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（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，缺少實驗分析環節，難以提高學生的創新思維和動手能力［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等技術，可在實際教學過程中，向學生展示振動的模態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。在上述實驗環節中，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，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 套不同的控制執行機構作為對比。可分別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］。基本控制方案如圖5 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，信號發生器發出的信號通過功率放大后驅動激振器，設定發送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。設定信號發生器發送一個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發展前景。

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成為可能，且設備可隨教學需求的提高而不斷優化。