CN104570767A - 一种磁流变减振器控制算法仿真试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流变减振器控制算法仿真试验系统，由激振测试台架和虚拟ECU控制器组成，所述的激振测试台架上设有激振线圈、磁流变减振器及激振器，并在三者上分别安装有振动传感器，该振动传感器所接收的传感器信号分别接入于数据采集卡内，数据采集卡通过对采集的数据采样、预处理之后输出到labview数采监控软件模块并在Simulink控制算法软件模型进行运算，同时Simulink控制算法软件模型的运算结果通过USB通信接口输出到程控恒流源设备的USB通信接口，并通过程控恒流源设备的恒流输出到激振线圈；本发明能够有效缩短控制系统开发周期、节省研发成本，同时有效降低控制系统软硬件方案优化修改的周期与成本。

Description

一种磁流变减振器控制算法仿真试验系统

技术领域

本发明属于仿真试验系统技术领域，尤其涉及一种磁流变减振器控制算法仿真试验系统。

背景技术

磁流变减振器是利用磁流变液的流变效应进行阻尼力实时调节的一种结构简单、功耗小、可控性强、智能型减振器。其在机械、汽车以及土木工程等领域的振动控制方面具有广阔的应用前景。为了实现磁流变减振器阻尼力实时调节控制，需要研究设计具有控制算法的ECU电控系统来控制磁流变减振器的激磁电流以达到实时调节阻尼力的目的。在进行磁流变减振器控制系统控制策略可行性研究的过程中，需要一种实验装置或者系统对控制算法进行仿真实验验证。目前现有技术中一般采用以下两种方案，

1、利用仿真软件搭建控制算法、输入信号及磁流变减振器结构等模型直接进行仿真验证，然后设计出ECU硬件和软件系统，再进行台架试验验证，出现偏差后要修改ECU软硬件方能再进行台架验证；

2、利用专用的快速控制原型(RCP)开发工具进行模型仿真开发，定型后再进行ECU软硬件的开发设计工作。

针对以上两种方案，其存在以下缺陷：

1、第一种方案是纯粹的数学仿真，实际的被控对象也被数学模型化，仿真误差大，结果可信度低，而且直接设计ECU软硬件系统后进行台架实验来验证系统，设计周期长风险大，一旦控制方案需要修改，小则重新修改程序代码，大则需要对ECU进行重新设计，成本也很高。

2、第二种方案是比较流行的正向设计方案，借助专用的快速原型开发工具(如Dspace软硬件工具)，可以进行基于模型的开发仿真验证，但是这种专用工具成本高、而且这种固定的开发工具配合软件一起销售，用户无法修改，增加任何一项功能供应商都要向用户收取费用，技术人员也无法做对这个工具的自由修改。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种磁流变减振器控制算法仿真试验系统，能够实现磁流变减振器控制系统研究开发的快速控制原型和半实物仿真验证，能够实现控制算法模型到执行机构的快速控制输出和基于模型的控制算法修改验证，能够有效缩短控制系统开发周期、节省研发成本，同时有效降低控制系统软硬件方案优化修改的周期与成本。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种磁流变减振器控制算法仿真试验系统，由激振测试台架和虚拟ECU控制器组成，所述的虚拟ECU控制器由数据采集卡、PC电脑控制仿真验证平台及程控恒流源设备组成，PC电脑控制仿真验证平台由labview数采监控软件模块、Simulink控制算法软件模型、激振信号控制软件模块、波形显示模块及USB通信接口组成；所述的激振测试台架上设有激振线圈、磁流变减振器及激振器，并在该激振线圈、磁流变减振器及激振器上分别安装有振动传感器，该振动传感器所接收的传感器信号分别接入于数据采集卡内，数据采集卡通过对采集的数据采样、预处理之后输出到labview数采监控软件模块并在Simulink控制算法软件模型进行运算，同时Simulink控制算法软件模型的运算结果通过USB通信接口输出到程控恒流源设备的USB通信接口，并通过程控恒流源设备的恒流输出到激振线圈。

作为优选，所述的波形显示模块能同时显示labview数采监控软件模块、Simulink控制算法软件模型及激振信号控制软件模块所测试的数据及数据的比对状况。

作为优选，所述的激振测试台架中的激振器将PC电脑控制仿真验证平台中的激振信号控制软件模块的激振信号进行放大输出产生不同频率的激振动力。

作为优选，所述的labview数采监控软件模块底层内的API函数与Simulink控制算法软件模型的接口API为无缝传输连接。

本发明的有益效果为：1、实现了磁流变减振器设计论证阶段的快速控制原型开发，通过本系统可以实现在磁流变减振器ECU控制系统软硬件开发前进行控制算法的开发、仿真和验证工作；2、实现了基于Simulink控制算法模型的直接仿真和验证实验，等到控制模型确认后再进行ECU硬件设计和软件程序的设计，这样一种正向设计方法，不仅提高了磁流变减振器系统的开发效率，同时也避免了直接进行ECU开发再验证带来的开发周期长和不确定的设计风险。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的快速控制原型和半实物仿真控制算法的闭环流程图。

