CN105007059B - 一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器 - Google Patents

Abstract

一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器，属于自动控制技术领域。其特征在于是一种抑制轧机压下系统垂向机电耦合振动的，由FPGA（1）及外围电路构成的电流控制数字式陷波滤波器，在轧机压下控制系统中，利用振动信号频率信息转换为标准电流信号作为输出信号，FPGA作为处理芯片，通过调节标准电流信号的大小控制陷波滤波器的滤波频率，从而滤除控制通道对应的扰动频率，达到抑制轧机压下系统垂向机电耦合振动的目的。具有陷波在线可调，结构简单，响应速度快等特点，可适应轧机压下系统机电耦合振动抑制的需要。

Description

一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器

技术领域

一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器，属于自动控制技术领域。在轧机压下控制系统中，利用振动信号频率信息转换为标准电流信号作为输出信号，FPGA作为处理芯片，通过调节标准电流信号的大小控制陷波滤波器的滤波频率，从而滤除对应扰动频率，达到抑制轧机压下系统垂向机电耦合振动的目的。

背景技术

构成模拟滤波器的模拟电路受温度、非线性等因素影响，造成模拟滤波器参数不稳定，调整不灵活。数字滤波器比模拟滤波器有更高的信噪比和更高的精度，而且灵活性好。陷波滤波器在通讯工程、医疗设备、测量仪器、图像处理、控制等领域有重要作用，在实时系统中，数字陷波滤波器用于窄带噪声信号抑制，但对数字滤波器性能和处理速度有严格要求，数字陷波滤波器能够根据设定的状态通过算法控制滤波器的输出参数，从而根据设计的参数使滤波器自动连续地对给定信号进行滤波。

现有的数字式自适应滤波器有4种基本应用类型：(1)系统辨识：主要用于拟合未知装置的线性模型；(2)逆模型：主要用于拟合未知噪声装置；(3)预测：用于对随机信号的当前值提供某种意义上的一个最好预测；(4)干扰消除：用于消除包含在基本信号中的未知干扰。目前在干扰消除方面数字式自适应陷波滤波器的应用较为广泛，主要用于消除那些由有用信号和一个多余的正弦干扰叠加组成的原始输入信号中的干扰信号。当参考输入为单一频率时，它的陷阱中心频率正好等于外加信号频率。

但是现有陷波滤波器一般根据需求设计好后，滤波器模型和参数已确定，即使采用自适应陷波滤波器，也只能根据变化的输入信号和后验统计数据调整滤波器参数。而在工业控制中，需要滤波器的参数根据被滤波信号以外的其它信号进行调整，例如根据振动传感器采集到的共振信号，从外部对滤波器输入参数进行调整，作用于控制信号，从而要求滤波器对指定且变化的频率信号进行实时滤波，目前现有自适应陷波滤波器无法实现利用外部扰动信号对控制信号进行滤波。

轧机运行在高速、高压、高精度的特殊条件下，对其运行质量要求日益提高。轧机液压压下系统是集精密机械、液压、电气、电子于一体的系统，是轧制薄板、带材和箔材必不可少的设备。根据轧机压下系统的受力分析，载荷传递的方向为垂直方向，即轧机工作时机座系统所受力主要为轧制力，作用对象主要是机架、压下油缸、轧辊和轴承座等。导致的振动并没有外部激振力，而是由系统本身产生的交变力激发的一种周期性振动，振动的频率与设备的固有频率接近。轧机压下系统的振动强度初期可能是微弱的，但随着生产过程的进行，会逐渐导致频繁出现零部件的破坏，主要原因是振幅超过一定的幅值并经过一定的作用时间发生零部件疲劳损坏。强烈的自激振动还会引发零部件的突然断裂或大的系统噪声，甚至导致重大破坏。对机电耦合振动系统进行离线诊断是分析与解决振动的一个有效途径，但离线诊断与分析一方面存在滞后，另一方面系统进行诊断时可能已经发生重大破坏。利用计算机技术、传感器技术、故障诊断技术、信号处理技术，设计基于在线振动的抑制方法对保证系统安全运行更为重要。因此，现场迫切需要一种能够在发生垂直振动时从控制通道进行实时抑制的方法，从而消除轧机压下系统的机电耦合振动。

