CN104035329A - 一种振动自动化校准系统及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振动自动化校准系统及校准方法，属于振动计量校准领域。本振动自动化校准系统包括控制部分和测量部分；所述控制部分用于控制振动台的频率和振幅；所述测量部分用于振动台振幅和相位的测量以及振动测量元件输出信号的测量；所述控制部分包括函数发生器、幅度控制器、功率放大器、自适应控制算法模块和模糊控制算法模块；所述函数发生器根据计算机命令输出指定频率F和电压幅值U_ci的正弦信号，所述正弦信号经过幅度控制器后，输出给功率放大器，以驱动振动台起振；所述自适应控制算法模块根据输入信号计算出相应的输出信号。

Description

一种振动自动化校准系统及校准方法

技术领域

本发明属于振动计量校准领域，具体涉及一种振动自动化校准系统及校准方法。

背景技术

传统的计量校准设备大部分都是手工操作，或者使用国外的校准系统。手工计量校准费时费力，在任务量大的情况下，还容易出错。国外的自动化校准系统费用较高，低频控制系统较慢，经比较spektra公司的控制系统在0.4Hz的时候要50个周期，控制系统调整慢，而且在振级控制中容易产生死区，无法进行精确的振级控制。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种振动自动化校准系统及校准方法，自动化程度较高，计算精确，控制稳定可靠，校准快速的振动计量校准系统，可使计量检定工作人员摆脱大量的、重复性的劳动任务，有效的减少因繁重重复任务导致出错的情况，极大提高劳动效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种振动自动化校准系统，包括控制部分和测量部分；所述控制部分用于控制振动台的频率和振幅；所述测量部分用于振动台振幅和相位的测量以及振动测量元件输出信号的测量；

所述控制部分包括函数发生器、幅度控制器、功率放大器、自适应控制算法模块和模糊控制算法模块；

所述函数发生器根据计算机命令输出指定频率F和电压幅值U_ci的正弦信号，所述正弦信号经过幅度控制器后，输出给功率放大器，以驱动振动台起振；

所述自适应控制算法模块根据输入信号计算出相应的输出信号，所述输入信号包括两部分，一部分为测量部分测出的振动幅值，这个信号是反馈量，另一部分是上次的执行电压值，即上一次自适应控制算法模块计算出的电压值并通过模糊算法修正后的电压值，也就是通过计算机和函数发生器通讯，最后函数发生器执行的输出值；

所述模糊控制算法模块在这个控制系统中是属于辅助控制，其根据输入的指定频率F，对自适应控制算法模块算出的执行电压值进行约束得到电压控制增量u_i，将所述电压控制增量u_i加上上次的执行电压值得到当前需要执行的电压值，然后输出给函数发生器。

在控制阶段，测量部分测量振动台的振动幅值，并将振动幅值反馈到所述自适应控制算法模块，在测量阶段，测量部分输出振动台的振动物理信息。也就是说，测量部分有俩个作用，一个是在控制中，测量振动幅值，并反馈到控制算法中，当振动幅值达不到或者超过设定的振动幅值，就进入到控制算法中，计算下一步需要让信号源输出的电压值，当测量单元测量的振动幅值和目标设定值在允许的范围内，并且保证幅值稳定的情况下，就进入到测量阶段，还是通过测量部分进行测量，并输出测量结果。

一种利用所述振动自动化校准系统实现的校准方法，采用自适应控制与模糊控制相结合对振动台的频率和振幅进行控制；

所述自适应控制是这样实现的：

设定：a_s为加速度目标设定值，由使用者输入，a_ci为加速度当前值，u_ci为信号源当前电压值，a_i为加速度增量，u_i为电压控制增量，a₀为初始加速度，是控制开始给一个u₀电压激励得到的加速度，k_p为限制系数；

