智能结构振动实验教学平台的设计与实现

2023-02-20邱瑞康李生权崔荣华张禄进

实验室研究与探索 2023年11期

李娟，邱瑞康，李生权，崔荣华，张禄进

（扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

工程结构如果长期处于大幅度振动，结构本体会因疲劳而出现损坏，降低使用寿命。对于振动的处理方案根据是否需要附加额外的耗能装置，可划分为3种方式：被动控制、半主动控制和主动控制［1-3］。主动振动控制通过采集结构响应的状态（位移／速度／加速度信号），利用控制算法求解控制量，实时驱动执行单元实现对结构振动进行抑制［4］。尤其是面向对控制性能及平滑性等都具有较高要求的复杂板壳结构，主动控制可达到更优的振动抑制效果［5］。随着控制技术，微处理芯片尤其是嵌入式系统的快速发展，主动振动控制技术拥有极为广阔的工程应用前景。学生在结构振动理论与应用的学习过程中，主动振动控制是其中非常关键的知识点。在实际教学场景中，结构主动振动控制由于其相关理论的抽象性与复杂性，多以理论计算与公式推导为主进行讲解，辅以一定的配套教学视频演示，缺少实验分析环节，难以提高学生的创新思维和动手能力［6-7］。

本文设计了一种智能结构振动控制实验教学平台，以交通运输工具中常见的板壳结构为研究对象，采用现场可编程逻辑门阵列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）进行振动数据的采集，利用自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）开展振动实验，平台运用数学建模、振动力学及嵌入式系统开发等技术，可在实际教学过程中，向学生展示振动的模态分析以及不同频率激励对4 面固支薄板的影响，并组织学生以小组为单位，烧录控制算法进行主动振动控制试验。在上述实验环节中，引导学生将课堂所学的理论知识与实际操作相结合，使学生了解振动产生的原因以及在不同频率激励信号作用下4 面固支薄板的振动规律，在此基础上演示如何对振动进行抑制，并鼓励学生设计和改进适用的控制算法，达到改善控制系统性能的效果，满足当代大学生对于结构振动的学习、竞赛和科创需求。

1 实验平台结构设计与实现

实验平台搭建的目的是模拟汽车外壳、飞机蒙皮等工程结构在受到外界干扰作用下的振动形态，并对结构振动进行主动抑制。平台利用FPAG实现振动数据采集和处理，采集精度高，上限可达到30 MHz。将采集的振动信号实时导入示波器中进行显示，向学生展现不同频率和幅值的电压信号激励对4 面固支薄板结构产生的影响，并引导学生对课堂所学的控制理论进行验证，掌握工程实际中抑制振动的方法。

1.1 设计思路

实验平台的搭建应契合实际工程结构，并且实验设计应具备一定的工程应用价值，使学生对结构振动及主动控制的理论知识得到进一步强化。在此基础上，提出相关的设计思路：

（1）在条件允许的情况下，激励面的相对面积越大，对低频信号的表现越出色。

（2）控制执行单元选择适合板壳结构材质的驱动器类型。为保证良好的激励效果，驱动器应该牢固安装在一个干净的轻质平面上［8-9］。

（3）所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理，即采样频率高于或等于有效信号最高频率的2 倍。

（4）激励源的指令信号包含正弦信号、三角信号、扫频信号及其他自定义波形，并可同时给出多个信号进行激振，研究多模态的振动控制。

（5）数据处理系统可实现多种主动控制算法对比研究。

1.2 实验平台具体方案

为满足上述设计需求，实验平台主要由4 面固支薄板结构、支撑架、激振系统、振动控制执行机构、调理电路、数据采集处理及观测系统组成。实验平台实物如图1 所示。

图1 实验平台实物图

实验平台的机架为4 面固支薄板、加速度传感器和驱动执行机构提供位置支撑，由铁质横梁和有机玻璃柜组成。横梁长77 cm，其上设计的H 型卡槽可在固定激振器的同时，使其能够大范围的横向移动，对不同位置进行激励。玻璃柜高85 cm，四周均匀分布了直径为3 mm 的圆孔，便于引线的安置。机架下方有一块高密度的海绵垫作为缓冲，避免振动试验中机架与地面直接接触造成损坏。

