CN108869944B - 一种管道振动线谱的有源控制布置方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道振动线谱的有源控制布置方法及控制系统，该管道振动线谱的有源控制布置方法基于管道自身振动特性及管道传递路径上的振动响应来确定作动器的安装位置及选型；本发明还采用上述布置方法确定的作动器安装位置和选型来构建一种管道振动线谱的有源控制系统，该系统采用“振动采集识别‑控制参数优化计算‑输出载荷控制”的方式实现；在振动控制的过程中实时追踪激励源振动信息，采集管道支撑基础及激励源的振动信息作为输入，通过优化算法，控制布置于管道上的作动器输出对应的载荷，从而控制传递到基础的振动；本发明能适用于任意复杂的管道系统，解决了现有的控制方式振动效果不理想且局限性的技术问题。

Description

一种管道振动线谱的有源控制布置方法及控制系统
技术领域
本发明涉及管道振动线谱主动控制领域，具体涉及一种管道振动线谱的有源控制布置方法、及包括基于该布置方法布置的作动器的控制系统。
背景技术
管道是现代工业的血管，被广泛应用于各类工程中。管道本身也是振动噪声的重要传播途径。随着工业现代化进程加快，精密加工制造等先进工业对于坏境要求的逐步提高。管道的振动噪声问题越发突出。管道的振动噪声主要来源于激励设备的振动及管道内部流体的流动，且通过管道支撑传递到安装基础。对于管内流体引发的振动，工程上通过在管内加装消声器等减振措施，可以得到大幅度缓解。对于激励设备传导至管道的振动，经过隔振优化的管道支撑，可以降低传递到基础上的振动，如采用弹性支撑或引入阻尼材料。这类减小传递路径刚度或增大阻尼方法的优势在于在全频段范围内降低传递到基础上的振动，而对于振动线谱的抑制不明显。大量工程经验表明，管道过大的振动是由激励设备传导而来，往往表现为关键振动线谱。线谱的控制方法主要有动力吸振器(DVA)及主动控制方法，针对管道而言，往往采用被动吸振作为控制方法，然而动力吸振器无法适用于激励设备本身振动频率不稳定的情况，同时吸振器要获得较好的振动控制效果需要一定的质量，过大的附加质量会对管道振动造成不利的影响。
发明内容
出于对现代工业及基本生活的环境要求的考虑，需要控制管道传递到安装基础上的振动噪声，另一方面，现有的隔振支撑主要考虑在全频段范围内降低传递到基础上的振动，管道振动线谱一般通过动力吸振器控制。这些措施在一定程度上缓解了管道振动过大的问题。但是，吸振器的力学性能决定了其不能应对激励频率不稳定的情况。因此为了解决现有吸振控制方法存在的振动效果不够理想及局限性等技术问题，本发明提出了一种管道振动线谱的有源控制布置方法，该方法基于管道自身振动特性及管道传递路径上的振动响应来确定作动器的安装位置及选型；另一方面，本发明采用上述布置方法确定的作动器安装位置和选型来构建一种管道振动线谱的有源控制系统，该系统在振动控制的过程中实时追踪激励源振动信息，采集管道支撑基础及激励源的振动信息作为输入，通过优化算法，控制布置于管道上的作动器输出对应的载荷，从而控制传递到基础的振动。
本发明通过下述技术方案实现：
一种管道振动线谱的有源控制布置方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在振动激励源上布置参考传感器，用于采集振动激励源自身的振动特性信号；在管道振动的传递路径上布置误差传感器，用于采集管道在支撑基础处的振动响应；
步骤二，对步骤一中所述参考传感器和误差传感器采集到的信号进行分析处理得到管道在支撑基础处的振动频谱；
步骤三、选择激励源传递至管道的振动优势频率，并确定在该优势频率下的管道受迫振动振型，进而确定作动器安装位置及选型参数。
具体的，所述步骤三中确定作动器安装位置及选型参数具体包括以下步骤：
步骤3.1、以管道受迫振动振型位移最大的位置作为作动器安装位置；
步骤3.2、以上述作动器安装位置为基准，得到该优势频率下管道的等效质量；
步骤3.3、基于作动器安装位置、等效质量及管道的规格尺寸，对作动器进行选型。
另一方面，本发明采用上述布置方法确定的作动器安装位置和选型来构建一种管道振动线谱的有源控制系统，该系统由传感器组、有源振动主动控制器和执行机构组成；
所述传感器组包括1个参考传感器和多个误差传感器；所述误差传感器用于检测管道在支撑基础处的振动响应信号作为误差信号；所述参考传感器用于检测振动激励源自身的振动特性信号作为参考信号；
所述有源振动主动控制器用于接收传感器组采集的误差信号和参考信号，对其进行预处理，并转换为数字信号，再通过对管道支撑基础处的振动进行解耦计算，识别出每个支撑基础处需要关注的振动频率，然后计算得到控制参数的数字信号，将其转换为模拟信号输出到执行机构；
