CN104570053B

CN104570053B - 可控震源的广义预测控制系统

Info

Publication number: CN104570053B
Application number: CN201410832028.1A
Authority: CN
Inventors: 姜弢; 马瑞琪; 姚恩超; 徐学纯; 林君; 杨志超
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN104570053A

Abstract

本发明涉及一种可控震源的广义预测控制系统，以DSP作为主控芯片，控制键盘模块与液晶显示模块，并通过串口通讯、SPI通讯与FPGA实现快速通讯。在FPGA中编程搭建可控震源模型参数辨识模块、控制量求取模块中的大量运算则通过SPI通讯，在DSP中实现。采用FPGA，电路体积小，集成度高，降噪能力强，运算速度快。解决了由于可控震源激发信号受震源控制信号、震动系统结构等因素制约，震动系统存在非线性，基板与大地耦合系统随施工区域地表环境及地下构造而变化难以取得好的控制精度问题。本发明特别适于复杂施工条件下的可控震源控制，能够降低震源系统由于长期使用老化等因素引起的系统输出信号畸变，提高可控震源控制的精度与系统的鲁棒性。

Description

可控震源的广义预测控制系统

技术领域：

本发明涉及一种可控震源控制系统，特别是涉及一种可控震源的广义预测控制系统。

背景技术：

可控震源能够对地激发小能量的可控震动信号，利用脉冲压缩的方法达到类似炸药震源的大功率地震波激发效果。由于可控震源波形参数可控、安全环保等优势，在地震勘探中已经得到广泛的应用。但是受到可控震源基板与大地耦合不佳、系统非线性等的影响，可控震源开环输出信号存在严重的信号畸变，其不仅表现在各频段激发信号幅度上的不一致，还表现为激发信号与输入信号相位上不一致。可控震源激发信号的畸变将对地震勘探的精度和分辨率会造成严重影响。国外已经有很多对可控震源进行反馈控制的研究，Laing使用锁相环追踪可控震源基板加速度的相位，但锁相环采用过零检测来获得相位信息，易受高次谐波与环境噪声影响，造成相位的误判。Sercel公司使用高斯二次型最优控制实现对其震源的反馈控制，但仍在一定程度上依赖震源及震源与大地耦合模型。而可控震源地震勘探过程涉及的地表及地下环境复杂多变，模型受环境影响大。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种适于各类复杂地表及地下环境的基于广义预测算法的可控震源控制系统。

本发明的主要思想是：基于广义预测算法的可控震源控制系统，首先设定可控震源的期望输出，然后通过两路采集通道测得可控震源输出信号，根据当前震源输出信号与期望输出信号得到广义预测控制的参考轨迹；接着利用可控震源输出信号与相应的控制量通过系统辨识得到可控震源系统模型参数；最后通过求解丢番图方程，利用可控震源的参考轨迹、系统模型，来获得使预测输出接近期望输出的控制量，该控制量经功率放大驱动可控震源激振器对地输出震动信号。在基于广义预测算法的可控震源控制系统中，包含两路加速度采集通道、一个信号输出通道；以DSP作为主控芯片，控制键盘模块与液晶显示模块，并通过串口通讯、SPI通讯与可编程逻辑门阵列(FPGA)实现快速通讯。在FPGA中编程搭建可控震源模型参数辨识模块、控制量求取模块，以及用于产生目标轨迹的信号发生器。其中，模型参数辨识模块、控制量求取模块中的大量运算则通过SPI通讯，在DSP中实现，提高了运算速度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

可控震源的广义预测控制系统，是由DSP1分别连接液晶显示模块3和键盘模块2，DSP1经模型参数辨识模块5控制量求取模块8连接，DSP1经信号发生器4和参考轨迹设定模块6与控制量求取模块8连接，DSP1经控制量求取模块8、D/A转换器17、低通滤波器C18、信号放大器19B和功率放大器20与激振器21的反应体连接，加速度传感器A15经信号放大器A13、低通滤波器A11、A/D转换器A9和加权模块7与模型参数辨识模块5连接，加速度传感器B16经信号放大器14、低通滤波器B12、A/D转换器B10和加权模块7与模型参数辨识模块5连接构成。