为开拓学生思维，丰富实验流程，平台配备了2 套不同的控制执行机构作为对比。可分别选用惯性作动器或压电作动器作为驱动设备，经功率放大后对4 面固支薄板进行振动抑制。2 种不同的驱动设备均粘贴于4 面固支薄板振型应变的最大处，以获得最佳的控制效果［10］。

（1）惯性作动器。选用EX 45 S 惯性作动器，由惯性元件、阻尼元件、弹性元件和电磁感应线圈组成。惯性作动器由电磁驱动，重60 g，最大功率为10 W，额定阻抗为8 Ω。其结构简单，驱动电压小，可紧密贴合至4 面固支薄板上。

（2）压电驱动器。压电驱动器主体是一块尺寸为40 mm×10 mm×1 mm的压电双晶片。相对惯性作动器，它的质量更轻，根据设计需求可切割成不同形状，适合应用于结构振动的传感与控制。

振动信号测量装置由压电式加速度传感器和积分电路组成。加速度传感器采集的是与振动加速度成比例的电压信号，在对位移或者加速度进行分析时，需将信号进行积分处理。处理后的电压信号经功率放大后送至FPGA输入端口。

4 面固支薄板作为振动平台的激励面，以汽车工程、船舶工程和航天航空中常用的弹性板壳结构为原型，尺寸为500 mm×500 mm×1 mm，固定于玻璃柜的顶端。4 面固支薄板正面及背面均贴有惯性作动器和压电驱动器。在实际安装中，需要建立4 面固支薄板的数学模型，并对驱动执行机构的力学模型进行分析，确定具体贴合位置，最大化的发挥驱动性能［10-11］。

在对信号采集处理系统及控制算法所需的硬件资源进行初步估算，选用SparkRoad FPGA板作为Verilog程序搭载平台。FPGA 以EG4SBG256 为核心，具有低功耗、高性能等特点。板卡外设丰富，如图2 所示。

图2 SparkRoad FPGA板

平台集成JTAG 仿真器，拥有丰富的LUT、DSP、BRAM、高速差分I／O 等资源和强大的引脚兼容替换性能，通过USB电缆与计算机进行通信连接。它的资源总量及外置I／O口数目完全满足实验平台需求，搭配外接的A／D、D／A采集卡，振动信号采集频率可达30 MHz［12-13］。

2 数据采集及自抗扰算法控制系统

2.1 上位机选择

实验平台的上位机使用Tang Dynasty软件，如图3所示。使用USB 电缆将FPGA板与计算机连接，可实现FPGA供电、布局、布线、产生数据流文件及下载等功能［14］。FPGA 板内置USB 转TTL 串口功能，通过Verilog代码可实现计算机与开发板的通信，在实验过程中实时的调整控制参数。

图3 Tang Dynasty软件程序编译及烧录界面

2.2 数据采集及处理模块

实验平台的数据采集及处理模块以FPGA板为依托，运用Verilog硬件编程语言进行设计。外接A／D、D／A采集卡，通过USB 电缆与计算机相接，实现程序的烧录。Verilog 语言以文本形式描述数字系统硬件的结构和行为语言，可表示逻辑电路图、逻辑表达式以及数字逻辑系统所完成的逻辑功能。FPGA板中程序主要包括A／D、D／A、PLL 时钟分频、FIFO 中转、电压还原和自抗扰算法等模块，其程序设计框架如图4所示。

