王會民，洪 濤，陳家焱，趙佃云

（中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018）

飛行器、艦船、車輛等運(yùn)載工具上的機(jī)械設(shè)備、電子器件在生產(chǎn)、運(yùn)輸、工作和維修時常處于一個復(fù)雜的振動環(huán)境之中。振動帶來的危害不容小覷，在機(jī)械加工領(lǐng)域，振動往往會造成機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損，降低加工精度；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，振動會降低車輛的安全度和舒適度；在航空航天領(lǐng)域，很多火箭發(fā)射失利是由于振動引起的[1]。為保障結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的安全性和可靠性，在其研制過程中需要對其進(jìn)行地面振動環(huán)境模擬試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。這類試驗(yàn)對于指導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高設(shè)備的總體性能等諸多方面具有極為重要的意義，同時也是許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)制性要求[2]。

正弦振動是地面振動環(huán)境模擬試驗(yàn)的重要振動形式，而電動振動臺系統(tǒng)是進(jìn)行正弦振動的主要系統(tǒng)。其中電動振動臺控制系統(tǒng)是整個振動系統(tǒng)的核心[3]。通過分析電動振動臺控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和電氣控制要求，可以通過Modbus-ASCII通信協(xié)議將PLC與變頻器結(jié)合以實(shí)現(xiàn)對電動振動臺體的控制，同時通過LabVIEW的NI OPC通道實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的交互。

1 電動振動臺控制系統(tǒng)總體方案

本次設(shè)計(jì)的電動振動臺系統(tǒng)如圖1所示，它由上位機(jī)、電動振動臺控制系統(tǒng)、電動振動臺體、冷卻系統(tǒng)組成[4]。

圖1 典型電動振動臺系統(tǒng)Fig.1 Typical electric shaker system

上位機(jī)負(fù)責(zé)電動振動臺控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的輸入和振動運(yùn)行情況的顯示；電動振動臺控制系統(tǒng)接收上位機(jī)的輸入?yún)?shù)，對振動臺體進(jìn)行控制，同時將電動振動臺的運(yùn)行情況傳遞給上位機(jī)；電動振動臺體實(shí)際上是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，是一個振動源；由于振動臺在工作的時候，勵磁線圈及驅(qū)動線圈中都通有很大的電流，因此會產(chǎn)生大量的熱量，所以需要冷卻系統(tǒng)對振動臺進(jìn)行降溫冷卻。電動振動臺控制系統(tǒng)是整個電動振動臺系統(tǒng)的核心。根據(jù)電動振動臺控制系統(tǒng)需產(chǎn)生正弦變化電流的原理，可以選用PLC控制變頻器的方案實(shí)現(xiàn)電動振動臺控制系統(tǒng)的功能。其設(shè)計(jì)方案如圖2所示（這里的PLC為臺達(dá)DVP12SA211T，變頻器為臺達(dá)VFD015B21A，AD轉(zhuǎn)換器為 DVP04AD，DA轉(zhuǎn)換器為 DVP04DA）。

1.1 電動振動臺控制系統(tǒng)硬件

圖2 電動振動臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Electric shaker control system design

電動振動臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用“PLC+計(jì)算機(jī)”的控制方案。計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)主要負(fù)責(zé)上層控制，包括整個系統(tǒng)參數(shù)的輸入與顯示、修改PLC程序、控制操作（人機(jī)交互）界面、數(shù)據(jù)庫等；PLC作為下位機(jī)主要負(fù)責(zé)底層控制，包括變頻器輸出頻率、自動增益放大器的控制、振動方向的選擇等。

下位機(jī)PLC選用臺達(dá)DVP12SA211T，晶體管輸出，24 VDC供電，8輸入/4輸出，提供2軸100 kHz高速脈沖輸出，內(nèi)置1組RS-232與2組RS-485通訊端口（主/從站），兼容標(biāo)準(zhǔn)Modbus ASCII/RTU通訊協(xié)議。上位機(jī)通過串口、采用NI OPC協(xié)議與PLC的RS-232通信端口建立起通信[5]，用以向PLC傳遞上位機(jī)的輸入?yún)?shù)和向上位機(jī)傳遞電動振動臺的運(yùn)行情況，而PLC通過Modbus協(xié)議經(jīng)RS-485總線與變頻器控制產(chǎn)生頻率變化的電流[6]。