其中，初始加速度a₀是这样得到的：计算机命令函数发生器发出频率F和初始电压U₀，这是一个初始激励值，当函数发生器输出这个频率F和U₀后，振动台会发生初始振动，相当于一个激励信号，其加速度通过测量部分测量得到，即得到初始加速度a₀；

加速度当前值a_ci是测量部分测量得到的实时加速度值，是最新的当前的；

电压控制增量u_i是这样的得到的：通过自适应控制算法模块计算出，并经过模糊控制算法模块进行修正得到执行电压值；

所述自适应控制算法模块采用的计算公式如下：

a_ci＝a₀+∑a_i (6)

$u_i=k_p(a_s-a_{\mathrm{ci}})\frac{u_{\mathrm{ci}}}{a_{\mathrm{ci}}}---\left(7\right)$

u_ci＝u₀+∑u_i (8)

(i＝1，2，…，n-1)

当(a_ci-a_s)/a_s≤c，时，停止振级调整；c为控制精度；

上面三个计算都是自适应控制算法模块进行的，输出信号也是电压值，即U_ci。

所述模糊控制是这样实现的：

所述模糊控制算法模块采用下面的公式对电压值进行U_ci约束：

(3)对增量u_i收拢控制

$\left|(a_s-a_{\mathrm{ci}})\frac{u_{\mathrm{ci}}}{a_{\mathrm{ci}}}\right|\≤2$

意思是整个值不能超过2，超过2，就直接等于2。

(4)宽频带线性控制

F≤0.2，k_p＝0.4；F＞0.2，k_p＝0.8；(F为振动频率)

kp这个参数是根据经验得到的，根据频率段的不同，值不一样，体现在自适应算法公式(7)中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将自适应控制和模糊控制相结合，能够把被控对象快速的精确地控制到目标设定值，控制精度可达0.01％，速度上可实现最优控制。结合相位解调技术和正弦逼近法，解调出振动物理参数，设置多重保护，防止失控，使得控制系统更稳定更可靠。此系统能够很快速的对振动计量仪器进行自动化或半自动化校准，极大提高了劳动效率和劳动任务量，在保证高精度振动计量校准的前提下，减少计量校准出错率。

附图说明

图1 是绝对法振动校准系统基本结构图。

图2 是比较法校准系统的结构原理图。

图3 是本发明系统的控制结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

目前社会科技发展迅速，振动传感器及振动测量仪器在多领域得到了众多的应用，为了保证振动传感器以及振动测量仪器的量值可靠，需要对其进行振动计量校准，在此情况下使得计量校准部门检定人员的工作量变得逐步繁重，而且出错率逐渐提升。使用此系统可直接实现自动化振动计量校准，在确保计量校准高精度的前提下，极大降低检定员的工作量，提高劳动效率，而且本系统校准内容丰富，功能强大，操作简单，涵盖了加速度、速度、位移、灵敏度和相移的内容，涵盖了大部分振动传感器和仪器的校准内容。

本系统使用自适应控制，有效解决了控制死区和调整慢的问题，使用本发明能够很精确的快速的把振级快速的调整到设定目标值，在自适应控制系统中又加入了模糊控制算法，对被控对象进行了有效且有力的控制约束，防止步进量过大而出现不可预测的异常情况出现。在测量解调算法上，采用了动态相位解调技术，使用正弦逼近法可以精确地解调出加速度、速度和位移、灵敏度和相位值。而且此系统还设置了保护系统，有硬件位移保护和软件多重保护，防止失控情况出现。

