CN108757820B - 一种基于机器学习的自适应吸振控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器学习的自适应吸振控制系统及控制方法，涉及减振控制领域，该系统包括PCB板、模数转换芯片、步进电机驱动芯片、电源管理芯片、通信芯片、微处理器、加速度传感器、位移计、步进电机；加速度传感器测量被控对象的振动数据发送给微处理器；位移计用于实时采集调整位置信息发送给微处理器；微处理器根据振动数据和位置信息得到调整方向和调整幅度，向电机驱动芯片发送控制信号；电机驱动芯片根据控制信号驱动步进电机；电源管理芯片对外部输入电源和内部供电进行管理；通信芯片提供软件更新和算法调试。不需要人工调节，通过机器学习能够实现对吸振器频率的精确调整。

Description

一种基于机器学习的自适应吸振控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及减振控制领域，尤其是一种基于机器学习的自适应吸振控制系统及控制方法。

背景技术

传统的动力吸振器仅对单一工况有效，一旦安装完毕，则仅能控制很窄的频带，而生产生活中的设备通常需要根据实际需要在多个工况之间转换，比如常见的发动机、泵、风机等。在工况变化的前提下，吸振器不仅不会降低振动噪声，还有可能增加振动或噪声。

目前改变吸振频率的动力吸振器主要通过手动调节，不仅要求操作人员具有较高的技术能力，而且受到使用吸振器场合的限制。一方面难以操作，难以实现对吸振频率的精确调整，另一方面所处的应用场合也可能危害操作人员的健康。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种基于机器学习的自适应吸振控制系统及控制方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，提供了一种基于机器学习的自适应吸振控制系统，所述系统包括：PCB板、模数转换芯片、步进电机驱动芯片、电源管理芯片、通信芯片、微处理器、加速度传感器、位移计、步进电机；

所述加速度传感器用于测量被控对象的振动数据，采集的振动数据通过所述模数转换芯片转换后发送给所述微处理器；

所述位移计用于实时采集位置信息，采集的位置信息通过所述模数转换芯片转换后发送给所述微处理器；

所述微处理器根据所述振动数据和所述位置信息得到调整方向和调整幅度，根据确定出的所述调整方向和所述调整幅度向所述步进电机驱动芯片发送控制信号；

所述步进电机驱动芯片用于根据所述控制信号驱动所述步进电机；

所述电源管理芯片用于对外部输入电源和内部供电进行管理；

所述通信芯片用于提供软件更新和算法调试。

第二方面，提供了一种基于机器学习的自适应吸振控制系统的控制方法，应用于如第一方面所述的系统中，所述方法包括：

系统启动，程序初始化；

采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第一端点；

若所述质量块不位于所述第一端点，则驱动所述步进电机使所述质量块移动到所述第一端点；

若所述质量块位于所述第一端点，则采集第一预定时长内振动方向的振动数据，计算采集到的所述振动数据的均方和，将当前的位置信息与计算的均方和对应存储；

采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第二端点；

若所述质量块不位于所述第二端点，则驱动振动方向的步进电机使所述质量块前进预定距离，继续执行所述采集第一预定时长内振动方向的振动数据，计算采集到的所述振动数据的均方和，将当前的位置信息与计算的均方和对应存储的步骤；

若所述质量块位于所述第二端点，则获取与最小的均方和对应的位置信息，驱动振动方向的步进电机使所述质量块移动至对应位置；采集当前的振动数据，对所述当前的振动数据做FFT，确定出振幅最大处对应的频率，将频率与当前的振动数据和位置信息之间的对应关系存储。

其进一步的技术方案为：所述方法还包括：

等待第二预定时长，采集振动方向的振动数据，计算所述振动数据的均方和；

判断振动情况是否改变；

若所述振动情况不变，则继续执行所述等待第二预定时长，采集振动方向的振动数据，计算所述振动数据的均方和的步骤；

若所述振动情况改变，则对所述振动数据做FFT，确定出振幅最大处对应的频率；根据确定出的频率查找所述对应关系；若所述对应关系中包括所述确定出的频率，则获取与所述确定出的频率对应的位置信息，驱动步进电机使所述质量块移动至对应位置；若所述对应关系中不包括所述确定出的频率，则继续执行所述采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第一端点的步骤。

