CN113358209B - 一种“机-土”共振频率测量方法、控制系统以及压路机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种“机‑土”共振频率测量方法，包括：对获取的加速度信号进行低通滤波和模数转换，转换成加速度数据；对其进行时频域分析，获得加速度最大幅值及其对应频率，计算对应频率下的位移幅值，将该位移幅值及对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中；判断是否完成所有加速度数据计算以及是否平移q个加速度数据再重复上述时频域分析；筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，获得其中最大的最大振幅所对应的频率。本发明还公开一种“机‑土”共振频率测量控制系统以及包含该系统的振动压路机，将共振频率测量控制系统集成在振动压路机上，能够实现对压路机－土壤振动系统的机‑土共振频率的实时获取，简单、快速。
Description
技术领域
本发明涉及一种“机-土”共振频率测量方法、控制系统以及压路机，属于振动压路机控制技术领域。
背景技术
振动压路机以其发出的振动载荷使被压实土壤(例如土石填方及路面铺层混合物料)颗粒处于高频振动状态而丧失颗粒间的内摩擦力，迫使这些颗粒重新排列而密实，具有更高压实效率和更好压实效果，逐渐成为主流。
行业内通常将被压实土壤与压路机振动轮和压路机上车组成振动系统研究，该系统一般被称为“压路机-土壤”振动系统。根据物理学原理，振动轮激振频率接近被压实土壤固有频率时会引起土壤共振并加大“压路机-土壤”振动系统通过振动轮输入到被压实土壤的能量，能增强压路机对土壤的振动压实效果，但是，压路机振动轮过于强烈的振动也可能导致其频繁跳离地面，使压路机失去连续、稳定的压实能力。即“压路机-土壤”振动系统中最好压实效果和连续稳定压实能力难于兼得。另一方面，压路机通常需要具备对多种土壤的压实能力，而不同被压实土壤因材料、含水量以及压实程度等的不同而具有不同的的固有频率，这种差异可能导致振动压路机宜于压实某一类型土壤而不宜于压实另一类型土壤。
因此，需要实时获取“压路机-土壤”振动系统的“机-土”共振频率，使压路机激振频率既靠近被压实土壤固有频率又与其保持一定距离，使振动轮实际振幅尽量大同时振动轮又不频繁跳离地面而与被压实土壤保持接触，达到既强迫被压实土壤以适宜的实际振幅振动又能对不同类型被压实土壤进行连续、稳定的压实。
发明内容
本发明提供一种“机-土”共振频率测量方法、控制系统以及压路机，将共振频率测量控制系统集成在振动压路机上，实现对“压路机-土壤”振动系统中“机-土”共振频率的实时测量获取，简单、快速。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：压路机在土壤上起振，获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；
步骤2：对上述加速度信号进行低通滤波和模数转换，形成加速度数据；
步骤3：顺序截取m个加速度数据，补零至n个后进行傅里叶变换，滤除指定频带外的频率成分，获得一组加速度幅频数据，筛选该组加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率，利用公式计算对应频率下的位移幅值，将该位移幅值及其对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中，公式为：位移幅值=加速度最大幅值/(2×π×加速度最大幅值对应频率)2；
步骤4：判断是否完成所有加速度数据计算，如否转步骤5，如是转步骤6；
步骤5：平移q个加速度数据，转步骤3；
步骤6：筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，获得其中最大的最大振幅所对应的频率，该频率即为“机-土”共振频率。
作为优选方案，所述步骤1中所述起振过程包含振动频率从0到达到振动频率预设值的全过程，其中振动频率预设值不小于26Hz。
作为优选方案，所述步骤1中所述起振过程用起振时间度量，起振时间为起振开始后的连续5～6s时间。
作为优选方案，所述步骤2中所述模数转换时的采样频率为1000Hz。
作为优选方案，所述步骤3中所述m为256或512，n为2048或4096。
作为优选方案，所述步骤3中所述指定频带为6～100Hz频带。
作为优选方案，所述步骤5中所述q为10～50。
一种“机-土”共振频率测量控制系统，包括：
加速度测量模块，用于获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号，对上述加速度信号进行低通滤波和模数转换，转换成加速度数据；
数据处理模块，用于对加速度数据进行时频域分析并计算和输出对应频率的位移数据，即顺序截取m个加速度数据，补零至n个后进行傅里叶变换，滤除指定频带外的频率成分，获得一组加速度幅频数据，筛选该组加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率，利用公式计算对应频率下的位移幅值，将该位移幅值及其对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中，以及判断是否完成所有位移数据计算和是否平移q个位移数据，直至完成所有加速度数据计算后获得最大振幅及其对应频率数据系列，输出该数据系列至执行控制模块；平移q个位移数据用于遮蔽该q个加速度数据，再如上顺序截取、补零、傅里叶变换、滤除、筛选、计算和记录；滤除指定频带之外(通常是由于地面不平度激励、振动轮刚度、加速度安装支架刚度等影响造成的低频或高频噪音信号)的频率成分。