可控震源的广义预测控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、工作前，用户通过键盘模块2设置可控震源输出波形参数、工作时间、采集电路中A/D采样频率、广义预测控制优化时域Nu和系统辨识模型阶次N控制参数,并通过串口通讯发送给FPGA，液晶显示模块3实时显示可控震源工作的波形参数、波形类型、扫描时间、辨识模型阶次、预测时域、控制时域信息；

b、系统上电后，信号采集模块③和加速度传感器A15和加速度传感器B16进入工作状态；

c、开始工作时，DSP 1给广义预测控制单元②、信号采集单元③和信号输出单元④中的各模块发送开始工作命令；

d、信号发生器4接收到FPGA发出的工作指令后，按步骤a中设定的参数产生可控震源期望输出波形s；

e、设定初始时刻k＝0，此时加权模块的历史输出[y(k),y(k-1),…,y(k-N)]与控制量的历史记录[u(k),u(k-1),…,u(k-N)]均为0，k为离散时间点；

f、广义预测控制单元②中，加权模块7按照公式y(k)＝m₁*a₁(k)+m₂*a₂(k)，计算得到可控震源输出信号y(k)，其中m₁、m₂分别为基板质量与反应体质量；模型参数辨识模块5利用系统记录的可控震源输出信号：

[y(k),y(k-1),...,y(k-N)]、控制量[u(k),u(k-1),…,u(k-N)]，

通过系统辨识，输出辨识得到可控震源系统模型参数a、b；参考轨迹设定模块6通过加权模块7得到的y(k)与信号发生器4产生的可控震源的期望输出s得出可控震源广义预测控制系统的参考轨迹w；控制量求取模块8由震源模型的参数a、b与参考轨迹w，通过丢番图方程，获得可控震源将来时刻预测激发信号接近于参考轨迹[w(k+1),…,w(k+Nu)]时，控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)]的值；

g、D/A转换器17将控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)],按照设定的转换速率，依次转换模拟信号，在经过低通滤波器C18滤波，运算放大器B19放大后，通过功率放大器20驱动可控震源激振器21对地激发振动信号。同时，信号采集模块③将加速度传感器检测到的可控震源基板加速度与反应体加速度，经过放大、滤波后，通过A/D转换器B10和A/D转换器A9转换为数字形式a₁(k)、a₂(k)，送入FPGA，通过加权和运算求得可控震源激发信号y(k)；

h、重复e～g过程，实现对可控震源广义预测控制。

有益效果：本发明采用DSP作为主控芯片；使用FPGA作为下位机，控制信号采集单元与信号输出单元工作，通过编程方式集成了用于广义预测控制的加权模块、信号发生器、模型参数辨识模块、控制量求取模块；广义预测控制中的大量数据运算又通过DSP完成。系统包含两路信号采集电路，一路信号输出电路。其主要优势包括：采用广义预测控制方式实现对可控震源的闭环控制不需分别对震源输出信号的幅度和相位进行控制；不依赖固定的震源模型。此外，系统采用可编程逻辑阵列(FPGA)实现，电路体积小，集成度高，降噪能力强，运算速度快。可控震源地震勘探要求在不同震源点震源激发的地震波信号与震源控制信号一致，而实际的可控震源激发信号受震源控制信号、震动系统结构、基板与大地耦合等因素制约。由于震动系统存在非线性，基板与大地耦合系统随施工区域地表环境及地下构造而变化。在此条件下，现有的控制系统难以取得好的控制精度。而基于广义预测算法的可控震源控制系统，特别适于复杂施工条件下的可控震源控制，同时，能够降低震源系统由于长期使用老化等因素引起的系统输出信号畸变，提高可控震源控制的精度与系统的鲁棒性。

不需分别对震源输出信号的幅度和相位进行控制，而是将信号采集模块③采集到的可控震源激振器基板与反应体加速度数据通过加权得到可控震源输出信号，利用可控震源输出信号、可控震源通过D/A转换器输出的控制量实时辨识得到震源模型，以设定的可控震源的期望输出信号与实际输出信号为基础给出参考轨迹，利用震源模型、可控震源输出信号与参考轨迹对可控震源进行控制。

附图说明：

图1可控震源的广义预测控制系统结构框图。

图2控制量求取模块输出的控制量。

图3可控震源期望信号与广义预测控制后输出信号。

①主控单元，②广义预测控制单元，③信号采集模块，④信号输出模块，⑤可控震源单元。

1DSP，2键盘模块，3液晶显示模块，4信号发生器，5模型参数辨识模块，6参考轨迹设定模块，7加权模块，8控制量求取模块，9A/D转换器A，10A/D转换器B，11低通滤波器A，12低通滤波器B，13信号放大器A，14信号放大器，15加速度传感器A，16加速度传感器B，17D/A转换器，18低通滤波器C，19信号放大器B，20功率放大器，21激振器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步说明。

可控震源的广义预测控制系统，是由DSP1分别连接液晶显示模块3和键盘模块2，DSP1经模型参数辨识模块5控制量求取模块8连接，DSP1经信号发生器4和参考轨迹设定模块6与控制量求取模块8连接，DSP1经控制量求取模块8、D/A转换器17、低通滤波器C18、信号放大器B19和功率放大器20与激振器21的反应体连接，加速度传感器A15经信号放大器A13、低通滤波器A11、A/D转换器A9和加权模块7与模型参数辨识模块5连接，加速度传感器B16经信号放大器14、低通滤波器B12、A/D转换器B10和加权模块7与模型参数辨识模块5连接构成。

