CN110597131A - 一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，该控制系统包括传感器组、有源主动控制器、执行机构和上位机。其中，有源主动控制器包括AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、DA输出卡以及背板和共享内存卡，且AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡和DA输出卡均从共享内存卡中读取或存储数据，避免各模块单元之间直接进行数据交互；传感器组获取目标信号与参考信号，有源振动控制器进行实时数据处理和主动控制算法实现，并输出控制参数，最终通过作动器输出载荷以达到振动控制的目的。本发明可增加硬件配置灵活性，提升数据传输效率，保证系统实时性。

Description

一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统

技术领域

本发明涉及振动线谱的主动控制技术领域，具体涉及一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统。

背景技术

近些年来，随着科学技术迅猛发展、生产力水平空前提高，人们对结构振动和环境噪声提出了更高要求。减振降噪是目前交通运输、航空航天和核电等行业的研究热点。在现代工业中，泵和管路等设备被广泛应用于各系统，泵多为动力源，管路作为输送介质的重要工具。泵是振动噪声之源，管路作为振动噪声的重要传播途径，泵和管路的振动噪声问题越发突出。泵和管路振动会通过基座或支撑传递给主体，引起主体结构振动；一方面会使结构产生振动疲劳，另一方面造成环境振动和环境噪声增大。如何对泵和管路等设备进行减振至关重要。

泵和管路振动噪声分为两类：一类是宽带噪声，其频谱为连续谱；一类是纯频噪声，其频谱为线谱。工程中多为连续谱和线谱的组合。对于泵和管路振动常常采用消振、隔振和吸振等被动控制方法，对于中高频振动有较好效果，且具有很宽的减振频带。然而被动控制需预先设定频率，缺乏自我调节功能，对低频线谱控制效果不明显。大量工程经验表明，对振动线谱的控制一般从3个途径加以考虑：振源控制、传递路径控制以及基础的控制。有源振动控制(AVC)克服了传统被动控制系统重量大、效率低、对低频线谱效果较差等不利因素而得到广泛应用，其基本思想：主动产生一个与待消除的振动幅值相等相位相反的振动，根据叠加原理两者会相互抵消，从而达到消除原振动的目的。

泵和管路振动具有如下特征：在宽频带连续谱下，几根线谱明显凸出，且线谱之间不一定存在谐频关系。为抑制线谱振动通过基座或支撑传递给其它结构，一般通过吸振器进行控制，在一定程度上缓解了振动过大的问题，但吸振器的力学性能决定了难于控制低频线谱。

且现有的主动控制系统由传感器、数据采集卡、控制器和作动器等构成。具体为传感器将采集的模拟信号传送给数据采集卡，转化为数字信号传送给控制器，进而实现控制算法，将控制参数的数字信号转化为模拟信号后，传送给作动器进行输出。现有主动控制系统存在的问题：①整个控制器硬件由一块或两块电路板设计，从而限制硬件系统的升级，也给芯片损坏后的更换工作带来很大不便；②模块之间多采用插针式进行数据交换，数据传送较慢，可能会带来较大的系统延时。而研究结果表明，控制系统相位误差若超过π/4，将严重影响自适应算法的收敛，甚至导致控制系统不稳定。针对线谱振动，常设计有源主动振动控制系统，包括参考信号获取、次级通道辨识和自适应滤波算法等，因此对控制系统复杂性和实时性提出更高的要求。

发明内容

本发明提供了一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统。本发明设计一种基于共享内存的有源振动主动控制系统。各模块以板卡形式存在，从共享内存卡中读取或存储数据，避免模块之间直接进行数据交互。既增加硬件更换的可操作性，也提升系统的实时性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，该系统包括传感器组、上位机、执行机构和有源主动控制器；所述有源主动控制器包括n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、n个DA输出卡、背板和内存共享卡；且所述n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡和n个DA输出卡均通过背板与内存共享卡之间进行数据交互；AD采集卡用于将传感器组采集的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号存储在内存共享卡中；所述时序逻辑控制卡和数字信号处理卡分别从内存共享卡中实时读取数字信号进行数据处理和分析后存储在内存共享卡中；所述DA输出卡从内存共享卡中实时读取经处理和分析后的数字信号并转换为模拟信号，并将模拟信号传送给执行机构；所述时序逻辑控制卡与上位机通信连接；其中，n≥2。