控制方法采用自适应控制和模糊控制相结合的控制方式，测量算法采用国际上先进的相位解调技术和正弦逼近法进行解算，保护部分采用硬件保护和软件保护进行多重保护技术。

本发明具体如下：

1、系统的原理结构：

在自动控制原理上，绝对法振动自动校准系统与比较法自动校准系统类似，区别仅在于振动测量装置不同，比较法不使用激光干涉仪进行测量，而是使用振动标准传感器代替激光干涉仪进行测量。绝对法自动校准系统如图1所示，在用户进行计量校准之前，需要把自己需校准实验内容输入到参数表格中，计算机作为校准系统的核心，根据参数表格中需校准的内容，发出指令给函数发生器，如振动频率点、和以依不同频率点的初始激励，低频段可以稍给小一点的初始激励，初始激励幅度依据振动台的特性而定，计算机根据发出指令给函数发生器，函数发生器根据计算机命令输出指定频率和幅值的正弦信号，信号经过幅度控制器，根据当前振动频率，幅度控制器可选择小功率、中功率、大功率对功率放大器进行控制，信号输出给功率放大器，以驱动振动台起振。激光干涉仪检测并输出振动台的振动物理信息，计算机通过A/D采集激光的干涉信号，经过软件算法完成数据处理，得到振动台的实时振动状态。在振动台未达到指定振动幅值时，计算机通过控制算法得到下一步控制量，进行新一轮的调整，直到振动幅值达到所设置的目标参数值。这时计算机通过A/D采集被校传感器的输出信号和干涉仪的干涉信号，计算得到给定频率和幅值下被校传感器灵敏度校准结果。然后系统根据用户输入的校准参数重新设置函数发生器，进入下一个点的校准，如此循环直到所有的设置点校准完毕。

比较法振动自动化校准和绝对法一样，区别是在绝对法振动自动化校准系统中，测量振动的是通过激光激光干涉仪来实现的，而在比较法振动自动话校准系统振级的测量是通过参考传感器(已知灵敏度和相移)来进行测量的。如图2所示，在用户进行计量校准之前，需要把自己需校准实验内容输入到参数表格中，计算机作为校准系统的核心，根据参数表格中需校准的内容，发出指令给函数发生器，如振动频率点、和以依不同频率点的初始激励，低频段可以稍给小一点的初始激励，初始激励幅度依据振动台的特性而定，计算机根据发出指令给函数发生器，函数发生器根据计算机命令输出指定频率和幅值的正弦信号。信号输出给功率放大器，以驱动振动台起振。参考传感器检测并输出振动台的振动物理信息，计算机通过A/D采集参考传感器的信号，经过软件算法完成数据处理，得到振动台的实时振动状态。在振动台未达到指定振动幅值时，计算机通过控制算法得到下一步控制量，进行新一轮的调整，直到振动幅值达到所设置的目标参数值。这时计算机通过A/D采集被校传感器的输出信号和参考传感器信号，计算得到给定频率和幅值下被校传感器灵敏度校准结果。然后系统根据用户输入的校准参数重新设置函数发生器，进入下一个点的校准，如此循环直到所有的设置点校准完毕。

2、本发明系统的控制算法

自动校准系统分为两个主要的部分，一是振动台频率和振幅自动控制部分，二是系统的测量部分。当控制部分将振幅调整到设定目标值且稳定后，系统进行振动台的振动物理量和被校传感器或测振仪器输出信号的测量。对于电动式振动台，可以写出它控制系统的简单数学模型，即式(1)。正弦信号经过功率放大器放大后，输入到振动台动圈，它与振动台磁场发生作用产生一个交变力F，推动可动系统运动。设电流i呈简谐变化，即i＝Isinωt，则力的大小为：

F＝Bli＝BlIsinωt (1)

其中B为台体固定磁路中的磁场感应强度(Wb/m²)，l为动圈导线的有效长度(m)，I为动圈中的电流(A)，根据牛顿第二定律有：

F＝(M1+M2)a (2)

$a=\frac{\mathrm{BlI}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}{M_1+M_2}---\left(3\right)$

$i=\frac{u}{\mathrm{\ωL}}---\left(4\right)$

$a=\frac{\mathrm{uBl}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}{(M_1+M_2)\mathrm{\ωL}}---\left(5\right)$

