CN102650564A - 振动试验开环状态快速判断方法及保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动试验开环状态快速判断方法，包括以下步骤：对多路加速度反馈信号进行同步采集；选择试验类型：正弦振动试验和随机振动试验；不同的试验类型用不同的判断方法判断系统是否开环。本发明还公开了一种应用振动试验开环状态快速判断方法的保护装置，包括高速多通道同步数据采集器、FPGA和高速模拟开关，高速多通道同步数据采集器和高速模拟开关分别与FPGA连接，高速模拟开关的两个开关接线端分别与振动控制器的信号输出端和功率驱动放大器的信号输入端连接。通过本发明能根据实时采集的加速度反馈信号，并根据不同的试验类型，快速、准确地判断系统的开环状态；本发明的保护装置直接接入传统振动试验系统结构中，使用方便。

Description

振动试验开环状态快速判断方法及保护装置

技术领域

本发明涉及一种振动试验开环状态的判断方法及保护装置，尤其涉及一种能快速、准确地判断开环状态的振动试验开环状态快速判断方法及保护装置。

背景技术

振动试验用来模拟产品或结构在实际工作状态下所处的振动环境，以确定所设计及制造的产品在运输、使用及工作工程中能否承受外来振动及因自身工作产生的振动而不致被破坏，并能发挥其预定性能，达到预定寿命的可靠性。

振动试验系统由振动台、功率驱动放大器、振动控制器、试验件、夹具、加速度传感器构成。试验过程：试验件通过夹具被固定在振动台上，安装在试件上的加速度传感器将振动的加速度信号反馈给振动控制器，振动控制器对输入的加速度反馈信号和给定的目标信号进行处理，并由专门的算法计算得到控制信号，将控制信号输出至功率驱动放大器，以控制实现振动台带动试件做与目标信号一致的振动。振动试验的频率为1Hz～2kHz，试验过程中由振动控制器传输给功率驱动放大器的控制信号一般最大为±10V，加速度传感器反馈信号经过适配器处理后传输给振动控制器的信号一般情况下也转换为±10V。振动试验相关详见GJB-150。

振动试验开环状态是指上述的试验过程各个环节之间的连接有一处或者多处断开，例如：加速度传感器脱落使得加速度反馈信号丢失，加速度传感器电源故障、振动控制器未能输出控制信号至功率驱动放大器，功率驱动放大器未正常驱动振动台等。这些情况有的会导致振动台停止振动，使得加速度传感器输出信号接近零，有的会直接导致加速度传感器信号丢失，这些情况都会使得振动控制器判定为“给定的控制信号过小而造成试验件振动量级不够”，因此会逐渐增加控制器驱动信号直至达到设定的最大驱动信号，并经过一定时间后，才判断为“系统开环”，最后提示异常并完成平滑停机。

目前国内外普遍使用的振动控制器，其回路处理运算时间多为20ms及以上，在遇到振动试验系统开环时，按照上述传统处理原则，这些振动控制器一般会需要经过若干个回路处理周期才能判断系统开环。

传统的技术存在着两个方面的缺点：

1、不能及时辨别振动系统开环的情况：传统的振动控制器在遇到振动试验过程中系统开环的情况时，由于所检测到的加速度传感器反馈信号接近零，通常判断为给定控制信号过小而造成的试验件振动量级不够，之后逐渐增加控制器驱动信号直至达到设定的最大驱动信号，最后提示异常并停机；该过程根据振动控制器的回路处理时间、预设处理线数、运算处理算法等有所不同，但多为300ms以上。

2、传统设计的开环状态处理原则不合理：在实际的试验过程中，由于电磁干扰、功率驱动放大器电子故障、信号连接处接触不良等原因引起的系统开环情况容易在短时间内自恢复，该情况在实际试验过程中确有发生。传统的振动试验系统遇到该种情况时，按照其传统的设计思路，会逐渐增加驱动信号直至达到设定上限后再做异常保护处理。在运行处理的时间内，若系统开环情况恢复，会给振动台一个极大的控制信号，使得振动台产生一小段时间的大量级振动。这种情况是对被测试验件的过试验、过考核，也是对整个振动试验系统的大量级冲击，容易造成试验件损坏，严重情况下会造成功率驱动放大器以及振动台体的损坏，如果试验件为火工品则极易引起爆炸。

