專利名稱：自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于控制電動式振動臺的振動過程，被控量可為加速度、速度和位移三者之一。采用自適應(yīng)控制方案。
前人設(shè)計的正弦振動壓縮控制器采用模擬控制技術(shù)，如我國西北機器廠生產(chǎn)的模擬式振動控制儀。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，壓縮速度快，可以改變其中壓縮控制器的時間常數(shù)來實現(xiàn)不同的壓縮速度的要求。但其中的壓縮控制器僅采用一階慣性平滑環(huán)節(jié)，所以難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零;另外其中的模擬壓縮器還存在線性度差的缺點;也不能實現(xiàn)更高級的控制方案，難以適應(yīng)振動測試技術(shù)對其發(fā)展的要求。
隨著數(shù)字控制技術(shù)和微處理機技術(shù)的發(fā)展，可以借助功能強、速度快的微處理機或單片機來實現(xiàn)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器，包括采用數(shù)字式壓縮器?？梢圆粌H兼容模擬式壓縮控制器的優(yōu)點，又可克服其缺點。可以保證壓縮器有良好的線性度，易于實現(xiàn)高級算法，易于實現(xiàn)無靜差的控制，為整機系統(tǒng)的計算機管理、數(shù)據(jù)處理和記錄提供了方便。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種數(shù)字式壓縮器的新結(jié)構(gòu)，用以克服現(xiàn)有的模擬式壓縮器的非線性缺點;利用微處理機技術(shù)和自適應(yīng)控制理論，改進(jìn)成自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器，實現(xiàn)對任意振動臺體、任意負(fù)載均有良好的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)和適應(yīng)性;并且壓縮器和壓縮控制器的數(shù)字式結(jié)構(gòu)，能夠便于實現(xiàn)整機系統(tǒng)的計算機管理和控制，修改控制方案也較方便，不需改動硬件電路，也易于實現(xiàn)更加完善的高級算法。
以下結(jié)合附圖對發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行描述。


圖1是數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的原理框圖。
圖2是自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的被控對象部分所屬各單元的框圖。
圖4是自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的控制軟件程序框圖。
圖5是數(shù)字式壓縮器的硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖6是數(shù)字式壓縮器的硬件電路圖。
參照圖1，圖1是改進(jìn)前現(xiàn)有的不具自適應(yīng)能力的數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的原理框圖。圖中〔1〕為振級數(shù)字式設(shè)定單元，可為加速度A(單位為g)、速度V(cm/S)、位移D(mm)三者之一?！?〕為數(shù)字式比較單元?！?〕為數(shù)字式壓縮控制器單元?！?〕為數(shù)字式壓縮器。〔5〕為正弦掃頻信號單元。〔6〕為功率放大器。〔7〕為振動臺?！?〕為加速度計?！?〕為電荷放大器，其輸出為對應(yīng)于振動臺〔7〕的加速度A的電壓信號?！?0〕和〔11〕均為積分器，輸出分別為速度V和位移D。〔12〕為工況A/V/D切換單元?！?3〕為量程選擇單元?！?4〕為峰值檢測單元?！?5〕為有效值檢測單元?！?6〕為平均值檢測單元?！?7〕為檢測電路切換單元?！?8〕為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元。圖1中僅〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔18〕為數(shù)字式部分。其工作過程如下數(shù)字式比較單元〔2〕將數(shù)字式設(shè)定單元〔1〕的設(shè)定值與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元〔18〕的輸出之間的誤差輸出給數(shù)字式壓縮控制器單元〔3〕，得到數(shù)字表示的壓縮控制量，該壓縮控制量送給數(shù)字式壓縮器〔4〕，實現(xiàn)對來自正弦掃頻信號單元〔5〕的正弦掃頻信號VS的幅值壓縮，同時得到一模擬信號，經(jīng)功率放大器〔6〕去激勵振動臺〔7〕。加速度計〔8〕的輸出經(jīng)電荷放大器〔9〕放大后得到加速度A的信號。反饋部分可切換到加速度A、速度V、位移D三者之一的實際值，另外可切換到進(jìn)行峰值、有效值、平均值三者之一的檢測。