由DSP 1分别连接键盘模块2、液晶显示模块3构成主控单元①；由加权模块7通过模型参数辨识模块5与控制量求取模块8相连，由加权模块7通过参考轨迹设定模块6与控制量求取模块8相连，由信号发生器4通过参考轨迹设定模块6与控制量求取模块6相连构成广义预测控制单元②；由信号放大器A13通过低通滤波器A11与A/D转换器A9相连，由信号放大器14通过低通滤波器B12与A/D转换器B10相连，构成信号采集模块③；由D/A转换器17经低通滤波器C18、信号放大器B19与功率放大器20相连构成信号输出模块④；由激振器21与连接在激振器基板上的加速度传感器B16、连接在激振器反应体上的加速度传感器A15构成可控震源单元⑤。

主控单元①通过串口通讯设置可控震源输出波形参数、工作时间、采集电路中A/D采样频率、广义预测控制优化时域Nu和系统辨识模型阶次N等控制参数，实现对可控震源的闭环控制。

广义预测控制单元②通过编程方式集成在FPGA中，包括信号发生器4、模型参数辨识模块5、参考轨迹设定模块6、加权模块7、控制量求取模块8。信号发生器4产生用户设置可控震源的期望输出s。加权模块7利用信号采集单元获得的可控震源激振器基板与反应体加速度a₁(k),a₂(k)，加权得到可控震源激发信号y(k)；模型参数辨识模块5由过去时刻可控震源控制量[u(k),u(k-1),…,u(k-N)]与可控震源激发信号[y(k),y(k-1),...,y(k-N)]，辨识得到可控震源的模型参数a、b。参考轨迹设定模块6通过加权模块7得到的y(k)与信号发生器模块4产生的可控震源的期望输出s得到广义预测控制系统中的参考轨迹w，控制量求取模块8则根据模型参数a、b与过去时刻的震源输出信号[y(k),y(k-1),…,y(k-N)]获得接近参考轨迹w的预测输出信号及该预测输出信号对应的将来时刻控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)]，k表示离散的时间点。

信号采集模块③包括两路：一路是加速度传感器A15经信号放大器A13、低通滤波器A11和A/D转换电路A9与加权模块7连接；另一路是加速度传感器B16经信号放大器14低通滤波器B 12和A/D转换电路B10与加权模块7连接。

加速度传感器B16用于测量可控震源激振器基板加速度，测得信号经信号放大器14放大后，通过低通滤波器B12滤除噪声，由A/D转换器B10转换成数字信号a₁(k)；两路加速度传感器A15用于测量可控震源激振器反应体加速度，测得信号经信号放大器A13放大后，通过低通滤波器A11滤除噪声，由A/D转换器A9转换成数字信号a₂(k)。

信号输出模块④包括D/A转换器17、低通滤波器C18、信号放大器B19。D/A转换器17将控制量求取模块8产生的控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)]，按照设定的转换速率，依次转换成模拟信号，经低通滤波器C18滤波、信号放大器B19放大后，输出给功率放大器20，经功率放大，驱动可控震源激振器对地激发地震波。

可控震源单元⑤包括激振器21与连接在激振器基板上的加速度传感器B16、连接在激振器反应体上的加速度传感器A15。激振器20用于对地激发地震波，加速度传感器B16与加速度传感器A15分别用于检测激振器基板加速度a₁(k)与反应体加速度a₂(k)。

可控震源的广义预测控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、工作前，用户通过主控单元中4×4行列扫描键盘模块2设置可控震源输出波形参数、工作时间、采集电路中A/D采样频率、广义预测控制优化时域Nu和系统辨识模型阶次N等控制参数,并通过串口通讯发送给FPGA，由FPGA按照参数对系统各模块进行设定；液晶显示模块3为320*240LCD屏，实时显示可控震源工作的波形参数、波形类型、扫描时间、辨识模型阶次、预测时域、控制时域信息。键盘模块2、液晶显示模块3与主控芯片DSP 1通过I/O管脚相连。

b、系统上电后，信号采集模块③和加速度传感器A15、加速度传感器B16进入工作状态。

c、开始工作时，主控单元①中的DSP 1给广义预测控制单元②及信号采集单元③与信号输出单元④中的各模块发送开始工作命令。

d、信号发生器4接收到FPGA发出的工作指令后，按步骤a中设定的参数产生可控震源期望输出波形s。

e、设定初始时刻k＝0，此时加权模块的历史输出[y(k),y(k-1),…,y(k-N)]与控制量的历史记录[u(k),u(k-1),…,u(k-N)]均为0，k为离散时间点。