执行控制模块，接收数据处理模块传递的上述最大振幅及其对应频率数据系列，以及筛选该数据系列并从中获得最大的最大振幅所对应的频率，该频率即为“机-土”共振频率。
一种“机-土”共振频率测量控制系统，包括：加速度传感器，处理器和控制器。
所述加速度传感器设置在振动轮上，与所述处理器连接，用于“机-土”共振频率测量方法步骤1中起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号的获取，以及步骤2中加速度信号的低通滤波和模数转换。
所述处理器置于振动压路机上，与所述加速度传感器和所述控制器连接，用于进行上述加速度数据的时频域分析、滤除和筛选加速度幅频数据、计算位移幅值以获得上述最大振幅及其对应频率数据系列，包括“机-土”共振频率测量方法步骤3～5的全过程；
所述控制器，与所述处理器连接，用于接收上述最大振幅及其对应频率数据系列，以及“机-土”共振频率测量方法步骤6中筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，及其中最大的最大振幅所对应的频率的获取。
一种振动压路机，包括如上所述任一项振动压路机“机-土”共振频率测量控制系统。
有益效果：本发明利用振动压路机本身的振动功能，将共振频率测量控制系统集成在振动压路机上，通过加速度分段FFT、位移幅值计算和振幅筛选，实现了压路机－土壤振动系统的机-土共振频率的实时获取，简单、快速，利于在作业时快速改变压路机振动频率靠近上述机-土共振频率的程度以快速改变压路机振动轮实际振幅，提高压实能力。
本发明通过滤除指定频带外的频率成分，避免了路面不平信号及其它噪声信号的干扰，通过加速度数据的截短和平移提高了加速度幅值识别的准确性，通过补零增加谱线减小栅栏效应以显示加速度频谱的更多细节，最终提高了“压路机-土壤”振动系统“机-土”共振频率获取的准确性。
本发明利用压路机振动加速度和位移的关系，根据上述加速度最大幅值及其对应频率，利用公式直接计算对应频率下的位移幅值，无需二次积分，减少了运算时间，提高了共振频率的获取效率。
附图说明
图1是本发明“机-土”共振频率测量方法一种实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的一种实施例：一种“机-土”共振频率测量方法，包括：
步骤S101：压路机在土壤上起振，获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；例如：通过布置在振动轮上的加速度传感器获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的6s时间的加速度信号。
步骤S102：对上述加速度信号进行低通滤波和模数转换，转换成加速度数据。例如：对步骤S101中起振过程中振动轮在垂直地面方向的6s时间的加速度信号进行500Hz低通滤波，以1000Hz频率采样，获得6000个加速度数据。
步骤S103：顺序截取m个加速度数据，补零至n个后进行傅里叶变换，滤除指定频带外的频率成分，获得一组加速度幅频数据，筛选该组加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率，利用公式计算对应频率下的位移幅值，将该位移幅值及其对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中。
起振过程中的加速度信号是一种频率随时间变化的非平稳信号，如直接对起振过程的全部加速度数据进行傅里叶变换，频率分辨率高但加速度幅值分辨率低(峰值不够精细)，需要通过加速度数据的截短以提高加速度幅值识别的准确性，但过短的数据又会导致频率分辨率降低，需要通过补零等方法增加谱线减小栅栏效应以显示频谱的更多细节。适应于现有的振动压路机，作为优选方案，如采样频率为步骤S102中的1000Hz，所述阶段截短信号长度m优选256或512，所述对m个数据补零后的数据长度n根据上述采样频率值和m的优选值，优选2048或4096。
根据物理学原理，振动轮激振频率等于被压实土壤固有频率时会引起土壤共振，振幅最大，而此时加速度并非最大，因此需要根据加速度最大幅值计算对应频率下的位移幅值。本发明利用压路机振动加速度和位移的关系(压路机振动轮在垂直地面方向的振动是一种上下往返振动，垂直地面方向的振动加速度和位移均近似为以时间为变量的正弦曲线，且其频率相同)，通过获取加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率后，通过公式：位移幅值=加速度最大幅值/(2×π×加速度最大幅值对应频率)2,直接计算位移幅值，无需二次积分，减少了运算时间，提高了共振频率的获取效率。
适应于现有的振动压路机及其使用工况，需要滤除指定频带之外(通常是由于地面不平度激励、振动轮刚度、加速度安装支架刚度等影响造成的低频或高频噪音信号)的频率成分。根据压路机正常压实过程中上述因素影响情况和压路机振动频率通常选用区域不超过70Hz，优选滤除6～100Hz之外的频率成分。
