CN1039908A - 自适应数字式正弦振动压缩控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应数字式正弦振动压缩控制器，属非电变量的控制或调节系统，用于控制电动式振动台的正弦振动过程，被控量可为加速度、速度和位移三者之一。采用微处理机技术和自适应控制方案，实现对任意振动台体、任意负载均有良好的适应性和动态品质，具有修改控制方案方便、不需改动硬件电路、易于实现高级算法等优点。

Description

本发明属非电变量的控制或调节系统，用于控制电动式振动台的振动过程，被控量可为加速度、速度和位移三者之一。采用自适应控制方案。

前人设计的正弦振动压缩控制器采用模拟控制技术，如我国西北机器厂生产的模拟式振动控制仪。其优点是结构简单，压缩速度快，可以改变其中压缩控制器的时间常数来实现不同的压缩速度的要求。但其中的压缩控制器仅采用一阶惯性平滑环节，所以难以保证系统的稳态误差为零;另外其中的模拟压缩器还存在线性度差的缺点;也不能实现更高级的控制方案，难以适应振动测试技术对其发展的要求。

随着数字控制技术和微处理机技术的发展，可以借助功能强、速度快的微处理机或单片机来实现数字式正弦振动压缩控制器，包括采用数字式压缩器。可以不仅兼容模拟式压缩控制器的优点，又可克服其缺点。可以保证压缩器有良好的线性度，易于实现高级算法，易于实现无静差的控制，为整机系统的计算机管理、数据处理和记录提供了方便。

本发明的任务是提供一种数字式压缩器的新结构，用以克服现有的模拟式压缩器的非线性缺点;利用微处理机技术和自适应控制理论，改进成自适应数字式正弦振动压缩控制器，实现对任意振动台体、任意负载均有良好的动态响应品质和适应性;并且压缩器和压缩控制器的数字式结构，能够便于实现整机系统的计算机管理和控制，修改控制方案也较方便，不需改动硬件电路，也易于实现更加完善的高级算法。

以下结合附图对发明内容进行描述。

图1是数字式正弦振动压缩控制器的原理框图。

图2是自适应数字式正弦振动压缩控制器的结构框图。

图3是自适应数字式正弦振动压缩控制器的被控对象部分所属各单元的框图。

图4是自适应数字式正弦振动压缩控制器的控制软件程序框图。

图5是数字式压缩器的硬件结构图。

图6是数字式压缩器的硬件电路图。

参照图1，图1是改进前现有的不具自适应能力的数字式正弦振动压缩控制器的原理框图。图中〔1〕为振级数字式设定单元，可为加速度A（单位为g）、速度V（cm/S）、位移D（mm）三者之一。〔2〕为数字式比较单元。〔3〕为数字式压缩控制器单元。〔4〕为数字式压缩器。〔5〕为正弦扫频信号单元。〔6〕为功率放大器。〔7〕为振动台。〔8〕为加速度计。〔9〕为电荷放大器，其输出为对应于振动台〔7〕的加速度A的电压信号。〔10〕和〔11〕均为积分器，输出分别为速度V和位移D。〔12〕为工况A/V/D切换单元。〔13〕为量程选择单元。〔14〕为峰值检测单元。〔15〕为有效值检测单元。〔16〕为平均值检测单元。〔17〕为检测电路切换单元。〔18〕为模拟/数字转换单元。图1中仅〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔18〕为数字式部分。其工作过程如下：数字式比较单元〔2〕将数字式设定单元〔1〕的设定值与模拟/数字转换单元〔18〕的输出之间的误差输出给数字式压缩控制器单元〔3〕，得到数字表示的压缩控制量，该压缩控制量送给数字式压缩器〔4〕，实现对来自正弦扫频信号单元〔5〕的正弦扫频信号V_S的幅值压缩，同时得到一模拟信号，经功率放大器〔6〕去激励振动台〔7〕。加速度计〔8〕的输出经电荷放大器〔9〕放大后得到加速度A的信号。反馈部分可切换到加速度A、速度V、位移D三者之一的实际值，另外可切换到进行峰值、有效值、平均值三者之一的检测。

参照图2，图2是改进后的自适应数字式正弦振动压缩控制器的结构框图。其中〔1〕为振级数字式设定单元。〔2〕为数字式比较单元，计算出设定值G与被控对象〔19〕输出Y_S（k）的差值ε₀（k）。〔26〕为数字式比例积分调节器，其输出为ρ（k）。〔20〕为自适应调节的参考模型。〔21〕为放大倍数可调单元。〔19〕为被控对象。参照图3，被控对象〔19〕包括〔4〕、〔5〕、〔6〕、〔7〕、〔8〕、〔9〕、〔10〕、〔11〕、〔12〕、〔13〕、〔14〕、〔15〕、〔16〕、〔17〕、〔18〕。认为这被控对象〔19〕为一随正弦扫频信号的频率而变的一阶惯性环节，所以取参考模型〔20〕为一常量K_m。被控对象〔19〕的输出为Y_S（k），送至数字式比较单元〔2〕与设定值G比较，同时送至数字式比较单元〔22〕与参考模型〔20〕的输出Y_m（k）比较得误差ε（k）。〔23〕为积分自适应单元，〔24〕为平方非线性单元。〔25〕为求和器，其输出决定放大倍数可调单元〔21〕的放大倍数大小。

自适应数字式正弦振动压缩控制器的控制软件程序框图如图4所示。

参照图5，图5是本发明的自适应数字式正弦振动压缩控制器的数字式压缩器的硬件结构图。由D/A转换器〔27〕和〔28〕、总线驱动器〔29〕和运算放大器〔30〕和〔31〕构成。数字式压缩器〔4〕一方面通过控制线CB接受前级发出的压缩控制命令和通过数据线DB接受前级发出的数字压缩控制量，另一方面以正弦扫频信号单元〔5〕产生的正弦恒幅扫频信号V_S作为模拟信号源。数字式压缩器〔4〕的工作状态完全由前级通过控制线CB进行控制。