所述执行机构包括功率放大器和作动器；所述有源振动主动控制器输出的模拟信号经功率放大器放大后，驱动作动器在管道上施加对应的载荷。
具体的，所述有源振动主动控制器对管道支撑基础处的振动进行解耦计算，识别出每个支撑基础处需要关注的振动频率，然后计算得到控制参数的数字信号具体为：
首先，对误差信号和参考信号进行贡献量分析，逐一明确每个优势频率对应的传递路径贡献量，以贡献量最大的误差信号作为该优势频率的相关误差信号；
在明确每个误差信号的重点关注的优势频率的基础上，对各误差信号进行相关性分析，进而对各误差信号非重点关注频率进行解耦，若非重点关注频率的振动幅值与未解耦前相比无明显降低，则将其作为关注频率；进而计算得到作动器的输出载荷。
具体的，所述有源振动主动控制器包括AD采集模块、控制模块和DA转换模块；所述AD采集模块用于接收传感器组采集的模拟信号，进行抗混叠滤波后放大，并转换为数字信号输出；所述控制模块用于接收AD采集模块输出的数字信号，并对其进行解耦计算，得到输出载荷的数字信号；所述DA转换模块用于接收控制模块输出的控制参数的数字信号，并将其转换为模拟信号，再经平滑滤波后输出到执行机构。
具体的，所述误差传感器为加速度传感器，所述参考传感器为转速传感器或加速度传感器。
具体的，所述控制模块是基于FPGA、DSP和ARM实现对传感器组采集的信号进行识别及分析处理。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明主要基于管道系统自身的振动特性，通过计算或试验方法得到作动器的布置方法；通过布置方法确定的作动器的布置位置及选型，结合有源振动主动控制器及传感器组构建管道振动线谱的有源控制系统，该有源控制系统采用“振动采集识别-控制参数优化计算-输出载荷控制”的方式实现；本发明的有源控制系统主要以管道传递出去的振动线谱降低为目的，通过贡献量分析和相关性分析得到管道不同误差信号间的解耦方法，并调节内置算法参数，从而可对任意管道系统实施振动控制；本发明的控制系统基于软硬件构架实现，该有源控制系统具有良好的适应性，硬件部分只需要根据具体情况，增加传感器数量及选用不同型号的作动器，软件部分只需要调用不同的算法，调试控制参数就能适用于任意复杂的管道系统。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的有源控制系统布置示意图。
图1中：A1、A2、A3-误差传感器，B1-管道支吊架，B2-管道，B3-振动激励源，C1-参考传感器，Z1、Z2-作动器。
图2为本发明的有源控制系统原理框图。
图3为本发明的误差信号间的解耦方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例中，一种管道振动线谱的有源控制布置方法，根据具体受控管道，首先，应该对管道振动进行探查：在管道振动的传递路径上布置误差传感器，用于采集管道在支撑基础处的振动响应；使用参考传感器采集振动激励源自身的特性信号，该特性信号与振动相关且不受控制系统影响。基于上述传感器采集到的信号通过有限元或试验方法确定管道在优势频率之下的受迫振型，进而确定作动器安装位置及选型参数。通过试验方法，测试得到管道支撑基础的振动速度频谱。选择振动优势频率，并利用有限元软件计算对应于该优势频率f的管道受迫振动振型。以振型位移最大的位置X0作为作动器安装位置。以作动器安装位置X0为基准，通过有限元软件计算得到该优势频率下管道的等效质量M。
基于作动器安装位置X0、等效质量M及管道的规格尺寸，对作动器进行选型，质量比u优选范围为0.02至0.05。
实施例2
本实施例基于上述实施例1的布置方法确定的作动器布置位置及选型来构建一种管道振动线谱的有源控制系统，管道上作动器和传感器组布置如图1所示。
如图2所示，本实施例的管道振动线谱的有源控制系统主要由3个职能不同的机构构成，分别为传感器组、有源振动主动控制器及执行机构。
其中，传感器组包括1个参考传感器C1和多个误差传感器A1-A3。所述振动控制系统的输入信号分为误差信号与参考信号。对于误差信号，主要为管道在支撑基础处的振动响应，通过在支撑基础布置高精度加速度传感器方式采集；对于参考信号，主要为振动激励源自身的特性信号，对于连接泵的管道可以采集泵的转速或者泵质心加速度作为参考信号。误差信号和参考信号主要为时程数据，在处理器中经前置分析模块处理，转换为频谱。
有源振动主动控制器包括AD采集模块、控制模块及DA转换模块。AD采集模块的作用为输入模拟信号，进行抗混叠滤波后放大，并转换为数字信号；控制模块主要包括FPGA、DSP、ARM等处理器，内置高精度算法，可以识别传感器组合采集的信号，并进行解耦计算，最终得到控制参数的数字信号，DA转换模块的作用为将数字信号转换为模拟信号，再经平滑滤波后输出。管道振动通过各个管道支撑向安装基础传递。由于管道自身的振动特性，各支撑基础的振动情况不尽相同。一般而言，激励源传递至管道的振动优势频率f1、f2、f3…会体现在管道支撑基础处，表现为对应频率的振动线谱。同时，管道支撑安装基础间往往存在振动传递的现象。因此，对管道支撑基础处的振动进行解耦计算，合理识别出每个支撑基础处需要关注的振动频率是振动控制系统具备良好效果的必要前提。