发明内容

一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器，目的在于为轧机压下控制领域提供一种数字式陷波滤波器，从而公开一种从控制通道滤除干扰频率分量的自动控制方法，使数字式陷波滤波器的参数可以根据被滤波信号以外的轧机垂直机电耦合振动信号进行实时调整，从而滤除控制信号中由干扰造成的频率分量。

本发明一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器，其特征在于是一种抑制轧机压下系统垂向机电耦合振动的，由FPGA1及外围电路构成的电流控制数字式陷波滤波器，FPGA1包括待滤波信号触发模块4、待滤波信号采样频率控制模块5、陷波滤波器的IP核6、参数计算模块12、控制跟踪信号使能模块13、参数调整模块14及系数重载模块15，整套电流控制陷波滤波器由滤波处理部分及滤波控制部分组成，所述滤波处理部分由待滤波信号2、待滤波信号模数转换模块3、待滤波信号触发模块4、待滤波信号采样频率控制模块5、陷波滤波器的IP核6、数模转换模块7及滤波输出8组成；所述滤波控制部分由4～20mA电流控制跟踪信号模块9、电流变送器10、控制跟踪信号模数转换模块11、参数计算模块12、控制跟踪信号使能模块13、参数调整模块14、系数重载模块15及轧机垂直振动信号转电流信号模块16组成；待滤波信号2通过待滤波信号模数转换模块3将模拟信号转换为数字信号，FPGA 1中的待滤波信号采样频率控制模块5用于调整采样频率，待滤波信号触发模块4受待滤波信号采样频率控制模块5的控制，将待滤波信号模数转换模块3输出的信号读入FPGA 1中，并送入陷波滤波器的IP核6中进行运算；4～20mA电流控制跟踪信号模块9接收轧机垂直振动信号转电流信号模块16的指令，输出4～20mA电流控制信号，再通过电流变送器10转换为电压信号，控制跟踪信号模数转换模块11将电压信号转换为数字信号，参数计算模块12受控制跟踪信号使能模块13的控制，控制跟踪信号使能模块13根据轧机垂直振动信号转电流信号模块16的振动信号情况确定参数计算模块12的工作状态，经过参数计算模块12计算后的数据送入参数调整模块14中，参数调整模块14根据收到的4～20mA电流控制信号输出相应的参数来调节陷波滤波器的参数，系数重载模块15利用陷波滤波器的IP核6的滤波算法调节作用，将参数调整模块14输出的参数实时送入陷波滤波器的IP核6中，对陷波滤波器的参数进行调整，陷波滤波器的IP核6受4～20mA电流控制信号的控制作用，对待滤波信号2进行滤波，以滤除与当前4～20mA电流控制信号对应的干扰频率分量；陷波滤波器的IP核6运算输出的数据是经过滤波的数据，通过数模转换模块7将数字信号转换为模拟信号，并由滤波输出8输出；振动传感器20安装在轧机压下装置22的机架上部以感受垂直方向的振动信号，当轧机垂直振动信号转电流信号模块16的振动信号在正常范围内，不需要滤波时，控制跟踪信号使能模块13不发出滤波指令，参数调整模块14不发送指令到系数重载模块15，陷波滤波器的IP核6只传输数据不进行滤波，待滤波信号2与滤波输出8的信号保持不变；当振动传感器20采集到轧机压下系统的机电耦合振动信号时，轧机垂直振动信号转电流信号模块16控制控制跟踪信号使能模块13工作，轧机压下控制模拟信号17输出至待滤波信号2，经电流控制数字陷波滤波器21滤波后，经滤波输出8输出，再通过伺服放大器18驱动伺服阀19，最后控制压下油缸23的动作，对机电耦合垂直振动进行抑制。