例如：对步骤S102中获得的6000个加速度数据，按顺序截取其中第1到第256个加速度数据，补零至2048个进行傅里叶变换得到2048个复数，求模并换算得到2048个实际幅度(即加速度幅值)数据，根据采样频率1000Hz对应于从0开始、频率间隔为1000/2048≈0.488Hz的共计2048个频率数据，滤除指定频带6～100Hz外的数据，获得指定频带6～100Hz内的一组加速度幅频数据，筛选上述加速度幅频数据，获得其中加速度最大幅值及其对应频率如21.7933m/s2@14.16Hz，通过公式：位移幅值=加速度最大幅值/(2×π×加速度最大幅值对应频率)2, 计算得到位移幅值=21.7933/(2×π×14.16)2=0.002753m=2.7533mm，将该位移幅值2.7533mm及其对应频率14.16Hz记录到最大振幅及其对应频率数据系列中。
步骤S104：判断是否完成所有加速度数据计算，如否转步骤S105，如是转步骤S106；
由于步骤S103对数据进行了截短，截短后的m个数据可能不包括共振频率所在的数据，故需要尽量完成所有加速度数据的计算。
例如：经过多次循环后，待计算的(即剩余的)加速度数据已不足以截取m个时，判断已完成所有位移数据计算，转步骤S106。
步骤S105：平移q个加速度数据(以遮蔽该q个加速度数据，使步骤S103再次执行时不选取该q个数据，此时顺序截取的m个数据与上一次截取的m个数据重叠m-q个)，转步骤S103。
平移q个加速度数据以遮蔽该q个加速度数据，使步骤3再次执行时顺序截取的m个数据不包含该q个加速度数据，如q<m，则步骤S103中顺序截取的m个加速度数据会与上1次截取的m个加速度数据有m-q个数据重叠，有助于提高时频变换结果中频率与加速度幅值识别的准确性，如q=m，则m-q=0，则步骤S103中顺序截取的m个加速度数据与上1次截取的m个加速度数据无重叠，计算量相对少，共振频率识别速度快。适应于现有的振动压路机和数据处理速度，作为优选方案，所述q优选10～50有利于在保证加速度幅值识别准确性的基础上提高共振频率识别速度。
步骤S106：筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，获得其中最大的最大振幅值所对应的频率，该频率即为“机-土”共振频率。
由步骤S103～S105完成所有加速度数据计算，获得最大幅值及其对应频率数据系列，筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，获得其中最大的最大振幅所对应的频率，可以看到，该最大的最大振幅是整个起振过程中的位移最大幅值，故该最大的最大振幅所对应的频率是“机-土”共振频率。
一种“机-土”共振频率测量控制系统，包括：加速度测量模块、数据处理模块以及执行控制模块。
需要说明的是，本实施方式的控制系统可以执行图1中的步骤。
加速度测量模块，用于获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号，对上述加速度信号进行低通滤波和模数转换，转换成加速度数据，对应于图1中的步骤S101和步骤S102；
数据处理模块，用于对加速度数据进行时频域分析并计算和输出对应频率的位移数据，即顺序截取m个加速度数据，补零至n个后进行傅里叶变换，滤除指定频带外的频率成分，获得一组加速度幅频数据，筛选该组加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率，利用公式计算对应频率下的位移幅值，将该位移幅值及其对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中，平移q个加速度数据以遮蔽该q个加速度数据，再如上顺序截取、补零、傅里叶变换、滤除、筛选、计算和记录，直至完成所有加速度数据计算后获得最大振幅及其对应频率数据系列，输出该数据系列至执行控制模块，对应于图1中的步骤S103～S105。
执行控制模块，接收数据处理模块传递的上述最大振幅及频率数据系列，筛选该数据系列并从中获得最大的最大振幅所对应的频率，对应于图1中的步骤S106。
另一种“机-土”共振频率测量控制系统实施例，包括：加速度传感器，处理器，控制器。
所述加速度传感器设置在振动轮上，与所述处理器连接，用于起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号的获取，以及加速度信号的低通滤波和模数转换。
所述处理器置于振动压路机上，与所述加速度传感器和所述控制器连接，用于进行加速度数据的时频域分析、滤除和筛选加速度幅频数据、根据公式计算位移幅值数据以获得上述最大振幅及其对应频率数据系列。
所述控制器，与所述处理器连接，用于接收上述最大振幅及频率数据系列，筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列并获取其中最大的最大振幅所对应的频率。
一种具有上述“机-土”共振频率测量控制系统的振动压路机，包括：车架、振动轮、驱动系统、振动液压系统、动力系统、驾驶室、控制部分。
振动轮、驱动系统、动力系统、驾驶室安装在车架上。
振动液压系统从动力系统获取动力驱动振动轮内的激振器高速旋转，实现振动压实。
控制部分包括前进后退操纵系统、振动控制按钮、方向操纵系统、显示器、控制器、处理器、加速度传感器，其中显示器用于显示控制器提供的“机-土”共振频率数据，除加速度传感器安装在振动轮上外，其它安装在驾驶室内。