參照圖2，圖2是改進(jìn)后的自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的結(jié)構(gòu)框圖。其中〔1〕為振級數(shù)字式設(shè)定單元?！?〕為數(shù)字式比較單元，計算出設(shè)定值G與被控對象〔19〕輸出YS(k)的差值ε0(k)?！?6〕為數(shù)字式比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出為ρ(k)?！?0〕為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的參考模型?！?1〕為放大倍數(shù)可調(diào)單元?！?9〕為被控對象。參照圖3，被控對象〔19〕包括〔4〕、〔5〕、〔6〕、〔7〕、〔8〕、〔9〕、〔10〕、〔11〕、〔12〕、〔13〕、〔14〕、〔15〕、〔16〕、〔17〕、〔18〕。認(rèn)為這被控對象〔19〕為一隨正弦掃頻信號的頻率而變的一階慣性環(huán)節(jié)，所以取參考模型〔20〕為一常量Km。被控對象〔19〕的輸出為YS(k)，送至數(shù)字式比較單元〔2〕與設(shè)定值G比較，同時送至數(shù)字式比較單元〔22〕與參考模型〔20〕的輸出Ym(k)比較得誤差ε(k)?！?3〕為積分自適應(yīng)單元，〔24〕為平方非線性單元?！?5〕為求和器，其輸出決定放大倍數(shù)可調(diào)單元〔21〕的放大倍數(shù)大小。
自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的控制軟件程序框圖如圖4所示。
參照圖5，圖5是本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的數(shù)字式壓縮器的硬件結(jié)構(gòu)圖。由D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕和〔28〕、總線驅(qū)動器〔29〕和運算放大器〔30〕和〔31〕構(gòu)成。數(shù)字式壓縮器〔4〕一方面通過控制線CB接受前級發(fā)出的壓縮控制命令和通過數(shù)據(jù)線DB接受前級發(fā)出的數(shù)字壓縮控制量，另一方面以正弦掃頻信號單元〔5〕產(chǎn)生的正弦恒幅掃頻信號VS作為模擬信號源。數(shù)字式壓縮器〔4〕的工作狀態(tài)完全由前級通過控制線CB進(jìn)行控制。
數(shù)字式壓縮器〔4〕的工作原理如下D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕通過總線驅(qū)動器〔29〕接受前級發(fā)出的數(shù)字壓縮控制量，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕的CS1＝0有效，且允許轉(zhuǎn)換XFER＝0時，該數(shù)字壓縮控制量與正弦掃頻信號VS相乘得到正弦模擬壓縮信號V1。該V1作為D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕的參考電壓，它限制了D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕的最大輸出量不能超過V1。D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕通過接受前級的數(shù)字壓縮控制量和壓縮控制命令，再對V1信號進(jìn)行壓縮。就D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕來講，其等于V1的參考電壓是浮動的，可以根據(jù)總的壓縮量的大小由前級自行決定V1的幅度大小。若取D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕的有效位數(shù)為n1＝4，可取V1＝VS/2m，m取(0，1，2，3，4)作D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕的參考電壓。取D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕的有效位數(shù)為n2＝12時，則該數(shù)字式壓縮器〔4〕最大可實現(xiàn)n＝16位的壓縮范圍。也即D/A轉(zhuǎn)換器〔28〕可以輸出的正弦模擬壓縮信號V2的幅度最大為10伏時，最小可為10/216-1伏，壓縮深度可達(dá)96分貝。
本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的數(shù)字式壓縮器〔4〕與現(xiàn)有的模擬式壓縮器相比其優(yōu)點是可以直接接受數(shù)字壓縮控制量，只要滿足其控制邏輯，可以與任意型號的微處理芯片相連使用。其線性度取決于D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕、〔28〕的線性度，一般最大非線性值為 1/2 LSB，失調(diào)電壓為零。本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器的自適應(yīng)控制方案的優(yōu)點是對任意控制參數(shù)，甚至整個控制方案的改動，只需改動軟件即可實現(xiàn)，并且易于實現(xiàn)高級算法，這是模擬式控制方案所無法做到的。本發(fā)明的自適應(yīng)控制方案中的積分自適應(yīng)單元〔23〕和平方非線性單元〔24〕的調(diào)節(jié)作用，可以消除參考模型〔20〕的輸出與被控對象〔19〕輸出之間的誤差，從而使被控對象〔19〕對前向通道中數(shù)字式比例積分調(diào)節(jié)器〔26〕而言為一基本恒定的放大倍數(shù)Km，解決了正弦振動壓縮控制器對任意振動臺體、任意負(fù)載的適應(yīng)性問題。積分自適應(yīng)單元〔23〕和平方非線性單元〔24〕還保證了整機系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)。另外前向通道中的數(shù)字式比例積分調(diào)節(jié)器〔26〕的積分作用可以實現(xiàn)整機系統(tǒng)的無靜差控制。