式中：M1为动圈质量，M2为加载在振动台动圈上的被校传感器质量，a为动圈产生的加速度。磁感应强度B、动圈绕线长度l、动圈的质量M1、振动台动圈感抗L是固定不变的，动圈中的电流i、动圈上被校传感器的质量M2和ω是变量，所以在同一次校准中，被校传感器确定的情况下，在同频率，M2和ω不变，振动加速度与电流成正比，不同频率，振动加速度不仅与电流有关系还和频率有关系，另外，在不同校准中，不同的传感器，传感器质量不一样，振动加速度除了电流和频率外，还和质量成反比。

在实际工作中，该模型中各物理量的具体数值难以确定还存在其他物理量对系统的影响，例如振动台的谐振、惯性等。整个振动激励系统是一个复杂的系统，很难精确建立数学模型。

在这种情况下，无法针建立确定的数学模型，所以传统的PID控制，比例控制不符合本控制系统。本发明使用自适应控制与模糊控制相结合形成一种控制方式。

本发明使用的自适应控制算法如下：

设定：a_s为加速度目标设定值，a_ci为加速度当前值，u_ci为信号源当前电压值，a_i为加速度增量，u_i为电压控制增量，a₀为初始加速度，是控制开始给一个u₀电压激励得到的加速度，k_p为限制系数，则加速度控制方程为：

a_ci＝a₀+∑a_i (6)

$u_i=k_p(a_s-a_{\mathrm{ci}})\frac{u_{\mathrm{ci}}}{a_{\mathrm{ci}}}---\left(7\right)$

u_ci＝u₀+∑u_i (8)

(i＝1，2，…，n-1)，n指的是次数，可以无限多次。

当(a_ci-a_s)/a_s≤c(c为控制精度，c可由使用者设置，默认为0.1％)时，停止振级调整。

本发明使用的模糊控制如下：

由于实际工作中，为了防止单次控制中出现的非线性，在自适应控制中加入了模糊控制，把被控对象限制在一个区域里面。

在此算法中有两种约束，第一种做法是对自适应控制算法进行了约束，不允许自适应算法计算得出的执行值超过一个数值，这也算是一个安全保护，第二种是根据不同的频率段，对自适应算法的计算输出值乘上一个比例系数。

(1)对增量u_i收拢控制

$\left|(a_s-a_{\mathrm{ci}})\frac{u_{\mathrm{ci}}}{a_{\mathrm{ci}}}\right|\≤2$

(2)宽频带线性控制

F≤0.2，k_p＝0.4；F＞0.2，k_p＝0.8；(F为振动频率)

本发明构建的系统采用模糊和无参自适应控制相结合的方法取得了比较好的控制效果，控制结构如图3所示，其中U₀为参考输入，U_ci为执行电压，U_i为系统反馈值，在自适应控制中，如公式(6)(7)(8)，系统通过不断的修改控制参数，以最大增量式逐渐逼近被控目标，使被控量能够以最快的速度达到目标设定值。为了防止动作过大，根据调试经验，系统加入了模糊算法，如上述模糊控制中的(1)规则中，通过模糊规则设置执行器的输出比例值，适当的加大或减小控制力度，可以减小系统中非线性的影响，同时为了防止过大超调，上述模糊控制中的(2)规则中，对给定步进量进行了限制，以保证系统的安全。此方案解决了系统的多变量、参数经常改变且不容易获得的问题，系统跟踪性强，有强的鲁棒性，可应用于时变系统和非线性系统，有较高的稳态精度，实验证明控制效果显著。