其中，“机-土”共振频率测量控制系统包括控制器、处理器、加速度传感器，加速度传感器与处理器连接，处理器与控制器连接。
本发明利用振动压路机本身的振动功能，将共振频率测量控制系统集成在振动压路机上，通过加速度分段FFT、位移幅值计算和振幅筛选，实现了压路机－土壤振动系统的机-土共振频率的实时获取，简单、快速，利于在作业时快速改变压路机振动频率靠近上述机-土共振频率的程度以快速改变压路机振动轮实际振幅，提高压实能力。
本发明通过滤除指定频带外的频率成分，避免了路面不平信号及其它噪声信号的干扰，通过加速度数据的截短和平移提高了加速度幅值识别的准确性，通过补零增加谱线减小栅栏效应以显示加速度频谱的更多细节，最终提高了“压路机-土壤”振动系统“机-土”共振频率获取的准确性。
本发明利用压路机振动加速度和位移的关系，根据上述加速度最大幅值及其对应频率，利用公式直接计算对应频率下的位移幅值，无需二次积分，减少了运算时间，提高了共振频率的获取效率
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1: 压路机在土壤上起振，获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；
步骤2: 对上述加速度信号进行低通滤波和模数转换，形成加速度数据；
步骤3: 顺序截取m个加速度数据，补零至n个后进行傅里叶变换，滤除指定频带外的频率成分，获得一组加速度幅频数据，筛选该组加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率，计算对应频率下的位移幅值，位移幅值=加速度最大幅值/(2×π×加速度最大幅值对应频率)2，将该位移幅值及其对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中；
步骤4 :判断是否完成所有加速度数据计算，如否转步骤5，如是转步骤6；
步骤5:平移q个加速度数据，所述q为10~50，转步骤3；
步骤6:筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，获得其中最大的最大振幅值所对应的频率，该频率即为“机-土”共振频率。
2.根据权利要求1所述的“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，起振过程包含振动频率从0到达到振动频率预设值的全过程，其中振动频率预设值不小于26Hz。
3.根据权利要求1所述的“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，步骤1中，起振过程用起振时间度量，起振时间为起振开始后的连续5～6s时间。
4.根据权利要求1所述的“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，步骤2中，进行模数转换时，采样频率为1000Hz。
5.根据权利要求1所述的“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，步骤3中，所述指定频带为6～100Hz频带。
6.根据权利要求1所述的“机-土”共振频率测量方法，其特征在于，步骤3中，所述m为256或512，所述n为2048或4096。
7.根据权利要求1所述的“机-土”共振频率测量方法的一种“机-土”共振频率测量控制系统，其特征在于，包括：
加速度测量模块，用于获取起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号，对上述加速度信号进行低通滤波和模数转换，转换成加速度数据；
数据处理模块，用于对加速度数据进行时频域分析并计算和输出对应频率的位移数据，即顺序截取m个加速度数据，补零至n个后进行傅里叶变换，滤除指定频带外的频率成分，获得一组加速度幅频数据，筛选该组加速度幅频数据获得其中加速度最大幅值及其对应频率，计算对应频率下的位移幅值，位移幅值=加速度最大幅值/(2×π×加速度最大幅值对应频率)2，将该位移幅值及其对应频率记录到最大振幅及其对应频率数据系列中，以及判断是否完成所有位移数据计算和是否平移q个位移数据，所述q为10~50；
执行控制模块，接收数据处理模块传递的上述最大振幅及其对应频率数据系列，以及筛选该数据系列并从中获得最大的最大振幅所对应的频率，该频率即为“机-土”共振频率。
8.根据权利要求7所述的一种“机-土”共振频率测量控制系统，其特征在于，包括安装在振动轮上的加速度传感器、处理器和控制器；
所述加速度传感器设置在振动轮上用于起振过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号的获取，以及加速度信号的低通滤波和模数转换；
所述处理器用于接收上述加速度数据、进行加速度数据的时频域分析、滤除和筛选加速度幅频数据、计算位移幅值以获得上述最大振幅及其对应频率数据系列；
所述控制器用于接收上述最大振幅及其对应频率数据系列，筛选上述最大振幅及其对应频率数据系列，获取其中最大的振幅值所对应的频率。
9.一种压路机，其特征在于，包括权利要求7或权利要求8所述“机-土”共振频率测量控制系统。
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