如图3所示，首先，将误差信号与参考信号进行贡献量分析，逐一明确每个优势频率对应的传递路径贡献量，以贡献量最大的误差信号作为该频率的相关误差信号。
在明确每个误差信号重点关注的优势频率的基础上，对各误差信号进行相关性分析，进而对各误差信号非重点关注频率进行解耦，若非重点关注频率的振动幅值与未解耦前相比无明显降低，则将其作为关注频率。
基于上述过程，将传感器组合采集的振动数据输入控制，在前置分析模块完成各误差传感器所关注的频率识别，进而计算作动器输出载荷，可以采用现有成熟的PID、LMS或神经网络等算法实现。
执行机构包括功率放大器和作动器。功率放大器将控制器输出的模拟信号加强，并驱动作动器在管道上施加对应的力。
本实施例中可选择电磁式作动器及压电陶瓷作为控制系统的作动器，具体选型根据管道的空间结构决定。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管道振动线谱的有源控制布置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在振动激励源上布置参考传感器，用于采集振动激励源自身的振动特性信号；在管道振动的传递路径上布置误差传感器，用于采集管道在支撑基础处的振动响应；
步骤二，对步骤一中所述参考传感器和误差传感器采集到的信号进行分析处理得到管道在支撑基础处的振动频谱；
步骤三、选择激励源传递至管道的振动优势频率，并确定在该优势频率下的管道受迫振动振型，进而确定作动器安装位置及选型参数。
2.根据权利要求1所述的一种管道振动线谱的有源控制布置方法，其特征在于，所述步骤三中确定作动器安装位置及选型参数具体包括以下步骤：
步骤3.1、以管道受迫振动振型位移最大的位置作为作动器安装位置；
步骤3.2、以上述作动器安装位置为基准，得到该优势频率下管道的等效质量；
步骤3.3、基于作动器安装位置、等效质量及管道的规格尺寸，对作动器进行选型。
3.一种管道振动线谱的有源控制系统，其特征在于，该系统由传感器组、有源振动主动控制器和执行机构组成；
所述传感器组包括1个参考传感器和多个误差传感器；所述误差传感器用于检测管道在支撑基础处的振动响应信号作为误差信号；所述参考传感器用于检测振动激励源自身的振动特性信号作为参考信号；
所述有源振动主动控制器用于接收传感器组采集的误差信号和参考信号，对其进行预处理，并转换为数字信号，再通过对管道支撑基础处的振动进行解耦计算，识别出每个支撑基础处需要关注的振动频率，然后计算得到控制参数的数字信号，将其转换为模拟信号输出到执行机构；
所述执行机构包括功率放大器和作动器；所述作动器按照权利要求1-2任一项所述的布置方法来布置和选型；所述有源振动主动控制器输出的模拟信号经功率放大器放大后，驱动作动器在管道上施加对应的载荷。
4.根据权利要求3所述的一种管道振动线谱的有源控制系统，其特征在于，所述有源振动主动控制器对管道支撑基础处的振动进行解耦计算，识别出每个支撑基础处需要关注的振动频率，然后计算得到控制参数的数字信号具体为：
首先，对误差信号和参考信号进行贡献量分析，逐一明确每个优势频率对应的传递路径贡献量，以贡献量最大的误差信号作为该优势频率的相关误差信号；
在明确每个误差信号的重点关注的优势频率的基础上，对各误差信号进行相关性分析，进而对各误差信号非重点关注频率进行解耦，若非重点关注频率的振动幅值与未解耦前相比无明显降低，则将其作为关注频率；进而计算得到作动器的输出载荷。
5.根据权利要求3所述的一种管道振动线谱的有源控制系统，其特征在于，所述有源振动主动控制器包括AD采集模块、控制模块和DA转换模块；所述AD采集模块用于接收传感器组采集的模拟信号，进行抗混叠滤波后放大，并转换为数字信号输出；所述控制模块用于接收AD采集模块输出的数字信号，并对其进行解耦计算，得到输出载荷的数字信号；所述DA转换模块用于接收控制模块输出的控制参数的数字信号，并将其转换为模拟信号，再经平滑滤波后输出到执行机构。
6.根据权利要求3所述的一种管道振动线谱的有源控制系统，其特征在于，所述误差传感器为加速度传感器，所述参考传感器为转速传感器或加速度传感器。
7.根据权利要求5所述的一种管道振动线谱的有源控制系统，其特征在于，所述控制模块是基于FPGA、DSP和ARM实现对传感器组采集的信号进行识别及分析处理。
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