图3是本发明的控制算法仿真流程及平台软件模块图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图1所示，本发明由激振测试台架和虚拟ECU控制器组成，所述的虚拟ECU控制器由数据采集卡、PC电脑控制仿真验证平台及程控恒流源设备组成，PC电脑控制仿真验证平台由labview数采监控软件模块、Simulink控制算法软件模型、激振信号控制软件模块、波形显示模块及USB通信接口组成；所述的激振测试台架上设有激振线圈、磁流变减振器及激振器，并在该激振线圈、磁流变减振器及激振器上分别安装有振动传感器(如附图1中的S1、S2、S3)，传感器信号分别接入NI9220数据采集卡，用于测量激振、磁流变减振器簧上和簧下部位的振动变化情况。激振测试台架中的激振器能够将PC电脑控制仿真验证平台中的激振信号控制软件模块的激振信号进行放大输出产生不同频率的激振动力。

激振测试台架的主要作用是安装固定磁流变减振器，同时能够通过电脑控制产生激振信号并施加给磁流变减振器，以实现对磁流变减振器的示功和速度特性实验。

虚拟ECU控制器是本发明的核心系统，能够实现磁流变减振器控制算法的快速控制原型和半实物仿真实验的整个闭环过程，而且整个仿真过程能够在这个虚拟ECU控制器基础上反复修改、验证、优化，整个控制算法无需真实ECU的控制，也不需要先开发控制程序代码。

NI9220数据采集卡主要完成对台架上S1、S2、S3传感器振动信号的采集、滤波和预处理等工作，然后将采集的振动信号按照不同通道通过USB接口传输到PC电脑控制仿真平台的数据采集软件内。其中labview数采监控软件模块对应NI9220数据采集卡硬件，基于labview系统开发的软件，主要功能是对NI9220数据采集卡采集的数据进行接收、软件滤波、分通道显示，而且数采监控软件能够控制NI9220数据采集卡，如配置采样率、通道数等。Simulink控制算法软件模型是本发明快速控制原型的核心部分，控制系统算法基于Simul ink模型开发，模型的输入信号是来自labview数采监控软件模块的真实信号，而不是labview数采监控软件模块里模拟的虚拟信号，通过反映执行器—磁流变减振器的振动信号直接输入到labview数采监控软件模块中进行基于模型的算法仿真，能够更加准确的得到模型的控制效果。激振信号控制软件模块同激振测试台架构成了实验台架系统，其中激振信号控制软件模块可以选择激励振动信号控制激振测试台架的激振器产生激振力。USB通信接口同Simulink软件底层互通，能够将PC电脑上的Simulink控制算法软件模型运算得到的电流数据传输至程控恒流源设别，经过恒流源产生驱动磁流变减振器的激磁电流。

此外本发明的PC电脑控制仿真验证平台不限于台式PC电脑，也可以按照在便携式笔记本电脑上运行。程控恒流源设备主要是将控制算法得到的数据转换成驱动磁流变减振器激磁线圈的激磁电流以产生不同的阻尼力。

如附图2所示，整个闭环控制仿真包括了labview数采监控软件模块、波形显示模块和Simulink控制算法软件模型，通过软件实现了labview同simulink之间的数据通信，使得labview软件中采集的振动传感器信号数据能够及时的输入到simulink控制算法模型中进行运算，同时控制算法的运算结果通过USB信号接口输出到程控恒流源设备来驱动磁流变减振器的激磁线圈以实现激磁电流到阻尼力的转换，整个闭环过程快速可逆，当监控显示波形不够理想时，可以实时修改simulink中的控制模型并直接进行仿真，从波形显示模块中查看并对比效果，从而实现整个磁流变减振器控制算法的开发、仿真和实验。如图2所示，通过振动加速度传感器实时采集安装在激振测试台架上的磁流变减振器，得到簧上和簧下振动信号，经过NI9220数据采集卡采样、预处理转换后输出到labview数采监控软件模块，进行软件滤波和显示处理，通过labview同simulink软件的接口API实现数据到Simulink控制算法软件模型中，作为输入信号进行积分处理得到簧上和簧下速度，这两个速度作为控制算法的输入信号直接进入Simulink控制算法软件模型中进行算法运算，得到相关的输出电流，通过磁流变减振器激磁线圈电流同阻尼力的关系实现对减振器阻尼力的实时控制，如此完成一个控制算法仿真的闭环控制过程，同时施加阻尼力时，在下一个闭环控制仿真的时刻，可以通过采集的簧上和簧下振动信号在labview软件下的显示结果，并同前一个闭环进行实时比对，如此反复修改优化控制模型继而进行仿真实验得到最优最精确的控制模型，整个闭环过程，系统一直在工作，没有任何中断，对于实现磁流变减振器快速控制原型的开发、仿真和实验十分方便。