本发明一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器，与现有的数字式陷波滤波器相比具有如下优点：

1.本发明的数字式陷波滤波器的参数可以根据轧机压下装置垂直振动信号的变化进行实时滤波参数调整，对轧机压下控制信号进行滤波，实现机电耦合振动在线抑制；

2.本发明的数字式陷波滤波器结构简单，响应速度快，可以应用于轧机压下控制等领域的实时振动抑制等场合。

附图说明

图1电流控制数字陷波滤波器结构

1.FPGA 2.待滤波信号 3.待滤波信号模数转换模块 4.待滤波信号触发模块 5.待滤波信号采样频率控制模块 6.陷波滤波器的IP核 7.数模转换模块8.滤波输出 9.4～20mA电流控制跟踪信号模块 10.电流变送器 11.控制跟踪信号模数转换模块 12.参数计算模块 13.控制跟踪信号使能模块 14.参数调整模块 15.系数重载模块 16.轧机垂直振动信号转电流信号模块

图2轧机压下系统机电耦合垂直振动抑制结构

17.轧机压下控制模拟信号 18.伺服放大器 19.伺服阀 20.振动传感器

21.电流控制数字陷波滤波器 22.轧机压下装置 23.压下油缸。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2及具体实例对本发明一种电流控制的数字式陷波滤波器进行进一步解释，本实例是对本发明的详细解释，本发明包括但不限于这一实例。

实施方式1：

由FPGA1及外围电路构成的电流控制数字式陷波滤波器，FPGA1包括待滤波信号触发模块4、待滤波信号采样频率控制模块5、陷波滤波器的IP核6、参数计算模块12、控制跟踪信号使能模块13、参数调整模块14及系数重载模块15，整套装置由滤波处理部分及滤波控制部分组成，所述滤波处理部分由待滤波信号2、待滤波信号模数转换模块3、待滤波信号触发模块4、待滤波信号采样频率控制模块5、陷波滤波器的IP核6、数模转换模块7及滤波输出8组成；所述滤波控制部分由4～20mA电流控制跟踪信号模块9、电流变送器10、控制跟踪信号模数转换模块11、参数计算模块12、控制跟踪信号使能模块13、参数调整模块14、系数重载模块15及轧机垂直振动信号转电流信号模块16组成；待滤波信号2通过待滤波信号模数转换模块3将模拟信号转换为数字信号，FPGA 1中的待滤波信号采样频率控制模块5用于调整采样频率，待滤波信号触发模块4受待滤波信号采样频率控制模块5的控制，将待滤波信号模数转换模块3输出的信号读入FPGA1中，并送入陷波滤波器的IP核6中进行运算；4～20mA电流控制跟踪信号模块9接收轧机垂直振动信号转电流信号模块16的指令，输出20mA电流控制信号，再通过电流变送器10转换为电压信号，控制跟踪信号模数转换模块11将电压信号转换为数字信号，参数计算模块12受控制跟踪信号使能模块13的控制，控制跟踪信号使能模块13根据轧机垂直振动信号转电流信号模块16的振动信号情况确定参数计算模块12的工作状态，经过参数计算模块12计算后的数据送入参数调整模块14中，参数调整模块14根据收到的20mA电流控制信号输出相应的参数来调节陷波滤波器的参数，系数重载模块15利用陷波滤波器的IP核6的滤波算法调节作用，将参数调整模块14输出的参数实时送入陷波滤波器的IP核6中，对陷波滤波器的参数进行调整，陷波滤波器的IP核6受20mA电流控制信号的控制作用，对待滤波信号2进行滤波，以滤除与当前20mA电流控制信号对应的干扰频率分量；陷波滤波器的IP核6运算输出的数据是经过滤波的数据，通过数模转换模块7将数字信号转换为模拟信号，并由滤波输出8输出；振动传感器20安装在轧机压下装置22的机架上部以感受垂直方向的振动信号，当轧机垂直振动信号转电流信号模块16的振动信号在正常范围内，不需要滤波时，控制跟踪信号使能模块13不发出滤波指令，参数调整模块14不发送指令到系数重载模块15，陷波滤波器的IP核6只传输数据不进行滤波，待滤波信号2与滤波输出8的信号保持不变；当振动传感器20采集到轧机压下系统的机电耦合振动信号时，轧机垂直振动信号转电流信号模块16控制控制跟踪信号使能模块13工作，轧机压下控制模拟信号17输出至待滤波信号2，经电流控制数字陷波滤波器21滤波后，经滤波输出8输出，再通过伺服放大器18驱动伺服阀19，最后控制压下油缸23的动作，对机电耦合垂直振动进行抑制。