优选的，所述内存共享卡包括超级块和数据块；其中，所述超级块包括共享内存代理和数据收发，所述共享内存代理用于处理接收到的读/写指令，通过访问数据收发以在数据块进行数据存储/读取。

优选的，所述数据收发包括写环形队列和读环形队列；当写数据时，访问写环形队列，将数据存储在数据块的相应区域；当读数据时，获取读环形队列指向的数据块区域的数据。

优选的，所述AD采集卡包括MCU、AD模块、放大模块和抗混叠滤波模块；传感器组采集的模拟信号通过抗混叠滤波模块进行抗混叠滤波之后，进入放大模块进行增益放大，然后由AD模块转换为数字信号传送给MCU，MCU实时将转换后的数字信号通过背板存储在内存共享卡中。

优选的，所述时序逻辑控制卡包括FPGA模块和通信模块；所述时序逻辑控制卡通过通信模块与上位机连接；所述时序逻辑控制卡用于对存储在共享内存卡中经AD采集卡转换后的数字信号在高速传输时进行时序逻辑控制。

优选的，所述数字信号处理卡采用DSP芯片，用于实时获取存储在共享内存卡中经AD采集卡转换后的数字信号并进行处理和分析，获得控制参数的数字信号，且将控制参数的数字信号存储在内存共享卡中。

优选的，所述DA输出卡包括MCU、DA模块和平滑滤波模块；所述MCU实时读取存在在共享内存卡中的控制参数的数字信号，并将该数字信号传送给DA模块转换为控制参数的模拟信号，之后将控制参数的模拟信号经平滑滤波模块进行滤波处理，经滤波处理后的模拟信号传送给执行机构以控制执行机构动作。

优选的，所述传感器组与泵基座或管路支撑固定连接；所述传感器组包括1个参考传感器和至少1个误差传感器；所述误差传感器用于获取控制的目标信号，所述参考传感器用于采集与振动相关但不受振动影响的信号，选择泵的转速或振动信号作为原始输入。

优选的，所述执行机构包括功率放大器和作动器；所述功率放大器将DA输出卡输出的模拟信号进行放大之后驱动作动器在泵基座或管道上施加对应的力。本发明主要以降低泵和管路传递给基座或支撑的低频振动线谱为目的，通过附加在泵基座或者管道的作动器施加外力来实现。

优选的，所述有源主动控制器的箱体采用3U机箱插卡式结构，通过插接方式将n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、n个DA输出卡、背板和内存共享卡固定在箱体内。本发明采用插卡方法，实现对控制器各个单元进行灵活配置，通过插卡式和共享内存相结合的方式，大大提高了数据交换的带宽，降低了系统的延时，同时还利于控制器板卡后期的维护与更换。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明中的有源主动控制器各模块单元以板卡形式存在，从共享内存卡中读取或存储数据，避免各模块单元之间直接进行数据交互，通过实现共享内存的读写同步机制，保证系统的实时性，同时大大提高了数据的传输效率。且本发明的AD采集卡和DA输出卡的MCU，FPGA和DSP本身属于高精度高速处理器，多处理器按照控制指令实时地向共享内存卡存储或读取数据且同步运行，增加了数据交换的带宽，提升了系统的实时性；各板卡之间访问共享内存互不干扰，保证数据传送的准确性。

2、本发明采用插卡式和共享内存相结合的方式，大大提高了数据交换的宽带，降低了系统的延时，同时便于控制器板卡后期的维护与更换。

3、本发明通过附加在泵基座或管道的作动器施加外力，以更好的抑制泵和管路传递给基座或支撑的低频振动线谱。

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为本发明的有源振动主动控制系统原理框图。

图2为本发明的共享内存读取原理框图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

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

本实施例提出了一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，如图1所示，该控制系统包括传感器组、上位机、执行机构和有源主动控制器。

