结构的节点振动控制方法、振动控制器及其应用

摘要

本发明公开了一种结构的节点振动控制方法、振动控制器及其应用，采用一个以DSP处理器为核心的振动控制器，通过该控制器中的数据采集模块接收某一个节点结构的振动响应数据，并根据显示及控制单元分析后输出该节点结构的

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构局部节点振动控制方法、振动控制器以及在大型柔 性结构的多节点网络振动抑制系统中的应用。

背景技术

大型柔性结构在工程中有广泛的应用，例如卫星天线，悬索桥等。为了 使大型柔性结构在扰动激励下振动得到抑制，并且保持其几何形状（特别是 卫星天线），就需要采取一些控制方法。现有方法通常采取一个主要控制点来 单纯局部抑制整体结构振动，但对于复杂的整个结构，往往一个控制点所到 达的控制效果不能满足设计需求。

在工作过程中，机械结构主要经历随机振动，但值得指出的是，机械结 构振动响应是其固有特性和外部施加载荷的综合反映。当外部载荷的频率与 结构的固有频率相等或接近时，会引起结构比较大的共振响应。或当外部载 荷所含某一频率的能量比较大时，只要它没有作用在结构振动模态的节点上， 也会导致结构产生较大的强迫振动。如果能直接抑制住结构某点的振动响应 能量较大的几阶频率成分，就可以得到该点良好的减振效果。现有的反馈谐 波抑制算法（feedback harmonic cancellation，FHC）（Veres,S.,Adaptive harmonic  control.International Journal of Control,2001.74(12):p.1219‐1225.）存在的问题是迭代系数μ是一 个定值，在迭代过程中结构响应收敛速度慢甚至发生振荡现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构局部节点振动控制方法，该方法通过提出 一种变化迭代系数μ的策略，改进了反馈谐频抑制算法，提高了结构响应收 敛速度，避免了振荡现象，进一步降低每一个节点结构上的振动响应。

本发明的另一目的是提供一种节点振动控制器，通过对大型柔性结构的 分析，将多个传感器和基于改进的反馈谐频抑制算法的节点控制器布置在结 构的关键点上，提供一种全局-局部联合的多节点网络振动抑制系统，可使整 个结构的减振效果得到显著提高。

为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：

一种结构的节点振动控制方法，其特征在于，采用一个以DSP处理器为 核心的振动控制器，通过该控制器中的数据采集模块接收某一个节点结构的 振动响应数据，并通过DSP传送到一个显示及控制单元，显示及控制单元分 析后输出该节点结构的传递特性估计和三阶主要频率w_i，i＝1，2，3，DSP 根据该和w_i，将该节点结构的振动响应数据转换为频域响应信号 Y(e^jw)，接着根据改进的反馈谐频抑制算法，算出Y（e^jw)豆至少三阶主要正弦 成分的幅值和相位，在可编程逻辑器件PLD的协助下通过信号合成模块合成 频域控制信号U(e^jw)，并输出到该节点上控制其振动，同时该U(e^jw)作为相 位基准被反馈回数据采集模块，用于计算Y(e^jw)的相位；所述改进的反馈谐 频抑制算法的表达式为：

${\mu }_k={\mu }_0\frac{\left|Y_k\right|}{\max \left|Y\right|}$

$U_{k+1}=U_k-2{\mu }_k{P}_k^T{Y}_k$

其中$P^T=\left(\begin{array}{cc}{\hat{P}}_r\left(w_j\right)& {\hat{P}}_i\left(w_j\right)\\ -{\hat{P}}_i\left(w_j\right)& {\hat{P}}_r\left(w_j\right)\end{array}\right)$是该节点结构传递特性估计的矩阵形式， $Y=\left(\begin{array}{c}{Y}_r\left(w_j\right)\\ Y_i\left(w_j\right)\end{array}\right)$是该节点结构频域响应信号Y(e^jw)的向量形式，$U=\left(\begin{array}{c}{U}_r\left(w_j\right)\\ U_i\left(w_j\right)\end{array}\right)$是 控制量的向量形式；下标k表示当前时刻，k+1表示下一时刻；脚标r和i分 别代表实部和虚部；w_j下标j=1，2，3，分别表示三阶频率；迭代系数初值为 max|Y|是结构响应在迭代历程中出现的最大值。