传统的振动试验系统中，除上述依靠振动控制器来判断系统开环状态的振动试验系统，还没有其它类型的振动试验系统在专利文献及非专利文献中记载。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能快速、准确地判断开环状态的振动试验开环状态快速判断方法及保护装置。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述振动试验开环状态快速判断方法，包括以下步骤：

(1)对多路加速度反馈信号进行同步采集，信号采集的频率f₀为试验频率上限的10倍；

(2)选择试验类型：正弦振动试验和随机振动试验二选一；

(3)若为正弦振动试验，则转入步骤(4)，若为随机振动试验，则转入步骤(4)或步骤(5)；

(4)判断系统是否开环：顺序记录加速度反馈信号，并建立数据队列M，设计队列长度为n，队列遵循FIFO处理策略，队列长度n由以下公式计算：

$n=\frac{f_o}{2f_{\min }}$ (式I)

式I中，f_min是当前正弦试验需保护的最小频率；

令 $A_i=M_i+M_{i+n/2},(i=1~\frac{n}{2})$ (式II)

式II中，A_i为当前振动试验系统的移相处理后的加速度反馈信号，M_i为第i位的加速度反馈信号；

如果A_i＜A₀                            (式III)

即判断系统开环，反之系统正常；式III中，A₀为当前振动试验系统的系统本底噪声，采用振动控制器可以直接测量得到；

(5)判断系统是否开环：顺序记录加速度反馈信号，并建立数据队列L，设计队列长度为m，队列遵循FIFO处理策略，队列长度m由以下公式计算：

m＝f₀/400

令 $A=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (式IV)

式IV中，A为当前振动试验系统的平均处理后的加速度反馈信号，L_i为第i位的加速度反馈信号；

如果A＜A₀                    (式V)

即判断系统开环，反之系统正常；式V中，A₀为当前振动试验系统的系统本底噪声，采用振动控制器可以直接测量得到。

上述方法中，将振动试验区分为正弦振动试验和随机振动试验分别专门对待，采用不同的判断公式进行直接判断，其判断更加准确和快速。FIFO是英文First In First Out的缩写，是一种先进先出的数据缓存器。

正弦振动试验只能采用对应的判断公式式III进行开环状态判断，随机振动试验可采用上述两种判断公式进行开环状态判断，但采用式III时其速度明显较慢，所以所述步骤(3)中，若为随机振动试验，则转入步骤(5)，即采用式V进行开环状态判断。

本发明所述保护装置，安装于振动控制器和功率驱动放大器之间，包括高速多通道同步数据采集器、FPGA和高速模拟开关，所述高速多通道同步数据采集器的数据采集端与加速度传感器的反馈信号输出端连接，所述高速多通道同步数据采集器的通讯端与所述FPGA的数据采集通讯端连接，所述FPGA的控制信号输出端与所述高速模拟开关的控制信号输入端连接，所述高速模拟开关的两个开关接线端分别与所述振动控制器的信号输出端和所述功率驱动放大器的信号输入端连接。

本发明所述保护装置直接安装在传统振动试验系统的振动控制器和功率驱动放大器之间，在不影响原有系统工作性能的前提下，对系统开环状态进行直接、快速、准确的开环状态判断，当判断结果为系统开环时，FPGA采用脉宽控制的方式在短时间内关闭高速模拟开关，切断振动控制器与功率驱动放大器之间的连接，实现平滑停机保护。

本发明的有益效果在于：

通过本发明所述判断方法能根据实时采集的加速度反馈信号，并根据不同的试验类型，直接、快速、准确地判断系统的开环状态；本发明的保护装置直接接入传统振动试验系统结构中，使用方便，高速多通道同步数采系统与高速模拟开关均由FPGA芯片直接控制，系统采样率可达50kHz(而一般振动试验的频率上限为2kHz)，在高速采集的基础上配合使用针对正弦振动试验与随机振动试验设计的专门保护策略，前者最快可以在10-20ms内准确判断出振动系统的开环状态，后者最快可以在4-6ms内准确判断出振动系统的开环状态，其判断时间远远低于传统方式，避免了传统部分系统开环状态极易在短时间内恢复而导致的误判问题及因此而导致的安全事故。

附图说明

图1是本发明所述振动试验开环状态快速判断方法的流程图；

图2是本发明所述保护装置应用中的结构框图；

图3是传统振动试验系统开环再恢复的加速度反馈信号波形示意图；

图4是本发明所述保护装置模拟开环再恢复的加速度反馈信号波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1所示，本发明所述振动试验开环状态快速判断方法，包括以下步骤：