轧机机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在机架上。机架要承受轧制力，必须有足够的强度和刚度。液压压下系统以重载、高精度、高响应及机电耦合为特征，由液压系统、控制系统、机架辊系、伺服元件等构成，通过力马达、伺服阀、伺服缸等转换元件及辊系、轧件、动力润滑轴承等工作界面构成了机械与液压能量之间的转换，从而形成机电液多重交叉耦合与复杂的内部反馈，在轧机负荷变化及外部干扰下容易产生机电耦合振荡。在发生机电耦合振动时从控制通道投入电流控制的数字式陷波滤波器，将会切断振动信号机电耦合途径，从而实现振动抑制。

振动传感器20安装位置应选择在能正确感受轧机压下装置22垂直振动的位置，一般选择安装在轧机压下装置22上方的机架上，轧机发生机电耦合振动时，机架必然会在激励力的作用下发生垂直振动，其振动的频率必然是耦合振动的频率，并且是一种耦合自激振动，轧机垂直振动信号转电流信号模块16迅速识别振动频率并转化为20mA电流控制信号，该信号作用于控制跟踪信号使能模块13，给参数计算模块12发出指令，计算出要抑制的信号频率，参数调整模块14控制系数重载模块15，由陷波滤波器的IP核6实现抑制策略，此时轧机压下控制模拟信号17发出的控制指令，经由电流控制数字陷波滤波器21滤波处理，输出滤掉机电耦合共振频率的信号，经伺服放大器18放大并驱动伺服阀19，作用于机械系统的压下油缸23，切断了机电耦合振动信号从控制信号向机械结构传递的途径，实现机电耦合振动的抑制。

实施方式2：

所述滤波控制部分由4～20mA电流控制跟踪信号模块9、电流变送器10、控制跟踪信号模数转换模块11、参数计算模块12、控制跟踪信号使能模块13、参数调整模块14、系数重载模块15及轧机垂直振动信号转电流信号模块16组成；待滤波信号2通过待滤波信号模数转换模块3将模拟信号转换为数字信号，FPGA1中的待滤波信号采样频率控制模块5用于调整采样频率，待滤波信号触发模块4受待滤波信号采样频率控制模块5的控制，将待滤波信号模数转换模块3输出的信号读入FPGA 1中，并送入陷波滤波器的IP核6中进行运算；4～20mA电流控制跟踪信号模块9接收轧机垂直振动信号转电流信号模块16的指令，输出10mA电流控制信号，其它同实施方式1。

实施方式3：

所述滤波控制部分由4～20mA电流控制跟踪信号模块9、电流变送器10、控制跟踪信号模数转换模块11、参数计算模块12、控制跟踪信号使能模块13、参数调整模块14、系数重载模块15及轧机垂直振动信号转电流信号模块16组成；待滤波信号2通过待滤波信号模数转换模块3将模拟信号转换为数字信号，FPGA1中的待滤波信号采样频率控制模块5用于调整采样频率，待滤波信号触发模块4受待滤波信号采样频率控制模块5的控制，将待滤波信号模数转换模块3输出的信号读入FPGA1中，并送入陷波滤波器的IP核6中进行运算；4～20mA电流控制跟踪信号9接收轧机垂直振动信号转电流信号模块16的指令，输出4mA电流控制信号，其它同实施方式1。