本实实施例中，有源主动控制器的箱体采用3U机箱插卡式结构，可实现对各单元进行灵活配置，包括n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、n个DA输出卡、背板和内存共享卡；且所述n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡和n个DA输出卡均通过背板与内存共享卡之间进行数据交互，即AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡和DA输出卡之间均通过内存共享卡进行数据交互而不直接进行数据交互；其中，n为正整数且n≥2。传感器组实时采集泵及基座支撑的参考信号和误差信号，并将数据传送给AD采集卡；数据采集卡将采集的数据转化为数字信号，经过MCU存储在共享内存中。FPGA从共享内存中读取多通道数据，保证高速传输的同时进行逻辑时序控制，将处理后的数据存储在共享内存中；DSP从共享内存中读取FPGA处理后的数据，进行源信号的谱估计和次级通道辨识等，并根据自使用前馈控制算法计算出滤波器最佳权系数和主动控制所需要的控制信号，同时发出控制指令。DA输出卡的MCU接受指令，从共享内存中读取控制信号，转化为模拟信号；经功率放大器放大使其达到作动器的有效工作电压，驱动动作器产生目标控制作用力。

本实施例中，所述传感器组与泵基座或管路支撑等固连，所述上位机通过网线与有源主动控制器网口连接，所述作动器与泵基座或管道固连。

本实施例中，传感器组包括1个参考传感器和至少1个误差传感器(传感器的数量与AD采集卡的数量相匹配，即n＝参考传感器的数量+误差传感器的数量)，其中误差传感器获取控制的目标信号，在振动控制的过程中主要作为输出量的反馈；参考传感器采集与振动相关但不受振动影响的信号，通常选择泵的转速或振动信号作为原始输入。

本实施例中，执行机构包括功率放大器和作动器(作动器的数量和DA输出卡的数量相匹配，即n＝作动器的数量)。功率放大器将控制器输出的模拟信号加强，并驱动作动器在泵基座或管道上施加对应的力。

本实施例中，AD采集卡包括MCU、AD模块、放大模块和抗混叠滤波模块；传感器组采集的模拟信号通过抗混叠滤波模块进行抗混叠滤波之后，进入放大模块进行增益放大，然后由AD模块转换为数字信号传送给MCU，MCU实时将转换后的数字信号通过背板存储在内存共享卡中。

本实施例中，时序逻辑控制卡包括FPGA模块和通信模块；所述时序逻辑控制卡通过通信模块与上位机连接；所述时序逻辑控制卡用于对存储在共享内存卡中经AD采集卡转换后的数字信号在高速传输时进行时序逻辑控制。

本实施例中，所述数字信号处理卡采用DSP芯片，固化高精度主动控制算法，用于实时获取存储在共享内存卡中经AD采集卡转换后的数字信号并进行处理和分析，获得控制参数的数字信号，且将控制参数的数字信号存储在内存共享卡中。

本实施例中，所述DA输出卡包括MCU、DA模块和平滑滤波模块；所述MCU实时读取存在在共享内存卡中的控制参数的数字信号，并将该数字信号传送给DA模块转换为控制参数的模拟信号，之后将控制参数的模拟信号经平滑滤波模块进行滤波处理，经滤波处理后的模拟信号传送给执行机构以控制执行机构动作。

本实施例中，依据优化配置策略减小误差传感器数目并优化其位置，使控制系统的控制规模得到降低，在泵基座或管路支撑基础处布置高精度加速度传感器，获取控制系统的目标信号；根据需求和现场条件限制，选取能表征振动激励源自身特性的信号作为参考信号，通常将泵的转速或泵质心加速度作为控制系统的原始输入。

本实施例中，数字信号处理优选为现有成熟的LMS、FxLMS或其改进算法实现振动线谱的主动控制，可选择电磁式作动器及压电陶瓷作为控制系统的作动器，具体选型根据泵振动特性或管道空间结构决定。

本实施例中的有源主动控制器中各模块单元(n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、n个DA输出卡、背板和内存共享卡)以板卡形式存在，且n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡和n个DA输出卡均从共享内存卡中读取或存储数据，避免各模块单元之间直接进行数据交互，可明显降低数据传输时延，提高系统吞吐量。