(1)对多路加速度反馈信号进行同步采集，信号采集的频率f₀为试验频率上限的10倍；由于振动试验的上限频率多为2kHz，因此选择20kHz的采样频率对加速度反馈信号进行同步采集可以涵盖常规振动试验的要求；

(2)选择试验类型：正弦振动试验和随机振动试验二选一；对于试验类型，在试验开始前就已经明确，一次试验过程中，试验类型不会改变；

(3)若为正弦振动试验，则转入步骤(4)，若为随机振动试验，则转入步骤(5)；

(4)判断系统是否开环：顺序记录加速度反馈信号，并建立数据队列M，设计队列长度为n，队列遵循FIFO处理策略，队列长度n由以下公式计算：

$n=\frac{f_o}{2f_{\min }}$ (式I)

式I中，f_min是当前正弦试验需保护的最小频率；

令 $A_i=M_i+M_{i+n/2},(i=1~\frac{n}{2})$ (式II)

式II中，A_i为当前振动试验系统的移相处理后的加速度反馈信号，M_i为第i位的加速度反馈信号；

如果A_i＜A₀                            (式III)

即判断系统开环，反之系统正常；式III中，A₀为当前振动试验系统的系统本底噪声，采用振动控制器可以直接测量得到，多为10mv至20mv；

(5)判断系统是否开环：顺序记录加速度反馈信号，并建立数据队列L，设计队列长度为m，队列遵循FIFO处理策略，队列长度m由以下公式计算：

m＝f₀/400

令 $A=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (式IV)

式IV中，A为当前振动试验系统的平均处理后的加速度反馈信号，L_i为第i位的加速度反馈信号；

如果A＜A₀                        (式V)

即判断系统开环，反之系统正常；式V中，A₀为当前振动试验系统的系统本底噪声，采用振动控制器可以直接测量得到，多为10mv至20mv。

上述步骤中，第(4)步骤即为图1中的判断正弦振动试验“处理后反馈信号是否小于系统本底噪声”的过程，其中处理后反馈信号即为A_i，系统本底噪声即为A₀；第(5)步骤即为图1中的判断随机振动试验“处理后反馈信号是否小于系统本底噪声”的过程，其中处理后反馈信号即为A，系统本底噪声即为A₀。

如图2所示，本发明所述保护装置即图中虚线框内的装置，安装于振动控制器和功率驱动放大器之间，包括高速多通道同步数据采集器、FPGA和高速模拟开关，高速多通道同步数据采集器的数据采集端与加速度传感器的反馈信号输出端连接，高速多通道同步数据采集器的通讯端与FPGA的数据采集通讯端连接，FPGA的控制信号输出端与高速模拟开关的控制信号输入端连接，高速模拟开关的两个开关接线端Din和Dout分别与振动控制器的信号输出端和功率驱动放大器的信号输入端连接。

结合图2，本发明所述保护装置还包括外壳和设置于外壳上的按钮及接线端(此结构与一般仪器的外形结构一样，所以没有单独的附图)，高速多通道同步数据采集器、FPGA和高速模拟开关均置于外壳内。按钮为四个，分别为按钮1、按钮2、按钮3、按钮4(图中未示出)。

结合图2，本发明所述保护装置的使用过程分为以下步骤：

(1)按照振动试验的需求，将需要进行状态判断的加速度反馈信号分别接入保护装置外壳上的信号采集端口，信号采集端口最多16个端口，接入的反馈信号不改变振动试验系统原有的连线情况；

(2)将振动控制器的控制信号，即输出至功率驱动放大器的信号，接至Din；

(3)将该装置的Dout连接至功率驱动放大器原接入控制信号的位置；

(4)给该装置供220V交流电，且要求与振动控制器共地；

(5)按照传统方式开始进行振动试验，并在试验开始后按下保护装置“按钮1”，此时保护装置由“直通”状态进入正弦扫频试验保护策略状态，按下“按钮2”，进入随机振动试验保护策略状态，“按钮3”保护装置由保护策略状态返回“直通”状态，即不进行保护；

(6)对于正常试验过程，若进入任意一种保护策略，当试验结束时，由于振动试验已经完成，振动状态停止，此时保护装置会动作，切断振动控制器与功率驱动放大器之间的连接，此时只需在切断动作后10秒之后，按下“按钮4”，保护装置即可返回“直通”状态；

(7)在试验过程中如果出现了反馈信号中断的情况，保护装置会根据选取的保护策略进行状态判断，通常情况下正弦扫频试验的判断时间是不大于20ms，随机振动试验的判断时间是不大于5ms，当反馈信号在上述时间段内满足保护策略的条件，即立刻启动保护程序；