整个控制系统的流程如下：

开始，使用者根据自己的实验内容给出频率点和频率点对应的振动幅值，比如做加速度实验(还可以做速度和位移实验)0.1Hz，0.006m/s²；0.5Hz，0.2m/s²；0.8Hz，0.5m/s²；1Hz，1m/s²；2Hz，1m/s²；5Hz，2m/s²；…100Hz，10m/s²；等，同时设置参数，比如全自动还是半自动等等，设置好了以后，通过计算机和函数发生器通讯，根据所做试验的内容，给一个对应振动频率的控制初始激励，函数发生器输出一个初始的频率电压信号，经过幅度控制器选择功率放大器的输出功率大小(低频段使用小功率，高频段使用大功率)经过功率放大器输出信号到振动台，振动台起振，经过激光干涉仪检测到振动台的振动幅值，把这个振动幅值输出给自适应控制算法模块，计算出下一步需要执行的电压值，通过模糊控制算法模块对其约束，再命令函数发生器改变电压值(在做同一频率振动试验过程中频率不发生改变，并且在改变电压值时候是电压值是逐渐增加，不是一次性加上去，如果一次性加上去，振动台会发生跳跃)，再次进入测量部分…，如此反复，直到测量部分测得的振动值和前面的设置的实验内容设置的目标振动幅值进入到允许范围内，并且在测量几次不发生改变的情况下，再次进入到测量部分进行测量，进行多周期多次平均测量，完毕后振动幅值降低至零，结束这一个频率点的校准实验，然后根据前面使用者输入的实验内容进入到下一个频率点的实验，首先计算机会和函数发生器通讯，再次进入到这一次的振动幅值调整和测量，整个过程都是一样，直到最后一个实验内容结束。

3.测量部分

在图3中没有标识出测量部分，震动测量元件到自适应算法的信号即是由测量部分提供的。

在本系统中测量部分存在加速度的测量，激光绝对法中是通过数采零差正交激光干涉仪的两路正交信号结算出当前的加速度值：

通过采集零差正交激光干涉仪的两路输出信号{u₁(t_i)}和{u₂(t_i)}，可计算调相值序列

使用最小二乘法，通过结算具有A、B、C三个未知参数构成的方程组，逼近(4)式求得的调相值序列

式中：

i＝0，1，2，……N；

相位调制项幅值；

C-常数；

ω-振动角频率，ω＝2πf；

-位移的初相位角；

求得A、B之后，计算相位调制相幅值和位移的初相位角

可得振动加速度幅值a和初相位角

在比较法中，通过数据采集直接采集标准传感器的电压值，通过标准传感器的电压值除以标准传感器的灵敏度可得出当前振动的加速度。

计算被校传感器的灵敏度，通过数据采集被校传感器的电压值峰值和初相位，电压值峰值除以振动台加速度峰值，可以得出被校传感器的灵敏度和相移。

具体到本系统中，物理量的测量包括振动台台面的振动加速度，振动速度和振动位移这些都可以统称为振幅，另外在振动台上放置振动传感器或者测振仪器，通过振动台起振，振动传感器或者测振仪器能够输出信号，采集传感器或者测振仪器的信号，用传感器的电压峰值除以振动台的振动峰值就是传感器或者振动仪器的灵敏度(如果是加速度传感器就除以振动加速度峰值、速度除以速度峰值、位移除以位移峰值)。如果被测的测振仪器自己能够出数据(需要人为读数的情况下，根据测振仪的种类不同，加速度测振仪实行加速度校准、速度测振仪实行速度校准，位移测振仪实行位移校准，也就是说测振仪器输出的数值和振动台台面的振动值进行比较。另外，本系统还可以测量相移，本系统的测量方法除了能够测得振动台的幅值外(加速度、速度和位移)，还能测振动台的初相位，同时测得传感器或者测振仪器的相位，就能测得俩者之间的相移。

这些量是在测量单元测量得到的，测量单元既服务于控制部分的测量反馈，又服务于控制稳定后的测量。振动台的振动量(加速度、速度、位移和初相位)在激光绝对法中，是通过采集激光的信号，并解调激光的信号得到的。对于比较法振动自动化校准系统，是在振动台上安装一个标准传感器，作为参考传感器，这个传感器的灵敏度是已知的，通过采集标准传感器的信号，除以参考传感器的灵敏度，能够得出振动台的振动值(加速度、速度、位移和初相位)，被校传感器就是采集安装在振动台上的被校传感器的信号。

