智能結構振動實驗教學平臺的設計與實現

李 娟，邱瑞康，李生權，崔榮華，張祿進

（揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇揚州 225127）

0 引言

工程結構如果長期處于大幅度振動，結構本體會因疲勞而出現損壞，降低使用壽命。對于振動的處理方案根據是否需要附加額外的耗能裝置，可劃分為3種方式：被動控制、半主動控制和主動控制［1-3］。主動振動控制通過采集結構響應的狀態(tài)（位移／速度／加速度信號），利用控制算法求解控制量，實時驅動執(zhí)行單元實現對結構振動進行抑制［4］。尤其是面向對控制性能及平滑性等都具有較高要求的復雜板殼結構，主動控制可達到更優(yōu)的振動抑制效果［5］。隨著控制技術，微處理芯片尤其是嵌入式系統的快速發(fā)展，主動振動控制技術擁有極為廣闊的工程應用前景。學生在結構振動理論與應用的學習過程中，主動振動控制是其中非常關鍵的知識點。在實際教學場景中，結構主動振動控制由于其相關理論的抽象性與復雜性，多以理論計算與公式推導為主進行講解，輔以一定的配套教學視頻演示，缺少實驗分析環(huán)節(jié)，難以提高學生的創(chuàng)新思維和動手能力［6-7］。

本文設計了一種智能結構振動控制實驗教學平臺，以交通運輸工具中常見的板殼結構為研究對象，采用現場可編程邏輯門陣列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）進行振動數據的采集，利用自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）開展振動實驗，平臺運用數學建模、振動力學及嵌入式系統開發(fā)等技術，可在實際教學過程中，向學生展示振動的模態(tài)分析以及不同頻率激勵對4 面固支薄板的影響，并組織學生以小組為單位，燒錄控制算法進行主動振動控制試驗。在上述實驗環(huán)節(jié)中，引導學生將課堂所學的理論知識與實際操作相結合，使學生了解振動產生的原因以及在不同頻率激勵信號作用下4 面固支薄板的振動規(guī)律，在此基礎上演示如何對振動進行抑制，并鼓勵學生設計和改進適用的控制算法，達到改善控制系統性能的效果，滿足當代大學生對于結構振動的學習、競賽和科創(chuàng)需求。

1 實驗平臺結構設計與實現

實驗平臺搭建的目的是模擬汽車外殼、飛機蒙皮等工程結構在受到外界干擾作用下的振動形態(tài)，并對結構振動進行主動抑制。平臺利用FPAG實現振動數據采集和處理，采集精度高，上限可達到30 MHz。將采集的振動信號實時導入示波器中進行顯示，向學生展現不同頻率和幅值的電壓信號激勵對4 面固支薄板結構產生的影響，并引導學生對課堂所學的控制理論進行驗證，掌握工程實際中抑制振動的方法。

1.1 設計思路

實驗平臺的搭建應契合實際工程結構，并且實驗設計應具備一定的工程應用價值，使學生對結構振動及主動控制的理論知識得到進一步強化。在此基礎上，提出相關的設計思路：

（1）在條件允許的情況下，激勵面的相對面積越大，對低頻信號的表現越出色。

（2）控制執(zhí)行單元選擇適合板殼結構材質的驅動器類型。為保證良好的激勵效果，驅動器應該牢固安裝在一個干凈的輕質平面上［8-9］。

（3）所有工作狀態(tài)下振動信號采集均應符合采樣定理，即采樣頻率高于或等于有效信號最高頻率的2 倍。

（4）激勵源的指令信號包含正弦信號、三角信號、掃頻信號及其他自定義波形，并可同時給出多個信號進行激振，研究多模態(tài)的振動控制。

（5）數據處理系統可實現多種主動控制算法對比研究。

1.2 實驗平臺具體方案

為滿足上述設計需求，實驗平臺主要由4 面固支薄板結構、支撐架、激振系統、振動控制執(zhí)行機構、調理電路、數據采集處理及觀測系統組成。實驗平臺實物如圖1 所示。

圖1 實驗平臺實物圖

實驗平臺的機架為4 面固支薄板、加速度傳感器和驅動執(zhí)行機構提供位置支撐，由鐵質橫梁和有機玻璃柜組成。橫梁長77 cm，其上設計的H 型卡槽可在固定激振器的同時，使其能夠大范圍的橫向移動，對不同位置進行激勵。玻璃柜高85 cm，四周均勻分布了直徑為3 mm 的圓孔，便于引線的安置。機架下方有一塊高密度的海綿墊作為緩沖，避免振動試驗中機架與地面直接接觸造成損壞。