实施例2

本实施例对上述实施例1中的内存共享卡作了进一步优化，如图2所示，本实施例的内存共享卡包括超级块和数据块，超级块用于管理数据块，数据块保存读取的数据，超级块作为共享内存的核心，由共享内存代理和数据收发组成，数据块分为多个区域。可明显降低数据传输时延，提高系统吞吐量。

本实施例中，超级块包括共享内存代理和数据收发，数据块包括多个存储区域；超级块作为共享内存的核心，超级块的共享内存代理只存储与共享内存相关的少量特征信息。当MCU、FPGA或DSP发出请求以获得对共享内存的读或写权限时，通过调用共享内存代理，让共享内存代理去处理读或写的指令。数据收发通常采用环形队列的方式，包括写环形队列和读环形队列(即数据收发采用环形队列寻址方式，对应数据块的各区域地址)。具体为：当写数据时，访问写环形队列，并将数据存储在数据块的相应区域；当读数据时，获取读环形队列指向的数据块区域的数据。将新数据覆盖旧数据，同时获取最后添加的数据以保证实时性，通过实现共享内存的读写同步机制，可大大提高数据的传输效率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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 (10)

1.一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，该系统包括传感器组、上位机、执行机构和有源主动控制器；所述有源主动控制器包括n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、n个DA输出卡、背板和内存共享卡；且所述n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡和n个DA输出卡均通过背板与内存共享卡之间进行数据交互；AD采集卡用于将传感器组采集的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号存储在内存共享卡中；所述时序逻辑控制卡和数字信号处理卡分别从内存共享卡中实时读取数字信号进行数据处理和分析后存储在内存共享卡中；所述DA输出卡从内存共享卡中实时读取经处理和分析后的数字信号并转换为模拟信号，并将模拟信号传送给执行机构；所述时序逻辑控制卡与上位机通信连接；其中，n≥2。

2.根据权利要求1所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述内存共享卡包括超级块和数据块；其中，所述超级块包括共享内存代理和数据收发，所述共享内存代理用于处理接收到的读/写指令，通过访问数据收发以在数据块进行数据存储/读取。

3.根据权利要求2所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述数据收发包括写环形队列和读环形队列；当写数据时，访问写环形队列，将数据存储在数据块的相应区域；当读数据时，获取读环形队列指向的数据块区域的数据。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述AD采集卡包括MCU、AD模块、放大模块和抗混叠滤波模块；传感器组采集的模拟信号通过抗混叠滤波模块进行抗混叠滤波之后，进入放大模块进行增益放大，然后由AD模块转换为数字信号传送给MCU，MCU实时将转换后的数字信号通过背板存储在内存共享卡中。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述时序逻辑控制卡包括FPGA模块和通信模块；所述时序逻辑控制卡通过通信模块与上位机连接；所述时序逻辑控制卡用于对存储在共享内存卡中经AD采集卡转换后的数字信号在高速传输时进行时序逻辑控制。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述数字信号处理卡采用DSP芯片，用于实时获取存储在共享内存卡中经AD采集卡转换后的数字信号并进行处理和分析，获得控制参数的数字信号，且将控制参数的数字信号存储在内存共享卡中。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述DA输出卡包括MCU、DA模块和平滑滤波模块；所述MCU实时读取存在在共享内存卡中的控制参数的数字信号，并将该数字信号传送给DA模块转换为控制参数的模拟信号，之后将控制参数的模拟信号经平滑滤波模块进行滤波处理，经滤波处理后的模拟信号传送给执行机构以控制执行机构动作。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述传感器组与泵基座或管路支撑固定连接；所述传感器组包括1个参考传感器和至少1个误差传感器；所述误差传感器用于获取控制的目标信号，所述参考传感器用于采集与振动相关但不受振动影响的信号，选择泵的转速或振动信号作为原始输入。

9.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述执行机构包括功率放大器和作动器；所述功率放大器将DA输出卡输出的模拟信号进行放大之后驱动作动器在泵基座或管道上施加对应的力。

10.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于共享内存的振动线谱有源主动控制系统，其特征在于，所述有源主动控制器的箱体采用3U机箱插卡式结构，通过插接方式将n个AD采集卡、时序逻辑控制卡、数字信号处理卡、n个DA输出卡、背板和内存共享卡固定在箱体内。