f、广义预测控制单元②中，加权模块7按照公式y(k)＝m₁*a₁(k)+m₂*a₂(k)，计算得到可控震源输出信号y(k)，其中m₁、m₂分别为基板质量与反应体质量；模型参数辨识模块5利用系统记录的可控震源输出信号[y(k),y(k-1),…,y(k-N)]、控制量[u(k),u(k-1),…,u(k-N)]，通过系统辨识，输出辨识得到可控震源系统模型参数a、b；参考轨迹设定模块6通过加权模块7得到的y(k)与信号发生器4产生的可控震源的期望输出s得出可控震源广义预测控制系统的参考轨迹w；控制量求取模块8由震源模型的参数a、b与参考轨迹w，通过丢番图方程，获得可控震源将来时刻预测激发信号接近于参考轨迹[w(k+1),…,w(k+Nu)]时，控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)]的值。

g、D/A转换器17将控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)],按照设定的转换速率，依次转换模拟信号，在经过低通滤波器C18滤波，运算放大器B19放大后，通过功率放大器20驱动可控震源激振器21对地激发振动信号。同时，信号采集模块③将加速度传感器检测到的可控震源基板加速度与反应体加速度，经过放大、滤波后，通过A/D转换器B10与A/D转换器A9转换为数字形式a₁(k)、a₂(k)，送入FPGA，通过加权和运算求得可控震源激发信号y(k)。

h、重复e～g过程，实现对可控震源广义预测控制。

Claims

1.一种可控震源的广义预测控制系统，其特征在于，是由DSP(1)分别连接液晶显示模块(3)和键盘模块(2)，DSP(1)经模型参数辨识模块(5)与控制量求取模块(8)连接，DSP(1)经信号发生器(4)、参考轨迹设定模块(6)与控制量求取模块(8)连接，DSP(1)经控制量求取模块(8)、D/A转换器(17)、低通滤波器C(18)、信号放大器B(19)和功率放大器(20)与激振器(21)的反应体连接，加速度传感器A(15)经信号放大器A(13)、低通滤波器A(11)、A/D转换器A(9)和加权模块(7)与模型参数辨识模块(5)连接，加速度传感器B(16)经信号放大器(14)、低通滤波器B(12)、A/D转换器B(10)和加权模块(7)与模型参数辨识模块(5)连接构成。

2.一种可控震源的广义预测控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、工作前，用户通过键盘模块(2)设置可控震源输出波形参数、工作时间、采集电路中A/D采样频率、广义预测控制优化时域Nu和系统辨识模型阶次N控制参数,并通过串口通讯发送给FPGA，液晶显示模块(3)实时显示可控震源工作的波形参数、波形类型、扫描时间、辨识模型阶次、预测时域、控制时域信息；

b、系统上电后，信号采集模块、加速度传感器A(15)和加速度传感器B(16)进入工作状态；

c、开始工作时，DSP(1)给广义预测控制单元、信号采集模块和信号输出模块中的各模块发送开始工作命令；

d、信号发生器(4)接收到FPGA发出的工作指令后，按步骤a中设定的参数产生可控震源期望输出波形s；

f、广义预测控制模块中，加权模块(7)按照公式y(k)＝m₁*a₁(k)+m₂*a₂(k)，计算得到可控震源输出信号y(k)，其中m₁、m₂分别为基板质量与反应体质量；模型参数辨识模块(5)利用系统记录的可控震源输出信号：

[y(k),y(k-1),…,y(k-N)]、控制量[u(k),u(k-1),…,u(k-N)]，

通过系统辨识，输出辨识得到可控震源系统模型参数a、b；参考轨迹设定模块(6)通过加权模块(7)得到的y(k)与信号发生器(4)产生的可控震源的期望输出s得出可控震源广义预测控制系统的参考轨迹w；控制量求取模块(8)由震源模型的参数a、b与参考轨迹w，通过丢番图方程，获得可控震源将来时刻预测激发信号接近于参考轨迹[w(k+1),…,w(k+Nu)]时，控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)]的值；

g、D/A转换器(17)将控制量[u(k+1),…,u(k+Nu)],按照设定的转换速率，依次转换模拟信号，在经过低通滤波器C(18)滤波和运算放大器B(19)放大后，通过功率放大器(20)驱动可控震源激振器(21)对地激发振动信号，同时，信号采集模块③将加速度传感器检测到的可控震源基板加速度与反应体加速度，经过放大、滤波后，通过A/D转换器B(10)和A/D转换器A(9)转换为数字形式a₁(k)、a₂(k)，送入FPGA，通过加权和运算求得可控震源激发信号y(k)；

h、重复e～g过程，实现对可控震源广义预测控制。