一种采用上述节点振动控制方法的节点振动控制器，其特征在于，包括 一个DSP处理器，该DSP通过16位数据总线和19位地址总线与一个可编程 逻辑器件PLD相连，DSP通过一个数据采集模块获得某节点的振动响应数据， 并上传至外部的一个显示及控制单元，DSP根据显示及控制单元发来的该节点 结构的传递特性估计和三阶主要频率w_i，将该节点结构的振动响应数据 转换为频域响应信号Y（e^jw)，通过改进的反馈谐频抑制算法，算出Y(e^jw)至 少三阶主要正弦成分的幅值和相位，在PLD的协助下通过一个信号合成模块 来局部控制该节点的振动。

所述数据采集模块分两路，每一路均由一个可编程放大器PGA和一个模 数转换器AD构成，其中一路采集某一节点的结构振动时域响应数据，经DSP 转变为频域响应信号Y(e^jw);另一路采集来自信号合成模块反馈的频域控制 信号U(e^jw)，作为相位基准，用于计算Y(e^jw)的相位；所述信号合成模块由 至少三路数字频率合成器DDS和一个加法器构成，三路以上DDS分别产生 Y(e^jw)中三个以上主要振动成分相应的正弦信号，加法器将这三路以上信号 合成起来作为控制信号U(e^jw)输出。

一种前述节点振动控制器的应用，其特征在于，n个节点振动控制器该通 过通信总线连接一个显示及控制单元，其中，n≥3，每个节点振动控制器的 控制输出端通过一个功放和一个振动台连接振动抑制对象的一个节点，该节 点通过一个电荷放大器和一个传感器连接该节点振动控制器的数据采集端； 所述显示控制单元包括结构振动显示模块、主成份分析模块和有限元分析模 块，来自各节点抑制单元的抑制对象各节点的振动响应数据通过通信总线输 入至结构振动显示模块、主成份分析模块和有限元分析模块，其中，有限元 分析模块分析后输出各节点结构的传递特性估计主成份分析模块分析 后输出各节点结构的三阶主要频率w_i，i=1，2，3，，通过通信总线发送给各节 点振动控制器，结构振动显示模块将，各，节点的振动响应数据进行分析并显示， 以振动抑制对象整体响应幅值为评价准则，实时调整各节点振动控制器对应 节点结构振动的控制。

本发明所采用的改进的反馈谐频抑制算法具有对系统参数不敏感，收敛 速度快，收敛过程稳定等优点。节点振动控制器是一高速DSP和PLD为核心 的抑制器，可以快速运算迭代算法，实现某结构点上的实时振动抑制。在具 有结构整体特性信息的基础上可以提高对大型柔性结构的振动抑制效果。

应用本发明节点振动控制器的全局-局部联合的多节点网络振动抑制系 统的优点是，显示及控制单元与若干节点振动控制器通过通信总线连成网络， 在硬件结构上的不同进行了分工。基于PC平台的显示及控制单元具有较强的 运算能力，可以实时监控各点响应，并进行离线的结构分析，为节点振动控 制器提供结构信息。多个节点振动控制器对大型柔性结构的几个关键点进行 振动抑制，起到了在整体上对结构的抑制，达到了单个抑制器无法做到的效 果。由DSP和PLD为核心的节点振动控制器处理速度很快，可以实现实时控 制。该系统可以驱动多种作动器，应该范围较广。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明涉及的全局-局部联合的多节点网络振动抑制系统结构框 图。

图2为图1系统的振动抑制方法一个具体实施例。其中：（a）图为图1 中显示及控制单元的功能结构框图；（b）图为（a）图中主成份分析算法流程 图；（c）图为图1中节点抑制单元（节点振动控制器）与振动抑制对象的数 据流向示意图；（d）图为本发明节点振动抑制算法流程图。