1.2 電動振動臺控制系統(tǒng)PLC程序

此PLC程序采用模塊化的編程思想，將整個程序分為若干個子程序模塊，在主程序中對各子程序模塊進(jìn)行組合、調(diào)用。在本系統(tǒng)中，子程序模塊包括系統(tǒng)初始化程序、定頻測試程序、線性掃頻程序、對數(shù)掃頻程序、多階測試程序等。程序流程如圖3所示。

圖3 電動臺振動控制PLC流程Fig.3 Electric shaker control PLC flow chart

2 電動振動臺PLC控制策略研究

電動振動控制系統(tǒng)是以PLC+變頻器的控制模式，配合加速度傳感器、繼電器、自動增益放大器對振動過程進(jìn)行自動控制。這里的PLC有2個作用：一是與變頻器結(jié)合產(chǎn)生電動振動臺驅(qū)動信號；二是PLC通過加速度目標(biāo)值與測量值的比較得到一個控制量，通過這個控制量調(diào)整激勵電流的大小。

2.1 電動振動臺驅(qū)動信號生成算法

電動振動臺驅(qū)動信號產(chǎn)生流程如下，首先在PLC程序里對RS-485通信端口進(jìn)行初始化（設(shè)置端口號、波特率、奇偶檢驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位），然后通過MODED指令來獲取變頻主頻率和MODWR指令來設(shè)置變頻器的主頻率等相關(guān)參數(shù)，從而生成我們需要的頻率恒定、頻率線性變化、頻率對數(shù)變化、頻率多階段變化4種模擬信號。頻率恒定信號、頻率線性變化信號、頻率對數(shù)變化信號和頻率多階段變化信號是 PLC 分別按照式（1）～式（4）產(chǎn)生的。

式中：f0為頻率恒定信號的初始頻率，Hz；f為頻率恒定信號的頻率，Hz。

式中：m為線性掃頻速率，Hz/min；f0為線性掃頻初始頻率，Hz；t為時間，s；f為與 t對應(yīng)的頻率線性變化信號的頻率，Hz。

式中：n為對數(shù)掃頻速率，倍頻程/min；f0為對數(shù)掃頻初始頻率，Hz；t為時間，s；f為與 t對應(yīng)的頻率對數(shù)變化信號的頻率，Hz。

式中：f0為頻率多階段變化信號的初始頻率，Hz；t為時間，s； f1、 f2、 fn為分別與時間段（t1，t2］、（t2，t3］、（tn，tn+1］對應(yīng)的頻率多階段變化信號的頻率，Hz；t1、t2、t3、tn、tn+1為頻率多階段變化信號頻率發(fā)生變化的時間點(diǎn)，s。

同時PLC對此過程進(jìn)行計(jì)時，當(dāng)達(dá)到Z軸或X、Y軸的運(yùn)動時間，將DVP-SA2的2個輸出口相應(yīng)的置1或0來激發(fā)相應(yīng)的繼電器開或關(guān)，從而驅(qū)動電動振動臺體Z軸或X、Y軸運(yùn)動。

2.2 基于模糊PID復(fù)合控制的加速度控制算法

加速度控制是整個電動振動控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。其自動控制原理是PLC根據(jù)不同頻率應(yīng)達(dá)到的加速度的目標(biāo)值與實(shí)際測量值比較后得到一個控制量，再由這個控制量控制自動增益放大器調(diào)節(jié)激勵信號[7]?？刂七^程如圖4所示