(8)保护程序启动后，系统自动完成切断振动控制器与功率驱动放大器之间的连接动作，该过程由处理器发送占空比逐渐减小的方波信号控制模拟开关的关断动作，以实现平滑关断，该过程设计时间为20ms；

(9)保护装置动作保护后，需要操作人员先关闭功率驱动放大器，再通过“按钮4”复位保护装置至“直通”状态，以保证试验设备安全；

(10)保护装置接入振动试验系统、拆离振动试验系统、开关装置电源均需要在振动控制器、功率驱动放大器关闭电源情况下完成，以确保试验设备安全。

下面以传统振动试验系统和本发明所述保护装置在系统开环再恢复的情况下所出现的情况对比为具体实施例：

如图3所示，传统振动试验系统在实际试验过程中遇到的系统开环再恢复的情况，图中可以看到，由于加速度反馈信号中2#、3#、4#、5#的波形信号接近于0，振动控制器输出至功率驱动放大器的驱动信号即1#的波形逐渐增大直至设定的上限值后，继续持续近50ms时仍未判断为“反馈中断”并给予保护措施，此时系统开环状态恢复，使得振动台产生了较大量级的振动，并由加速度传感器采集回相应的振动波形。

如图4所示，本发明所述保护装置在实际试验过程中由人为控制功率驱动放大器的增益旋钮模拟振动系统开环再恢复的情况，1#的波形是振动控制器输出的控制波形，可以看到在系统开环后，振动控制器仍旧按照上述模式工作，逐渐增大至设定最值后判断“系统开环”，再完成平滑停机操作。6#的波形为保护装置输出的控制信号，该信号在2#、3#、4#、5#的加速度反馈信号减小至接近0时，在极短时间内也逐渐将输出控制信号降至0，即保护装置完成了保护关断动作。在系统开环恢复时，由2#、3#、4#、5#的加速度反馈信号可以看出并未对振动台产生影响。

Claims (3)

1.一种振动试验开环状态快速判断方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对多路加速度反馈信号进行同步采集，信号采集的频率f₀为试验频率上限的10倍；

(2)选择试验类型：正弦振动试验和随机振动试验二选一；

(3)若为正弦振动试验，则转入步骤(4)，若为随机振动试验，则转入步骤(4)或步骤(5)；

(4)判断系统是否开环：顺序记录加速度反馈信号，并建立数据队列M，设计队列长度为n，队列遵循FIFO处理策略，队列长度n由以下公式计算：

$n=\frac{f_o}{2f_{\min }}$ (式I)

式I中，f_min是当前正弦试验需保护的最小频率；

令 $A_i=M_i+M_{i+n/2},(i=1~\frac{n}{2})$ (式II)

式II中，A_i为当前振动试验系统的移相处理后的加速度反馈信号，M_i为第i位的加速度反馈信号；

如果A_i＜A₀                                (式III)

即判断系统开环，反之系统正常；式III中，A₀为当前振动试验系统的系统本底噪声，采用振动控制器可以直接测量得到；

(5)判断系统是否开环：顺序记录加速度反馈信号，并建立数据队列L，设计队列长度为m，队列遵循FIFO处理策略，队列长度m由以下公式计算：

m＝f_o/400

令 $A=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (式IV)

式IV中，A为当前振动试验系统的平均处理后的加速度反馈信号，L_i为第i位的加速度反馈信号；

如果A＜A₀                    (式V)

即判断系统开环，反之系统正常；式V中，A₀为当前振动试验系统的系统本底噪声，采用振动控制器可以直接测量得到。

2.根据权利要求1所述的振动试验开环状态快速判断方法，其特征在于：所述步骤(3)中，若为随机振动试验，则转入步骤(5)。

3.一种应用权利要求1所述的振动试验开环状态快速判断方法的保护装置，安装于振动控制器和功率驱动放大器之间，其特征在于：包括高速多通道同步数据采集器、FPGA和高速模拟开关，所述高速多通道同步数据采集器的数据采集端与加速度传感器的反馈信号输出端连接，所述高速多通道同步数据采集器的通讯端与所述FPGA的数据采集通讯端连接，所述FPGA的控制信号输出端与所述高速模拟开关的控制信号输入端连接，所述高速模拟开关的两个开关接线端分别与所述振动控制器的信号输出端和所述功率驱动放大器的信号输入端连接。

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