為開拓學生思維，豐富實驗流程，平臺配備了2 套不同的控制執(zhí)行機構作為對比?？煞謩e選用慣性作動器或壓電作動器作為驅動設備，經功率放大后對4 面固支薄板進行振動抑制。2 種不同的驅動設備均粘貼于4 面固支薄板振型應變的最大處，以獲得最佳的控制效果［10］。

（1）慣性作動器。選用EX 45 S 慣性作動器，由慣性元件、阻尼元件、彈性元件和電磁感應線圈組成。慣性作動器由電磁驅動，重60 g，最大功率為10 W，額定阻抗為8 Ω。其結構簡單，驅動電壓小，可緊密貼合至4 面固支薄板上。

（2）壓電驅動器。壓電驅動器主體是一塊尺寸為40 mm×10 mm×1 mm的壓電雙晶片。相對慣性作動器，它的質量更輕，根據設計需求可切割成不同形狀，適合應用于結構振動的傳感與控制。

振動信號測量裝置由壓電式加速度傳感器和積分電路組成。加速度傳感器采集的是與振動加速度成比例的電壓信號，在對位移或者加速度進行分析時，需將信號進行積分處理。處理后的電壓信號經功率放大后送至FPGA輸入端口。

4 面固支薄板作為振動平臺的激勵面，以汽車工程、船舶工程和航天航空中常用的彈性板殼結構為原型，尺寸為500 mm×500 mm×1 mm，固定于玻璃柜的頂端。4 面固支薄板正面及背面均貼有慣性作動器和壓電驅動器。在實際安裝中，需要建立4 面固支薄板的數學模型，并對驅動執(zhí)行機構的力學模型進行分析，確定具體貼合位置，最大化的發(fā)揮驅動性能［10-11］。

在對信號采集處理系統及控制算法所需的硬件資源進行初步估算，選用SparkRoad FPGA板作為Verilog程序搭載平臺。FPGA 以EG4SBG256 為核心，具有低功耗、高性能等特點。板卡外設豐富，如圖2 所示。

圖2 SparkRoad FPGA板

平臺集成JTAG 仿真器，擁有豐富的LUT、DSP、BRAM、高速差分I／O 等資源和強大的引腳兼容替換性能，通過USB電纜與計算機進行通信連接。它的資源總量及外置I／O口數目完全滿足實驗平臺需求，搭配外接的A／D、D／A采集卡，振動信號采集頻率可達30 MHz［12-13］。

2 數據采集及自抗擾算法控制系統

2.1 上位機選擇

實驗平臺的上位機使用Tang Dynasty軟件，如圖3所示。使用USB 電纜將FPGA板與計算機連接，可實現FPGA供電、布局、布線、產生數據流文件及下載等功能［14］。FPGA 板內置USB 轉TTL 串口功能，通過Verilog代碼可實現計算機與開發(fā)板的通信，在實驗過程中實時的調整控制參數。

圖3 Tang Dynasty軟件程序編譯及燒錄界面

2.2 數據采集及處理模塊

實驗平臺的數據采集及處理模塊以FPGA板為依托，運用Verilog硬件編程語言進行設計。外接A／D、D／A采集卡，通過USB 電纜與計算機相接，實現程序的燒錄。Verilog 語言以文本形式描述數字系統硬件的結構和行為語言，可表示邏輯電路圖、邏輯表達式以及數字邏輯系統所完成的邏輯功能。FPGA板中程序主要包括A／D、D／A、PLL 時鐘分頻、FIFO 中轉、電壓還原和自抗擾算法等模塊，其程序設計框架如圖4所示。

圖4 FPGA設計原理圖

系統使用外接A／D、D／A 采集卡進行模擬信號的采集，其中A／DC 部分使用的是TI 的THS1030 芯片［15］。THS1030 是10 bit并行轉換芯片，最高工作頻率為30 MHz。D／AC 部分使用10 bit 的THS5651 芯片。D／AC的最高工作時鐘為40 MHz，在A／DC和D／AC的數據之間使用一個FIFO模塊來緩沖，避免跨時鐘產生的數據毛刺。在此基礎上設計數據輸出選擇功能，打開SW1開關將A／ D端口采樣的數值直接送至D／A輸出，可觀測4 面固支薄板的振動信號。打開SW2開關將經過ADRC算法的控制量送至D／A端口，作為驅動慣性作動器的控制信號。

電壓轉換模塊的主要功能是將A／D 端口采集的數字信號還原成輸入的電壓幅值。收集前1 024 個數據，求出平均值，該值對應為0 V電壓。判定輸入數字信號小于中位值則符號位為負，反之為正。