圖4 加速度的模糊PID復(fù)合控制原理Fig.4 Acceleration fuzzy-PID composite control principle

圖5 加速度隨頻率的變化曲線Fig.5 Acceleration versus frequency curve

其目標(biāo)加速度隨頻率的變化曲線如圖5所示（圖中橫、縱坐標(biāo)皆為對數(shù)刻度），由圖可知其加速度的變化分為兩部分。第一部分加速度線性變化，第二部分加速度一直穩(wěn)定在某一個值。根據(jù)加速度這樣的變化規(guī)律，提出一種模糊PID復(fù)合控制的加速度控制算法。通過設(shè)置一個開關(guān)量R0即加速度線性變化部分與穩(wěn)定部分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，根據(jù)輸入量所處范圍的不同選擇不同的控制器。當(dāng)輸入量小于R0時，此時加速度變化較快且變化量大，可以利用模糊控制器動態(tài)性好，上升速度快，超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)輸入量大于R0時，此時加速度穩(wěn)定在某一個值，可以利用PID控制器控制精度高、穩(wěn)態(tài)性的優(yōu)點(diǎn)，其控制原理如圖6所示。

其中PID控制器選用的是積分分離式PID控制算法，其控制算法如下：

圖6 模糊PID復(fù)合控制Fig.6 Fuzzy-PID composite control

式中：k 為采樣序號 1，2，3…；u（k）為第 k 次采樣時刻的輸出值；e（k）為實(shí)際測量值的第k次采樣與目標(biāo)設(shè)定值的控制偏差；e（k-1）為實(shí)際測量值的第k-1次采樣與目標(biāo)設(shè)定值的控制偏差；Kp為控制器的比例系數(shù)；α為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)時，α＝1，反之，α＝0；Ki為控制器的積分時間常數(shù)；Kd為控制器的微分時間常數(shù)；T為采樣周期[8]。積分分離式PID控制就是人為設(shè)定一個ε閾值（ε>0），當(dāng)誤差值超過這個閾值ε時，采用PD控制，這樣可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又可以使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)偏差小于閾值ε時，又采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度[9]。

模糊控制器是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把控制規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)專家的控制信息作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中[10]，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)狀況，運(yùn)用模糊控制規(guī)則表中的相關(guān)的規(guī)則進(jìn)行模糊推理的一種控制器，包括模糊化、模糊推理、模糊判決三部分，其中r為系統(tǒng)設(shè)定值精確量；e、ec分別為系統(tǒng)誤差與誤差變化率精確量；E、Ec分別為反映系統(tǒng)誤差與誤差變化的語言變量的模糊集合（模糊量）；u為模糊控制器的輸出的控制作用（精確量）；y為系統(tǒng)輸出（精確量）。

在設(shè)定掃頻模式為線性掃頻，掃頻范圍為6 Hz～32 Hz，掃頻時間間隔為 1 s，掃頻率為 1 Hz/s，掃頻方向?yàn)橄蛏蠏哳l，恒加速度為2g，恒位移為2 mm的情況下，分別采用PID控制算法、模糊控制算法、模糊PID復(fù)合控制算法對電動振動臺進(jìn)行控制，其控制效果如圖7所示（圖中橫、縱坐標(biāo)皆為對數(shù)刻度），PID控制下的加速度值在轉(zhuǎn)折點(diǎn) （即圖中標(biāo)準(zhǔn)加速度值線性變化與穩(wěn)定不變的交接點(diǎn)，以下簡稱轉(zhuǎn)折點(diǎn)）之前與標(biāo)準(zhǔn)加速度值之間的誤差較大，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后與標(biāo)準(zhǔn)加速度值之間的誤差很小，模糊控制下的加速度值在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前與標(biāo)準(zhǔn)加速度值之間的誤差較小，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后與標(biāo)準(zhǔn)加速度值之間的誤差較大，而模糊PID復(fù)合控制則綜合了模糊控制與PID控制的優(yōu)點(diǎn)，其加速度的誤差小于國標(biāo)GB/T13310-2007規(guī)定的±10%的范圍，由此證明將此模糊PID復(fù)合控制運(yùn)用于電動振動臺的加速度控制中是可行的。