本发明的有益技术效果是：

通过加速度传感器、模数转换芯片、微处理器、步进电机驱动芯片构成一个闭环系统，通过位移计、模数转换芯片、微处理器、步进电机驱动芯片构成一个闭环系统，可以对振动数据和位置信息进行实时监测分析，从而实现对吸振器频率的精确调整，不需要进行人工调节，避免了人工调节受到吸振器场合限制的问题。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于机器学习的自适应吸振控制系统的结构方框图。

图2是本发明提供的一种基于机器学习的自适应吸振控制系统的控制方法的流程图。

图3是本发明提供的一种质量块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明提供的一种基于机器学习的自适应吸振控制系统的结构方框图，如图1所示，该系统通过自适应调整吸振器的刚度改变吸振器固有频率，包括印制电路板(英文：Printed Circuit Board，简称：PCB板)1、模数转换芯片2、步进电机驱动芯片3、电源管理芯片4、通过芯片5、微处理器6、加速度传感器7、位移计8、步进电机9。其中，PCB板1、模数转换芯片2、步进电机驱动芯片3、电源管理芯片4、通信芯片5和微处理器6构成系统硬件的片内资源，加速度传感器7、位移计8和步进电机9构成系统硬件的片外资源。

加速度传感器7用于测量被控对象的振动数据，采集的振动数据通过模数转换芯片2转换后发送给微处理器6。

这里的振动数据是指振动加速度。

位移计8用于实时采集位置信息，采集的位置信息通过模数转换芯片2转换后发送给微处理器6。

位置信息是相对初始位置的偏离程度，以毫米表示，正负与接线方式有关。

微处理器6根据振动数据和位置信息得到调整方向和调整幅度，根据确定出的调整方向和调整幅度向步进电机驱动芯片3发送控制信号。

微处理器6通过分析振动数据和位置信息，做出是否需要调整的判断，若要调整则计算得到调整方向和调整幅度的控制信号，该控制信号经过步进电机驱动芯片3驱动步进电机9。微处理器6实时对位移计8所反馈的数据进行分析，以便对调整的位置进行精确控制。

步进电机驱动芯片3用于根据控制信号驱动步进电机9。

电源管理芯片4用于对外部输入电源和内部供电进行管理。

通过电源管理芯片4对外部输入电源和内部供电进行管理，能够防止欠压、过压等情况的发生。

通信芯片5用于提供软件更新和算法调试。

PCB板1用于将片内资源联系在一起。加速度传感器7-模数转换芯片2-微处理器6-步进电机驱动芯片3构成一个闭环系统，用于实时检测被控对象的振动情况和判定吸振效果；位移计8-模数转换芯片2-微处理器6-步进电机驱动芯片3构成一个闭环系统，用于精确控制步进电机9。

图2是本发明提供的一种基于机器学习的自适应吸振控制系统的控制方法的流程图，该控制方法应用在如图1所示的系统中，如图2所示，该方法包括：

步骤101，系统启动，程序初始化。

程序初始化时，对电源正常与否进行程序自检。

步骤102，采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第一端点。

这里的振动方向是指需要控制的振动方向。

由于是通过调整弹簧刚度改变吸振器固有频率，这里质量块是指改变弹簧刚度的实现手段。

结合参考图3，质量块10位于悬梁臂上，改变质量块10在悬梁臂上的位置，即可改变悬梁臂的有效刚度。悬梁臂的第一端点11和第二端点12是质量块10可移动的两个方向的极端位置，质量块10位于端点表明吸振器的固有频率处于可调整的极限。其他改变吸振器固有频率的手段还包括改变吸振器的质量、改变弹簧的匝数、使用记忆合金改变刚度等。