4.控制系统的保护

(1)限位保护：

机械限位保护：在振动台中，为了防止振动台振动超出设定的位移，在动圈轨道上设置了限位机械保护，当振动台发生异常，位移过大，振动台会与限位软物质发生碰撞，避免损坏。

电子限位保护：通过振动台动圈位置检测器，监测动圈位置，当动圈位置超出范围，信号源电压输出为零，振动台停止振动。

(2)防激光出错保护：在程序中有光质量检测程序，如果光质量达不到国际标准中规定的激光信号幅度和相位的要求，则程序控制设备自动减小幅度，直至停止。

(3)在比较法控制中，传感器信号无输出，则自动减小控制幅度直至停止。

(4)在控制过程中设置了步进量保护，即每次步进量不能超过一定的幅度。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种振动自动化校准系统，其特征在于：所述振动自动化校准系统包括控制部分和测量部分；所述控制部分用于控制振动台的频率和振幅；所述测量部分用于振动台振幅和相位的测量以及振动测量元件输出信号的测量；

所述控制部分包括函数发生器、幅度控制器、功率放大器、自适应控制算法模块和模糊控制算法模块；

所述函数发生器根据计算机命令输出指定频率F和电压幅值U_ci的正弦信号，所述正弦信号经过幅度控制器后，输出给功率放大器，以驱动振动台起振；

所述自适应控制算法模块根据输入信号计算出相应的输出信号，所述输入信号包括两部分，一部分为测量部分测出的振动幅值，这个信号是反馈量，另一部分是上次的执行电压值；

所述模糊控制算法模块根据输入的指定频率F，对自适应控制算法模块算出的执行电压值进行约束得到电压控制增量u_i，将所述电压控制增量u_i加上上次的执行电压值得到当前需要执行的电压值，然后输出给函数发生器。

2.根据权利要求1所述的振动自动化校准系统，其特征在于：在控制阶段，测量部分测量振动台的振动幅值，并将振动幅值反馈到所述自适应控制算法模块；

在测量阶段，测量部分输出振动台的振动物理信息。

3.一种利用权利要求1或2所述振动自动化校准系统实现的校准方法，其特征在于：所述方法采用自适应控制与模糊控制相结合对振动台的频率和振幅进行控制。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述自适应控制是这样实现的：

设定：a_s为加速度目标设定值，由使用者输入，a_ci为加速度当前值，u_ci为信号源当前电压值，a_i为加速度增量，u_i为电压控制增量，a₀为初始加速度，是控制开始给一个u₀电压激励得到的加速度，k_p为限制系数；

所述自适应控制算法模块采用下面的公式计算得到电压值U_ci：

a_ci＝a₀+∑a_i (6)

$u_i=k_p(a_s-a_{\mathrm{ci}})\frac{u_{\mathrm{ci}}}{a_{\mathrm{ci}}}---\left(7\right)$

u_ci＝u₀+∑u_i (8)

(i＝1，2，…，n-1)

当(a_ci-a_s)/a_s≤c，时，停止振级调整；c为控制精度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述初始加速度a₀是这样得到的：计算机命令函数发生器发出频率F和初始电压U₀，这是一个初始激励值，当函数发生器输出这个频率F和U₀后，振动台会发生初始振动，相当于一个激励信号，其加速度通过测量部分测量得到，即得到初始加速度a₀；

所述加速度当前值a_ci是测量部分测量得到的实时加速度值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述模糊控制是这样实现的：

所述模糊控制算法模块采用下面的公式对电压值进行U_ci约束：

(1)对增量u_i收拢控制

$\left|(a_s-a_{\mathrm{ci}})\frac{u_{\mathrm{ci}}}{a_{\mathrm{ci}}}\right|\≤2$

(2)宽频带线性控制

F≤0.2，k_p＝0.4；F＞0.2，k_p＝0.8，F为振动频率。