图3为本发明局部振动控制效果图。（a）图是采用反馈谐频抑制方法的 响应收敛过程。（b）图是采用本发明方法的响应收敛过程。

图4为单一控制点与图1系统的整体控制对细长圆柱壳振动抑制的效果 对比图。横坐标是分布在细长圆柱壳上的测试点编号，纵坐标表示各点grms 值。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及的多节点网络振动抑制装置包括一个显示及控 制单元、一根通信总线、n个节点抑制单元（节点振动控制器）和相应n个振 动抑制对象（节点a-1、a-2、…、a-n），n≥2。显示控制单元以pc机为平台， 使用通信总线与各个节点抑制单元（1号-n号）连接，起到对振动抑制对象 全局检测和全局振动抑制的作用。通信总线包括usb总线转CAN总线转换器 和连接各节点抑制单元的CAN总线。

每个节点抑制单元以DSP处理器为核心，可编程逻辑器件PLD通过16位 数据总线和19位地址总线与DSP相连，通过数据采集模块获得振动抑制对象 一个节点的振动响应数据，在PLD的协助下通过信号合成模块来局部控制该 节点的振动。节点抑制单元通过DSP集成的CAN(Controller Area Network)总线 收发器与通信总线相连，CAN总线采用两线制通信，结构简单，采用巧妙设 计的CAN通信协议，使其具有高可靠性和良好的错误检测能力，可以应用于 环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

数据采集模块分为两路，一路由一个可编程放大器PGA-0和一个模数转 换器AD构成，PGA-0的输入端通过一个电荷放大器和一个传感器连接振动抑 制对象的一个节点，采集该点结构的时域响应信号Y(t)和时域控制信号U(t)， 由DSP处理后得到该结构点的频域响应信号Y(e^jw)和频域控制信号U(e^jw); 另一路由一个可编程放大器PGA-1和一个模数转换器AD构成，采集来自信号 合成模块输出的频域控制信号U(e^jw)，PGA可以调节采集信号的量级，控制 变送信号在-10V到+10V之间。AD采用的是高速16位AD转换器，通过16位 数据外部数据总线向DSP发送数据。控制信号U(e^jw)，互作为相位基准，用来计 算响应信号的相位。

信号合成模块由三路直接数字频率合成器DDS和一个加法器构成。三路 DDS分别将;Y(e^jw)中三个主要振动成分相应的正弦信号通过加法器合成，作为 节点控制信号U(e^jw)质通过一个功放和一个振动台输出到该节点。可编程逻辑 器件PLD协助DSP控制和管理外部IC，如PGA，DDS等。PLD与DSP通过16 位外部数据总线和19位外部地址总线协调工作。使用VHDL硬件描述语句， PLD可以编写对外部IC的控制时序，将外部设备映射为寄存器地址给DSP， 减轻其负担，简化了主控芯片对外部IC的控制。

如图2所示，图1系统的振动抑制方法，包括全局监测和节点抑制两部 分：

（1）全局监测和控制。

如图2（a）所示，首先，显示及控制单元通过对来自各节点抑制单元的 抑制对象各节点的振动响应数据在有限元分析模块和主成份分析模块中进行 主成份和有限元分析，分别得到各点上结构传递特性的估计以及结构 响应中三阶主要频率w_i，i=1，2，3，然后通过通信总线发送给各节点抑制单 元；结构振动显示模块将各节点的振动响应数据进行分析并显示，以振动抑 制对象整体响应幅值为评价准则，实时调整各节点抑制单元。

参照图2（b）示，使用主成份分析模块得到结构响应的三阶主要频率 w_i，i=1，2，3的具体方法是：

步骤1：采集t时刻整体结构响应信号Y(t)＝[Y₁(t),Y₂(t),...,Y_i(t)]^T， 其中，i是节点抑制单元的个数；Y_i(t)是第i个节点上结构响应的测量值， i=1，2，...，n;