需要说明的是，图示中第一端点11在左端，第二端点12在右端，在实际应用中，第一端点11可以在右端，第二端点12可以在左端。

步骤103，若质量块不位于第一端点，则驱动步进电机使质量块移动到第一端点。

系统上电启动阶段执行该步骤，用于质量块位置的初始化。

步进电机移动质量块时，步进电机的输出轴通过丝杆将旋转运动变为直线运动，再通过减速器带动质量块前进或后退，通过位移计实时反馈质量块所处位置将质量块移动到第一端点。

在质量块位于第一端点后，执行步骤104中的计算操作。

步骤104，若质量块位于第一端点，则采集第一预定时长内振动方向的振动数据，计算采集到的振动数据的均方和，将当前的位置信息与计算的均方和对应存储。

这里的第一预定时长可以由系统预设。

步骤105，采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第二端点。

质量块由第一端点向第二端点移动，初始化之后，质量块位于第一端点，移动过程中，需要实时监控质量块是否到达第二端点处，防止质量块位于第二端点时的电机卡死或质量块脱落的情况。

步骤106，若质量块不位于第二端点，则驱动振动方向的步进电机使质量块前进预定距离，继续执行步骤104。

当监测到质量块没有到达第二端点时，步进电机将质量块移动预定距离，移动之后，采集质量块在该位置的预定时间内振动方向的振动数据，计算采集到的振动数据的均方和，将当前的位置信息与计算的均方和对应存储，然后继续判断质量块是否位于第二端点，没有则继续移动质量块，计算均方和对应存储。也就是说，步骤104中是质量块每移动一次，采集一次数据，进行一次运算和存储，直到质量块移动到第二端点。

预定距离需要结合吸振器的尺寸和具体的应用工况的频率进行设定，设定时需要保证步进的预定距离导致的吸振器固有频率变化幅度小于工况变化的频率分辨率。

步骤107，若质量块位于第二端点，则获取与最小的均方和对应的位置信息，驱动振动方向的步进电机使质量块移动至对应位置；采集当前的振动数据，对当前的振动数据做FFT，确定出振幅最大处对应的频率，将频率与当前的振动数据和位置信息之间的对应关系存储。

当质量块位于第二端点时，表明已经计算出质量块在各个位置上的均方和，获取计算出的各个均方和中最小的一个，根据对应存储的位置信息，驱动步进电机将质量块移动至该位置。在这个位置采集当前的振动数据，并进行数据的分析运算，得到幅度最大处对应的频率，将频率与振动数据和位置信息对应存储，保存至频率-位移对应表，在实际使用中，根据频率查找频率-位移对应表，可以快速确定出质量块的移动位置。

可选的，在调节好的吸振器使用过程中，该系统仍对被控对象的振动情况进行采集与分析，与当前的吸振频率相比较，通过计算判断是否需要调整，若需要调整计算需要调整的方向与大小，并通过位移计对调整位置进行实时反馈。结合参考图2，该方法还可以包括：

步骤108，等待第二预定时长，采集振动方向的振动数据，计算振动数据的均方和。

这里的第二预定时长可以由系统预设。等待第二预定时长是出于省电和省计算资源的考虑，也就是空循环。

步骤109，判断振动情况是否改变。

采集当前的振动数据，与之前的振动数据进行比较，若变大或变小，则判定振动情况发生改变。比如当前的振动数据的均方和与之前的振动数据的均方和相比发生改变，则表明振动情况发生改变。