圖7 三種不同控制算法的加速度變化Fig.7 Three different control algorithm acceleration changes

3 電動振動臺控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)采用虛擬儀器LabVIEW作為開發(fā)平臺，用其創(chuàng)建電動振動控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。LabVIEW是圖形化的程序語言，它提供了大量與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈等控件，是實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷方式，具有運(yùn)行速度快，調(diào)試和維護(hù)簡單，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)[11-12]。該上位機(jī)主要包括定頻測試、線性掃頻、對數(shù)掃頻、多階測試四個功能模塊組成。每個模塊都包括試驗(yàn)命令設(shè)置區(qū)（用來啟動、暫停、停止試驗(yàn)）、試驗(yàn)狀態(tài)顯示區(qū)（用以試驗(yàn)進(jìn)行過程中一些參數(shù)的實(shí)時顯示）、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū) （用以對試驗(yàn)進(jìn)行前一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置）、圖形顯示區(qū)（用圖形顯示試驗(yàn)運(yùn)行過程中參數(shù)的動態(tài)變化）、特殊功能區(qū)（特殊功能包括返回主界面功能的“關(guān)閉試驗(yàn)”、將試驗(yàn)運(yùn)行過程中的情況保存為圖片的“導(dǎo)出圖片”）如圖8所示。

由于振動系統(tǒng)本身的時變性和環(huán)境的干擾，可能導(dǎo)致加速度測量值與設(shè)定值存在一定的誤差。這里為了表示誤差的大小，在加速度目標(biāo)值的上下±3 dB、±6 dB處設(shè)置了高低報(bào)警譜、高低中斷譜（圖8右上小圖中的4條直線），而彎曲的那條色譜線為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的加速度。為了便于觀察實(shí)際的加速度處于哪種狀態(tài)，圖7左側(cè)創(chuàng)建了5個LED燈表示實(shí)際的加速度處于的狀態(tài)，比如加速度處于高報(bào)警譜與低報(bào)警譜之間，則正常LED燈亮（如圖8所示），再比如實(shí)際的加速度高于高中斷譜，則高中斷LED亮，同時觸發(fā)“試驗(yàn)命令窗口”中的暫停按鈕以防止損壞。

電動振動控制系統(tǒng)的使用步驟如下：

步驟1 首先將要進(jìn)行振動測試的產(chǎn)品用夾具固定在振動臺體上，然后啟動電動振動控制系統(tǒng)；

步驟2 通過電動振動控制系統(tǒng)人機(jī)交互主界面選擇要進(jìn)行的哪種振動試驗(yàn)，進(jìn)入功能界面設(shè)置掃頻的上下限頻率、系統(tǒng)運(yùn)行時間、開始運(yùn)行頻率掃頻率等一系列參數(shù)；

步驟3 按下試驗(yàn)開始按鈕，啟動振動試驗(yàn)，這時系統(tǒng)開始計(jì)時，振動臺體與測試產(chǎn)品開始振動；

步驟4 當(dāng)加速度測量值與目標(biāo)設(shè)定值相差較大時，PLC通過計(jì)算差值得到一個控制量來調(diào)整自動增益放大器的輸出，從而使測量值與目標(biāo)值保持一致；

步驟5 在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，可隨時暫停、繼續(xù)、停止試驗(yàn)，另外當(dāng)系統(tǒng)計(jì)時達(dá)設(shè)定時間后，系統(tǒng)也會自動停止試驗(yàn)；

步驟6 試驗(yàn)進(jìn)行完以后，可點(diǎn)擊特殊功能區(qū)中的“導(dǎo)出圖片”按鈕，將試驗(yàn)情況保存下來。

圖8 功能界面Fig.8 Functional interface

4 結(jié)語

本文利用PLC與變頻器成功實(shí)現(xiàn)了對電動振動臺體的控制，同時借助LabVIEW這個強(qiáng)大的開發(fā)平臺，創(chuàng)建了友好的人機(jī)交互界面。本電動振動臺PLC控制系統(tǒng)在投入運(yùn)用中運(yùn)行良好，可靠性高，操作和維護(hù)方便，滿足了對產(chǎn)品進(jìn)行地面振動環(huán)境模擬試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)的要求。本控制系統(tǒng)也可以改造應(yīng)用于控制機(jī)械振動臺和液壓振動臺，具有較高的推廣和使用價值。

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