步骤2：计算自相关矩阵C_XX=E[YY^T]∈R^n×n;Y是结构整体响应信号 Y(t)的简写形式，C_XX是一个n×n的实数矩阵；

步骤3：计算C_XX的特征值λ，并按大到小排序，使得：λ₁≥λ₂≥…≥λ_i≥…≥λ_n， i=1，2，...n;

步骤4：取C_XX最大的前m个特征值构成对角方阵对应的特征向量构 成变换矩阵对其进行截断处理，则C_XX可近似分解为特征值方程： 前m个主成分的方差贡献率为其中，λ_i是按 大到小排序后的第i个特征值，m<n；观测噪声造成的方差截断误差为 当不相关潜变量个数m未知时，设定η的阈值 对m进行截断处理，η≥95%；

步骤5：将前三阶主成份特征值λ_i通过变换阵转换为对应频率 w_i，i=1，2，3。

（2）节点抑制单元的控制。

如图2（c）、（d）所示，首先，DSP接收显示及控制单元发送的和 主成份对应频率w_i，t=1，2,，骂。然后，数据采集模块测量某结构点时域响应信 号Y(t)和时域控制信号U(t)，采样频率选择为2048hz，每帧采集512点；接着 DSP分别对某结构点的Y(t)和U(t)做快速傅立叶变换（FFT）得到结构点的频 域响应信号Y(e^jw)；最后DSP根据本发明改进的反馈谐频抑制算法，算出 Y（e^jw)三阶主要正弦成分的幅值和相位，最后将三阶幅值、相位及主成份对 应的频率w_i发送给三路DDS，合成频域控制信号U(e^jw)输出，同时该U(e^jw)作 为相位基准被反馈回PGA-0（用来计算频域响应信号T(e^jw)的相位）。

其中，本发明改进的反馈谐频抑制算法的表达式为：

${\mu }_k={\mu }_0\frac{\left|Y_k\right|}{\max \left|Y\right|}$

$U_{k+1}=U_k-2{\mu }_k{P}_k^T{Y}_k$

其中$P^T=\left(\begin{array}{cc}{\hat{P}}_r\left(w_j\right)& {\hat{P}}_i\left(w_j\right)\\ -{\hat{P}}_i\left(w_j\right)& {\hat{P}}_r\left(w_j\right)\end{array}\right)$是某点结构传递特性的估计的矩阵形式， $Y=\left(\begin{array}{c}{Y}_r\left(w_j\right)\\ Y_i\left(w_j\right)\end{array}\right)$是某点结构响应Y(e^jw)的向量形式，$U=\left(\begin{array}{c}{U}_r\left(w_j\right)\\ U_i\left(w_j\right)\end{array}\right)$是控制量的向 量形式。μ是迭代系数，随着迭代的进展而变化。迭代系数初值为 max|Y|是结构响应在迭代历程中出现的最大值。下标k表示当 前时刻，k+1表示下一时刻；脚标r和i分别代表实部和虚部；w_j下标j=1， 2，3，分别表示三阶频率。

以下是采用本发明的一个应用例：一个铝合金材料的细长圆柱壳被支撑 起来，在激励振动台的复杂周期激励下振动。位于控制点的加速度传感器将 信号传送给节点控制器（节点抑制单元），节点控制器采用改进反馈谐频抑制 算法输出控制信号，驱动振动台抑制控制点的振动响应。按照有限元分析时 布置的30个点位在细长圆柱壳上布置加速度计，检测实验过程中壳体整体的 响应变化。

如图3所示，对比（a）、（b）两图可以看出，采用本发明提出的改进的 反馈谐频抑制方法的响应收敛过程速度更快，并且没有（a）图中的振荡现象， 抑制效果更好。

如图4所示，斜线纹理标注的柱状图反映的是在14点布置单一节点抑制 器的振动分布情况。实纹理标注的柱状图反映的是采用多节点网络振动抑制 器作用在12点和21点上的振动分布情况。显然采用多节点网络振动抑制器 结构振动整体上得到了大幅度的抑制，比单一节点抑制效果更好。