Claims (1)

1.一种机电耦合振动抑制的电流控制陷波滤波器，其特征在于是一种抑制轧机压下系统垂向机电耦合振动的，由FPGA（1）及外围电路构成的电流控制数字式陷波滤波器，FPGA（1）包括待滤波信号触发模块（4）、待滤波信号采样频率控制模块（5）、陷波滤波器的IP核（6）、参数计算模块（12）、控制跟踪信号使能模块（13）、参数调整模块（14）及系数重载模块（15），整套电流控制陷波滤波器由滤波处理部分及滤波控制部分组成，所述滤波处理部分由待滤波信号（2）、待滤波信号模数转换模块（3）、待滤波信号触发模块（4）、待滤波信号采样频率控制模块（5）、陷波滤波器的IP核（6）、数模转换模块（7）及滤波输出（8）组成；所述滤波控制部分由4~20mA电流控制跟踪信号模块（9 ）、电流变送器（10）、控制跟踪信号模数转换模块（11）、参数计算模块（12）、控制跟踪信号使能模块（13）、参数调整模块（14）、系数重载模块（15）及轧机垂直振动信号转电流信号模块（16）组成；待滤波信号（2）通过待滤波信号模数转换模块（3）将模拟信号转换为数字信号，待滤波信号采样频率控制模块（5）用于调整采样频率，待滤波信号触发模块（4）受待滤波信号采样频率控制模块（5）的控制，将待滤波信号模数转换模块（3）输出的信号读入陷波滤波器的IP核（6）中进行运算； 4~20mA电流控制跟踪信号模块（9）接收轧机垂直振动信号转电流信号模块（16）的指令，输出4~20mA电流控制信号，通过电流变送器（10）转换为电压信号，控制跟踪信号模数转换模块（11）将电压信号转换为数字信号，参数计算模块（12）受控制跟踪信号使能模块（13）的控制，控制跟踪信号使能模块（13）根据轧机垂直振动信号转电流信号模块（16）的振动信号情况确定参数计算模块（12）的工作状态，经过参数计算模块（12）计算后的数据送入参数调整模块（14）中，参数调整模块（14）根据收到的4~20mA电流控制信号输出相应的参数来调节陷波滤波器的参数，系数重载模块（15）利用陷波滤波器的IP核（6）的滤波算法调节作用，将参数调整模块（14）输出的参数实时送入陷波滤波器的IP核（6）中，对陷波滤波器的参数进行调整，陷波滤波器的IP核（6）受4~20mA电流控制信号的控制作用，对待滤波信号（2）进行滤波，以滤除与当前4~20mA电流控制信号对应的干扰频率分量；陷波滤波器的IP核（6）运算输出的数据是经过滤波的数据，通过数模转换模块（7）将数字信号转换为模拟信号，并由滤波输出（8）输出；振动传感器（20）安装在轧机压下装置（22）的机架上部以感受垂直方向的振动信号，当轧机垂直振动信号转电流信号模块（16）的振动信号在正常范围内，不需要滤波时，控制跟踪信号使能模块（13）不发出滤波指令，参数调整模块（14）不发送指令到系数重载模块（15），陷波滤波器的IP核（6）只传输数据不进行滤波，待滤波信号（2）与滤波输出（8）的信号保持不变；当振动传感器（20）采集到轧机压下系统的机电耦合振动信号时，轧机垂直振动信号转电流信号模块（16）控制控制跟踪信号使能模块（13）工作，轧机压下控制模拟信号（17）输出至待滤波信号（2），经电流控制数字陷波滤波器（21）滤波后，经滤波输出（8）输出，再经伺服放大器（18）驱动伺服阀（19），最后控制压下油缸（23）的动作，对机电耦合垂直振动进行抑制。