如附图3所示，本系统的软件有激振信号控制软件模块、labview数采监控软件模块、Simulink控制算法软件模型三大模块组成，而且三大模型的软件都是基于不同的运行环境开发。激振信号控制软件模块主要实现振动台架激振信号的生成与加载输出到激振器，labview数采监控软件模块主要功能是采集NI9220数据采集卡的ADC(模拟数字转换)通道的数据，进行预处理，Simulink控制算法软件模型是基于simulink软件的控制系统模型，是进行快速控制原型开发的基础，用户在本发明的装置中，在simulink软件下搭建自己的控制策略算法模型，同本发明的装置进行集成，即可以实现快速控制原型闭环仿真和半实物仿真实验。Simulink控制算法软件模型的输入信号是labview数采监控软件模块得到的加速度振动(a1和a2)信号，振动信号数据通过labview底层API函数同simulink软件的无缝传输，实现Simulink控制算法软件模型输入数据的实时获取。同时控制算法运算后得到的电流值通过simulinkUSB通信接口方式传输至实际的恒流源设备。图3中的实时曲线显示对比系统主要在labview数采监控软件模块的控制界面中实现，除了可以实时显示激振、簧上、簧下振动信号外，还可以显示Simulink控制算法软件模型得到的相对速度、电流大小，阻尼力值等数据。因此图3中的软件系统进行一次快速控制原型和半实物仿真闭环实验的流程是，首先振动测试台架激振信号加载到激振器并起振工作，数据采集卡实时采集振动信号并送至labview数采监控软件模块进行处理，处理后输入到simulink控制算法软件模型中进行积分运算，控制算法运算处理得到当前电流值数据，电流值数据通过USB信号接口送到程控恒流源设备，通过恒流源输出具体的电流值驱动磁流变减振器的激磁线圈产生阻尼力。通过监控显示系统对比当前的振动信号、簧上簧下相对速度、目标电流值、目标阻尼力值，通过优化修改控制模型，再直接进行下一次仿真，得到下一次的实验结果，同上一次进行对比即完成一次闭环控制仿真实现。

通过本发明的装置，可以十分方便快速的实现磁流变减振器控制算法的快速控制原型开发并进行半实物仿真实验，能够得到比较精确的控制策略实验数据，为下一步控制系统ECU的软硬件开发提供真实的仿真数据，能够指导ECU的软硬件开发工作并避免重复开发的风险。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种磁流变减振器控制算法仿真试验系统，由激振测试台架和虚拟ECU控制器组成，其特征在于：所述的虚拟ECU控制器由数据采集卡、PC电脑控制仿真验证平台及程控恒流源设备组成，PC电脑控制仿真验证平台由labview数采监控软件模块、Simulink控制算法软件模型、激振信号控制软件模块、波形显示模块及USB通信接口组成；所述的激振测试台架上设有激振线圈、磁流变减振器及激振器，并在该激振线圈、磁流变减振器及激振器上分别安装有振动传感器，该振动传感器所接收的传感器信号分别接入于数据采集卡内，数据采集卡通过对采集的数据采样、预处理之后输出到labview数采监控软件模块并在Simulink控制算法软件模型进行运算，同时Simulink控制算法软件模型的运算结果通过USB通信接口输出到程控恒流源设备的USB通信接口，并通过程控恒流源设备的恒流输出到激振线圈。

2.根据权利要求1所述的磁流变减振器控制算法仿真试验系统，其特征在于：所述的波形显示模块能同时显示labview数采监控软件模块、Simulink控制算法软件模型及激振信号控制软件模块所测试的数据及数据的比对状况。

3.根据权利要求1所述的磁流变减振器控制算法仿真试验系统，其特征在于：所述的激振测试台架中的激振器将PC电脑控制仿真验证平台中的激振信号控制软件模块的激振信号进行放大输出产生不同频率的激振动力。

4.根据权利要求1所述的磁流变减振器控制算法仿真试验系统，其特征在于：所述的labview数采监控软件模块底层内的API函数与Simulink控制算法软件模型的接口API为无缝传输连接。