频响函数只与位移传感器灵敏度有关，而与工作频率无关。

特别地，振动台取典型参数为：R＝0.23Ω，B＝0.58T，l＝38m，c＝3.78N/m·s^-1，m＝9kg，L＝0.00036H，k＝360N/m；功率放大器增益取K＝10；控制器比例系数取K_p＝1；位移传感器电压灵敏度取S_g＝100V/m。将这些参数代入式(6)，得

$G\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{220.4}{(-2.0713608{\mathrm{\ω}}^2+22122.8)+j(0.00324{\mathrm{\ω}}^2+486.7606)\mathrm{\ω}}---\left(8\right)$

由此得到系统幅频与相频曲线，如图4所示。从图中可以看出，当振动台处于超低频(＜0.1Hz)条件下时，幅频曲线基本为一直线，表明在等电压的情况下，位移振动量基本为一常量；而相频特性接近于0°。这充分证明了式(7)近似式的有效性。通过所建立的数学模型式(8)，在等电压输入条件下，取0.1Hz到接近零频的一组典型频率点值计算得到振动台输出位移，如表1所示。从表中数据可知，在等电压输入情况下，直至0.0001Hz的系统输出位移量相对于0.1Hz的输出位移量偏差极小。由此可知，采用位移反馈的振动台系统在超低频工作时输出位移量主要取决于系统的输入信号电压，而输入信号的频率对输出位移影响不大。这样，当振动台进行超低频振级调整时，先在较高的预调频率f_k(如0.1Hz)下采用逐次逼近法将振动台输出位移较快速而精确地调整至设定值，然后在保持信号发生器输出幅值不变地情况下逐步无间断相位地将信号发生器输出频率递减至设定频率，则振动台输出位移将基本保持f_k下幅值，从而实现超低频段时振级的快速调整。为了提高系统的稳定性，信号发生器必须保证频率变化时输出信号相位连续、幅值不变。

表1等电压超低频输入振动台输出位移变化趋势

下面参照附图5对本发明具体描述：系统由超低频标准振动台、功率放大器、信号发生器、多通道同步数据采集卡、位移传感器、计算机及控制软件等组成。位移传感器测量得到振动台输出位移信号。信号发生器产生一定频率和幅值的标准正弦信号，和位移传感器输出比较、通过控制器运算后输入至功率放大器，激励振动台工作，实现位移反馈工作模式。信号发生器采用DDS技术，输出幅值、频率均独立可调，保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变。数据采集卡测量位移传感器输出信号幅值，以作为逐次逼近法控制振级的依据；在振级调整完成后，数据采集卡同时测量被校传感器经适配器后的输出电压信号，从而计算得到被较传感器的灵敏度。信号发生器和数据采集卡均通过相应的接口与计算机通讯，并受控于计算机。

图6为振级调整算法流程图，包括如下步骤：使振动台系统工作于位移反馈方式，采用保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变的信号发生器作为信源；读取用户设置的试验频率f与试验振动位移x，根据试验设定电压增量修正系数s与频率调整步数n，设置信号发生器频率为预调整频率f_k，初始电压为u_k；使用逐次逼近法将振动台输出精确调整至设定位移值x；使用逐步移频法将信号发生器的输出等幅地、无间断相位地、从f_k逐步地递减至试验频率f，从而完成超低频振级快速调整。频率增量可表示为Δf＝(f_k-f)/n，为保证频率变化时系统输出稳定，设置每次频率调整后等待1s。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.超低频振动台振级快速调整方法，包括以下步骤：

1）、使振动台工作于位移反馈方式；采用保证频率变化时输出信号相位连续且幅值不变的信号发生器作为信号源；

2）、获取用户设置的试验频率f和试验振动位移x，设定电压增量修正系数s（0<s<1），频率调整步数n（n>1）；

3）、设置信号发生器输出频率f_s为预调整频率f_k、电压u_i为初始电压u_k；

4）、控制信号发生器向振动台系统输入信号，待振动台输出稳定后，测取振动台的当前振动位移x₀；

5）、使用逐次逼近法调整振动台输出至允许的误差ε范围内：

（5.1）、计算当前比例因子 

（5.2）、计算信号发生器输出目标电压u_s， 

计算目标电压u_s与当前输出电压u_i的电压增量Δu=u_s-u_i；使信号发生器的输出电压 

（5.3）、待振动台输出稳定后，测量当前振动位移x₀；

（5.4）、判断|x₀-x|<ε是否成立，若不成立，重复执行步骤（5.1）-（5.3）；若成立，则跳转至步骤6）；

6）、使用逐步移频法将信号发生器的输出等幅地、无间断相位地、从f_k逐步地递减至试验频率f；

（6.1）、获取频率递减步长Δf=(f_k-f)/n； 

（6.2）、令f′=f_s-Δf，其中f_s为信号发生器的当前频率；

（6.3）、判断f′是否小于或等于试验频率f，若否，则将f′设为信号源频率，即 

然后为使系统稳定，延时1s后重复执行（6.2）；若是，则将f设为信号源频率，即 

退出移频操作至步骤7）；

7）、等待振动台稳定输出，结束振级调整。

2.如权利要求1所述的超低频振动台振级快速调整方法，其特征在于：步骤2）中，电压增量修正系数s根据试验设定，且满足0<s<1；频率调整步数n也根据试验设定，且满足n>1。 

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