針對4 面固支薄板中存在的多模態(tài)振動的問題，設計一種基于ADRC 和PID控制的復合控制方案，利用擴張狀態(tài)觀測器對系統時延、建模誤差以及外部激勵擾動等非線性因素擴張為總擾動進行觀測，觀測結果由PID控制算法提供前饋補償，抵消誤差以及干擾的影響［16］?；究刂品桨溉鐖D5 所示。在基礎實驗教學結束后，可引導學生針對實驗過程中出現的問題，有針對性的對控制算法進行改進。

圖5 ADRC算法模塊

3 實驗教學與應用

3.1 實驗流程設計

實驗平臺主要由4 面固支薄板和模擬干擾電路組成，信號發(fā)生器產生正弦干擾信號通過功率放大器，使激振器模擬輕質結構在受到各階模態(tài)擾動下的振動情況［9］。將加速度計緊貼至四面固支薄板上干擾源附近，振動信號經過加速度傳感器采集后轉換為電壓信號，經過電路調理模塊濾除高頻雜波，提高控制精度，其實驗框架設計如圖6 所示。

圖6 實驗框架設計

經濾波后的信號進入FPGA 板，對振動信號進行實時采集、分析并計算控制量，控制電壓信號經過功率放大后送至執(zhí)行機構，驅動電磁式驅動器進行振動抑制，借助示波器可實時查看控制效果［15-16］。

3.2 教學應用

實際教學活動以小組為單位進行，每小組4 名學生，協同配合完成。實驗前，小組成員共同確定實驗方案，并選擇所使用的驅動器類型：實驗中，1 名同學負責使用信號發(fā)生器給4 面固支薄板預設振動信號；1名學生負責將FPGA板的A／D、D／A 接口與實驗平臺連接；1 名學生負責上位機軟件的檢測與程序燒錄；1名同學負責對示波器進行觀測。實驗后，將示波器的數據導入計算機，小組成員共同處理分析數據，在每名學生都能充分了解和掌握完整的實驗操作流程后，完成實驗報告。

3.3 實驗結果分析

首先驗證采集的振動信號是否有誤，信號發(fā)生器發(fā)出的信號通過功率放大后驅動激振器，設定發(fā)送50 Hz的正弦信號。打開Tang Dynasty 軟件，確認程序編譯無誤后，在FPGA 板中進行燒錄。燒錄成功后將SW1打開，此時A／D 端口采集的信號經FIFO 模塊后送至D／A端口輸出，將示波器通道1 連接至D／A 端口進行觀測，通道2 連接至A／D端口。圖7 結果表示傳感器采集的電壓信號與原信號重合無誤。

圖7 采集信號與原信號對比

設定發(fā)送10～1 000 Hz的正弦掃頻信號，采集振動信號并作FFT。如圖8 所示，4 面固支薄板的一階共振頻率為48.82 Hz，二階共振頻率為107.8 Hz。

圖8 10～1 000 Hz掃頻信號

在4 面固支薄板的一階共振頻率下，使用慣性作動器對其進行主動振動控制。設定信號發(fā)生器發(fā)送一個48.82 Hz的正弦信號，對振動信號進行采集，打開SW2開關后，A／D 端口采集的信號經過ADRC 計算后，控制量由D／A端口輸出至慣性作動器，對4 面固支薄板的振動進行抑制。振動控制結果如圖9 所示，其表示為使用ADRC控制前后性能對比情況。

圖9 ADRC控制算法處理前后對比

振動控制實驗結束，將示波器中保存的數據導入計算機，實驗小組成員分別對振動控制前后的信號進行FFT。如圖10 所示，在一階共振頻率附近，振動幅值消減明顯，實驗取得了良好的控制效果。

圖10 算法控制前后振幅FFT結果

4 結語

本文綜合運用了結構力學、ADRC、FPGA 等理論和技術，搭建了一種電磁驅動式智能結構振動教學平臺。脫離了抽象的純理論教學，將結構振動的重要知識點在實驗操作中一一體現。實驗平臺中4 面固支薄板所使用的板殼結構，在實際工程領域應用極為廣泛，振動主動控制也極具工業(yè)發(fā)展前景。

實驗平臺采用模塊化設計，實驗內容靈活多變，可引導學生從被動學習振動控制理念向主動設計更為優(yōu)越的控制算法方向的轉變。靈活的模塊組成與通信接口設計，使得后期對于無線數據的采集及傳輸，上位機數據管理等其他擴展功能的開發(fā)成為可能，且設備可隨教學需求的提高而不斷優(yōu)化。