本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字式壓縮控制器可以通過任意CPU芯片來實現(xiàn)，如INTEL8086CPU、Z80-CPU和8096單片機等。
圖4是作為實施例的采用INTEL8086CPU作為中心處理單元時的控制軟件程序框圖。采樣時間T。由8253設(shè)定為定時器工作方式時，定時T
＝5ms，即每5ms采樣、控制一次。其中各控制參數(shù)的典型值為a＝0.0060，b＝0.0030(a、b為十進(jìn)制數(shù))，α＝β＝0.040×2F1(浮點表示)。
圖6是作為實施例的數(shù)字式壓縮器〔4〕硬件電路圖。當(dāng)CS＝0有效時，來自INTEL8086CPU的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字量D15～D5通過總線驅(qū)動器74LS125、74LS245送到兩個D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210的數(shù)據(jù)輸入端。當(dāng)CS1＝0時，實現(xiàn)第一級的壓縮，為第二級壓縮提供參考電壓V1，當(dāng)CS2＝0時，實現(xiàn)第二級的壓縮。這里限定D15、D14、D13、D12的取值為(1111)、(0111)、(0011)、(0001)、(0000)共五擋，相應(yīng)的第一級壓縮后輸出為-VS、- 1/2 VS、- 1/4 VS、- 1/3 VS、- 1/16 VS，CS＝CS1·CS2，第二級壓縮后輸出V2＝-D·V1/4096，其中D為D11～D3數(shù)字碼。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器，其中包括振級數(shù)字式設(shè)定單元[1]、數(shù)字式比較單元[2]、數(shù)字式壓縮器[4]、正弦掃頻信號單元[5]、功率放大器[6]、振動臺[7]、加速度計[8]、電荷放大器[9]、積分器[10]和[11]、工況A/V/D切換單元[12]、量程選擇單元[13]、峰值檢測單元[14]、有效值檢測單元[15]、平均值檢測單元[16]、檢測電路切換單元[17]、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元[18]，其特征在于由數(shù)字式壓縮器[4]、正弦掃頻信號單元[5]、功率放大器[6]、振動臺[7]、加速度計[8]、電荷放大器[9]、積分器[10]和[11]、工況A/V/D切換單元[12]、量程選擇單元[13]、峰值檢測單元[14]、有效值檢測單元[15]、平均值檢測單元[16]、檢測電路切換單元[17]、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元[18]組成被控對象[19]，具有取為常量Km的參考模型[20]、放大倍數(shù)可調(diào)單元[21]、數(shù)字式比較單元[22]、積分自適應(yīng)單元[23]、平方非線性單元[24]、求和器[25]和數(shù)字式比例積分調(diào)節(jié)器[26]。
2.按權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器，其特征是被控對象〔19〕中的數(shù)字式壓縮器〔4〕由D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕和〔28〕、總線驅(qū)動器〔29〕、運算放大器〔30〕和〔31〕組成，在D/A轉(zhuǎn)換器〔27〕的VREF1處輸入正弦掃頻信號VS。
全文摘要
本發(fā)明公開一種自適應(yīng)數(shù)字式正弦振動壓縮控制器，屬非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于控制電動式振動臺的正弦振動過程，被控量可為加速度、速度和位移三者之一。采用微處理機技術(shù)和自適應(yīng)控制方案，實現(xiàn)對任意振動臺體、任意負(fù)載均有良好的適應(yīng)性和動態(tài)品質(zhì)，具有修改控制方案方便、不需改動硬件電路、易于實現(xiàn)高級算法等優(yōu)點。
文檔編號G05D19/02GK1039908SQ8810458
公開日1990年2月21日 申請日期1988年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月28日
發(fā)明者陳輝堂, 張書明, 呂榮霞, 尹征琦, 李英輝 申請人:西安交通大學(xué)