步骤110，若所述振动情况改变，则对振动数据做FFT，确定出振幅最大处对应的频率。

振动情况发生改变，则计算当前振幅最大处对应的频率，根据该频率重新对质量块的位置进行调整。

作为步骤109的另一分支，若振动情况不变，则继续执行步骤108。

振动情况不变，继续保持空循环，可以节省计算资源以及省电。

步骤111，根据确定出的频率查找对应关系，判断对应关系中是否包括该频率。

由于之前已经存储了频率-位移对应关系表，根据频率在表中查找对应关系，可以快速获取该频率对应的位移。

在质量块移动之后，系统继续执行步骤108向后的步骤，对振动情况进行实时监控。

步骤112，若对应关系中包括确定出的频率，则获取与确定出的频率对应的位置信息，驱动步进电机使质量块移动至对应位置。

根据获取到的位移调整质量块的位置，则可以使当前吸振器的固有频率等于被控对象的振动频率，从而达到较好的吸振效果。

作为步骤111的另一分支，若对应关系中不包括确定出的频率，则继续执行步骤102。

若表中没有存储该频率的对应关系，表明频率-位移对应关系表还没有构建完整，需要执行步骤102至步骤107，确定出与该频率对应的位移，并且完善频率-位移对应关系表。

该系统不需要预先测量吸振器的固有频率与调节幅值的对应关系，在系统的运行过程中可以通过机器学习得到频率与位移的对应关系。通过实时采集振动数据和位置信息，可以实现对吸振频率的精确调整以获得较好的吸振效果。由于在对吸振频率进行调节时，可以先查询频率-位移对应关系表，根据对应关系对质量块进行移动，大大降低了调整的时间，同时能够保证调整的精度。

可选的，在实际应用中，系统中还可以包括工作异常的指示，若系统工作异常，还可以增加异常报警的功能。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于机器学习的自适应吸振控制系统的控制方法，其特征在于，所述系统包括：PCB板、模数转换芯片、步进电机驱动芯片、电源管理芯片、通信芯片、微处理器、加速度传感器、位移计、步进电机；

所述加速度传感器用于测量被控对象的振动数据，采集的振动数据通过所述模数转换芯片转换后发送给所述微处理器；

所述位移计用于实时采集位置信息，采集的位置信息通过所述模数转换芯片转换后发送给所述微处理器；

所述微处理器根据所述振动数据和所述位置信息得到调整方向和调整幅度，根据确定出的所述调整方向和所述调整幅度向所述步进电机驱动芯片发送控制信号；

所述步进电机驱动芯片用于根据所述控制信号驱动所述步进电机；

所述电源管理芯片用于对外部输入电源和内部供电进行管理；

所述通信芯片用于提供软件更新和算法调试，

所述方法应用于所述系统中，所述方法包括：

系统启动，程序初始化；

采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第一端点；

若所述质量块不位于所述第一端点，则驱动所述步进电机使所述质量块移动到所述第一端点；

若所述质量块位于所述第一端点，则采集第一预定时长内振动方向的振动数据，计算采集到的所述振动数据的均方和，将当前的位置信息与计算的均方和对应存储；

采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第二端点；

若所述质量块不位于所述第二端点，则驱动振动方向的步进电机使所述质量块前进预定距离，继续执行所述采集第一预定时长内振动方向的振动数据，计算采集到的所述振动数据的均方和，将当前的位置信息与计算的均方和对应存储的步骤；

若所述质量块位于所述第二端点，则获取与最小的均方和对应的位置信息，驱动振动方向的步进电机使所述质量块移动至对应位置；采集当前的振动数据，对所述当前的振动数据做FFT，确定出振幅最大处对应的频率，将频率与当前的振动数据和位置信息之间的对应关系存储。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

等待第二预定时长，采集振动方向的振动数据，计算所述振动数据的均方和；

判断振动情况是否改变；

若所述振动情况不变，则继续执行所述等待第二预定时长，采集振动方向的振动数据，计算所述振动数据的均方和的步骤；

若所述振动情况改变，则对所述振动数据做FFT，确定出振幅最大处对应的频率；根据确定出的频率查找所述对应关系；若所述对应关系中包括所述确定出的频率，则获取与所述确定出的频率对应的位置信息，驱动步进电机使所述质量块移动至对应位置；若所述对应关系中不包括所述确定出的频率，则继续执行所述采集振动方向的位置信息，判断振动方向的质量块是否位于第一端点的步骤。

Images