图4 FPGA设计原理图

系统使用外接A／D、D／A 采集卡进行模拟信号的采集，其中A／DC 部分使用的是TI 的THS1030 芯片［15］。THS1030 是10 bit并行转换芯片，最高工作频率为30 MHz。D／AC 部分使用10 bit 的THS5651 芯片。D／AC的最高工作时钟为40 MHz，在A／DC和D／AC的数据之间使用一个FIFO模块来缓冲，避免跨时钟产生的数据毛刺。在此基础上设计数据输出选择功能，打开SW1开关将A／ D端口采样的数值直接送至D／A输出，可观测4 面固支薄板的振动信号。打开SW2开关将经过ADRC算法的控制量送至D／A端口，作为驱动惯性作动器的控制信号。

电压转换模块的主要功能是将A／D 端口采集的数字信号还原成输入的电压幅值。收集前1 024 个数据，求出平均值，该值对应为0 V电压。判定输入数字信号小于中位值则符号位为负，反之为正。

针对4 面固支薄板中存在的多模态振动的问题，设计一种基于ADRC 和PID控制的复合控制方案，利用扩张状态观测器对系统时延、建模误差以及外部激励扰动等非线性因素扩张为总扰动进行观测，观测结果由PID控制算法提供前馈补偿，抵消误差以及干扰的影响［16］。基本控制方案如图5 所示。在基础实验教学结束后，可引导学生针对实验过程中出现的问题，有针对性的对控制算法进行改进。

图5 ADRC算法模块

3 实验教学与应用

3.1 实验流程设计

实验平台主要由4 面固支薄板和模拟干扰电路组成，信号发生器产生正弦干扰信号通过功率放大器，使激振器模拟轻质结构在受到各阶模态扰动下的振动情况［9］。将加速度计紧贴至四面固支薄板上干扰源附近，振动信号经过加速度传感器采集后转换为电压信号，经过电路调理模块滤除高频杂波，提高控制精度，其实验框架设计如图6 所示。

图6 实验框架设计

经滤波后的信号进入FPGA 板，对振动信号进行实时采集、分析并计算控制量，控制电压信号经过功率放大后送至执行机构，驱动电磁式驱动器进行振动抑制，借助示波器可实时查看控制效果［15-16］。

3.2 教学应用

实际教学活动以小组为单位进行，每小组4 名学生，协同配合完成。实验前，小组成员共同确定实验方案，并选择所使用的驱动器类型：实验中，1 名同学负责使用信号发生器给4 面固支薄板预设振动信号；1名学生负责将FPGA板的A／D、D／A 接口与实验平台连接；1 名学生负责上位机软件的检测与程序烧录；1名同学负责对示波器进行观测。实验后，将示波器的数据导入计算机，小组成员共同处理分析数据，在每名学生都能充分了解和掌握完整的实验操作流程后，完成实验报告。

3.3 实验结果分析

首先验证采集的振动信号是否有误，信号发生器发出的信号通过功率放大后驱动激振器，设定发送50 Hz的正弦信号。打开Tang Dynasty 软件，确认程序编译无误后，在FPGA 板中进行烧录。烧录成功后将SW1打开，此时A／D 端口采集的信号经FIFO 模块后送至D／A端口输出，将示波器通道1 连接至D／A 端口进行观测，通道2 连接至A／D端口。图7 结果表示传感器采集的电压信号与原信号重合无误。

图7 采集信号与原信号对比

设定发送10～1 000 Hz的正弦扫频信号，采集振动信号并作FFT。如图8 所示，4 面固支薄板的一阶共振频率为48.82 Hz，二阶共振频率为107.8 Hz。

图8 10～1 000 Hz扫频信号

在4 面固支薄板的一阶共振频率下，使用惯性作动器对其进行主动振动控制。设定信号发生器发送一个48.82 Hz的正弦信号，对振动信号进行采集，打开SW2开关后，A／D 端口采集的信号经过ADRC 计算后，控制量由D／A端口输出至惯性作动器，对4 面固支薄板的振动进行抑制。振动控制结果如图9 所示，其表示为使用ADRC控制前后性能对比情况。