数字式压缩器〔4〕的工作原理如下：D/A转换器〔27〕通过总线驱动器〔29〕接受前级发出的数字压缩控制量，当D/A转换器〔27〕的 CS₁ ＝0有效，且允许转换 XFER＝0时，该数字压缩控制量与正弦扫频信号V_S相乘得到正弦模拟压缩信号V₁。该V₁作为D/A转换器〔28〕的参考电压，它限制了D/A转换器〔28〕的最大输出量不能超过V₁。D/A转换器〔28〕通过接受前级的数字压缩控制量和压缩控制命令，再对V₁信号进行压缩。就D/A转换器〔28〕来讲，其等于V₁的参考电压是浮动的，可以根据总的压缩量的大小由前级自行决定V₁的幅度大小。若取D/A转换器〔27〕的有效位数为n₁＝4，可取V₁＝V_S/2^m，m取（0，1，2，3，4）作D/A转换器〔28〕的参考电压。取D/A转换器〔28〕的有效位数为n₂＝12时，则该数字式压缩器〔4〕最大可实现n＝16位的压缩范围。也即D/A转换器〔28〕可以输出的正弦模拟压缩信号V₂的幅度最大为10伏时，最小可为10/2¹⁶-1伏，压缩深度可达96分贝。

本发明的自适应数字式正弦振动压缩控制器的数字式压缩器〔4〕与现有的模拟式压缩器相比其优点是：可以直接接受数字压缩控制量，只要满足其控制逻辑，可以与任意型号的微处理芯片相连使用。其线性度取决于D/A转换器〔27〕、〔28〕的线性度，一般最大非线性值为 1/2 LSB，失调电压为零。本发明的自适应数字式正弦振动压缩控制器的自适应控制方案的优点是：对任意控制参数，甚至整个控制方案的改动，只需改动软件即可实现，并且易于实现高级算法，这是模拟式控制方案所无法做到的。本发明的自适应控制方案中的积分自适应单元〔23〕和平方非线性单元〔24〕的调节作用，可以消除参考模型〔20〕的输出与被控对象〔19〕输出之间的误差，从而使被控对象〔19〕对前向通道中数字式比例积分调节器〔26〕而言为一基本恒定的放大倍数K_m，解决了正弦振动压缩控制器对任意振动台体、任意负载的适应性问题。积分自适应单元〔23〕和平方非线性单元〔24〕还保证了整机系统具有良好的动态响应品质。另外前向通道中的数字式比例积分调节器〔26〕的积分作用可以实现整机系统的无静差控制。

本发明的自适应数字式压缩控制器可以通过任意CPU芯片来实现，如INTEL8086CPU、Z80-CPU和8096单片机等。

图4是作为实施例的采用INTEL8086CPU作为中心处理单元时的控制软件程序框图。采样时间T。由8253设定为定时器工作方式时，定时T

＝5ms，即每5ms采样、控制一次。其中各控制参数的典型值为：a＝0.0060，b＝0.0030（a、b为十进制数），α＝β＝0.040×2^F1（浮点表示）。

图6是作为实施例的数字式压缩器〔4〕硬件电路图。当 CS＝0有效时，来自INTEL8086CPU的数据总线上的数字量D₁₅～D₅通过总线驱动器74LS125、74LS245送到两个D/A转换器DAC1210的数据输入端。当 CS₁ ＝0时，实现第一级的压缩，为第二级压缩提供参考电压V₁，当 CS₂ ＝0时，实现第二级的压缩。这里限定D₁₅、D₁₄、D₁₃、D₁₂的取值为（1111）、（0111）、（0011）、（0001）、（0000）共五挡，相应的第一级压缩后输出为-V_S、- 1/2 V_S、- 1/4 V_S、- 1/3 V_S、- 1/16 V_S， CS＝ CS₁ · CS₂ ，第二级压缩后输出V₂＝-D·V₁/4096，其中D为D₁₁～D₃数字码。

Claims (2)

1、一种自适应数字式正弦振动压缩控制器，其中包括振级数字式设定单元[1]、数字式比较单元[2]、数字式压缩器[4]、正弦扫频信号单元[5]、功率放大器[6]、振动台[7]、加速度计[8]、电荷放大器[9]、积分器[10]和[11]、工况A/V/D切换单元[12]、量程选择单元[13]、峰值检测单元[14]、有效值检测单元[15]、平均值检测单元[16]、检测电路切换单元[17]、模拟/数字转换单元[18]，其特征在于：由数字式压缩器[4]、正弦扫频信号单元[5]、功率放大器[6]、振动台[7]、加速度计[8]、电荷放大器[9]、积分器[10]和[11]、工况A/V/D切换单元[12]、量程选择单元[13]、峰值检测单元[14]、有效值检测单元[15]、平均值检测单元[16]、检测电路切换单元[17]、模拟/数字转换单元[18]组成被控对象[19]，具有取为常量Km的参考模型[20]、放大倍数可调单元[21]、数字式比较单元[22]、积分自适应单元[23]、平方非线性单元[24]、求和器[25]和数字式比例积分调节器[26]。

2、按权利要求1所述的一种自适应数字式正弦振动压缩控制器，其特征是被控对象〔19〕中的数字式压缩器〔4〕由D/A转换器〔27〕和〔28〕、总线驱动器〔29〕、运算放大器〔30〕和〔31〕组成，在D/A转换器〔27〕的V_REF1处输入正弦扫频信号V_S。

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