鄧 婷，嚴(yán) 俠

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

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嵌入式控制器在離心機(jī)上地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用

鄧 婷，嚴(yán) 俠

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

為實(shí)現(xiàn)在離心機(jī)上的高頻高量級(jí)地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)，以工控機(jī)、嵌入式實(shí)時(shí)控制器、FPGA機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集模塊等硬件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一套地震波再現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)；通過(guò)工控機(jī)上的上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)與用戶(hù)交互，根據(jù)設(shè)定的參考地震波形，計(jì)算并輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)給伺服控制系統(tǒng)；同時(shí)利用運(yùn)行于RT上的控制程序以及FPGA底層程序來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)面響應(yīng)加速度的同步采集，其中采集信號(hào)通過(guò)DMA FIFO傳送給RT，可確保數(shù)據(jù)不丟點(diǎn)；控制系統(tǒng)利用同步的響應(yīng)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，在經(jīng)過(guò)幾次驅(qū)動(dòng)修正與誤差計(jì)算的迭代過(guò)程后，最終在離心機(jī)上振動(dòng)臺(tái)面再現(xiàn)出滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的時(shí)域地震波形，振動(dòng)控制的效果和精度滿(mǎn)足系統(tǒng)研制的技術(shù)要求。

離心機(jī);地震模擬;嵌入式;振動(dòng)控制

0 引言

由于常規(guī)振動(dòng)試驗(yàn)不能模擬試件原型所受的應(yīng)力條件，在離心慣性力作用下的離心模型則能夠真實(shí)地模擬原型的應(yīng)力條件，而土的動(dòng)力特性很大程度上取決于它受到的應(yīng)力。采用離心模型能夠更加真實(shí)地模擬地震條件下地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程和機(jī)理，反映試件在實(shí)際應(yīng)力條件下的真實(shí)動(dòng)力響應(yīng)，所以離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)被廣泛應(yīng)用于土木工程、水利建設(shè)、抗震技術(shù)研究等領(lǐng)域。

本文以國(guó)內(nèi)某離心機(jī)上地震模擬振動(dòng)臺(tái)研制項(xiàng)目為研究背景，該設(shè)備主要是對(duì)離心慣性力場(chǎng)作用下的各類(lèi)土工結(jié)構(gòu)縮比模型進(jìn)行地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)，用以研究巖土結(jié)構(gòu)在地震應(yīng)力條件下的動(dòng)力特性以及破壞機(jī)理。與常規(guī)地面振動(dòng)臺(tái)相比，離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)需要克服高離心重力場(chǎng)的作用，往往是通過(guò)集流環(huán)的方式來(lái)獲得能源動(dòng)力控制信號(hào)和臺(tái)面響應(yīng)信號(hào)，但這種地面?zhèn)鬏數(shù)姆绞酱嬖谛盘?hào)受電磁干擾嚴(yán)重，信噪比低，以及因此帶來(lái)的控制精度不佳等問(wèn)題。同時(shí)，在高g值離心場(chǎng)中進(jìn)行地震模擬，其振動(dòng)過(guò)程比實(shí)際快，具體表現(xiàn)為地震波在時(shí)間軸上被等比壓縮，原來(lái)持續(xù)幾十秒的地震數(shù)據(jù)，在離心場(chǎng)下的模擬振動(dòng)時(shí)間可能還不足1秒。因而，加速度環(huán)境下的振動(dòng)試驗(yàn)需要快速、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的信號(hào)采集、傳輸和處理系統(tǒng)。

本文重點(diǎn)研究了嵌入式實(shí)時(shí)控制器以及FPGA在地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用，提出了一種以NI cRIO為核心硬件平臺(tái)的嵌入式振動(dòng)控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方案。將控制器與數(shù)采模塊安裝在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸上，傳感器被固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)面信號(hào)的近端采集，通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)進(jìn)行振動(dòng)控制計(jì)算機(jī)與控制器之間的數(shù)字信號(hào)傳輸。使用該方式進(jìn)行信號(hào)采集、傳輸?shù)男旁氡雀摺⒖煽啃院?、抗干擾能力強(qiáng)，可以達(dá)到更優(yōu)的振動(dòng)控制效果。

1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的組成與工作原理

地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)的目的是在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面或試驗(yàn)產(chǎn)品上再現(xiàn)出滿(mǎn)足規(guī)定的地震波形。為保證波形再現(xiàn)的精度，振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)形式：內(nèi)環(huán)為伺服控制系統(tǒng)，外環(huán)為振動(dòng)控制系統(tǒng)，二者關(guān)系如圖1所示。

圖1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服控制系統(tǒng)的作用是通過(guò)將對(duì)振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)激振器的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制振動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。為提高控制精度，減小系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)與輸入期望信號(hào)的偏差，在伺服控制系統(tǒng)的外環(huán)加入地震波再現(xiàn)控制系統(tǒng)，通過(guò)不斷修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)響應(yīng)與期望的誤差，形成一種真正意義上的閉環(huán)控制[1]。

2 地震波再現(xiàn)控制系統(tǒng)

該振動(dòng)臺(tái)的地震波再現(xiàn)控制系統(tǒng)為數(shù)字信號(hào)控制，采用閉環(huán)加速度控制的方式，通過(guò)安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面兩側(cè)的加速度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，而后進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，再調(diào)節(jié)振動(dòng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制臺(tái)面振動(dòng)波形。本文設(shè)計(jì)研發(fā)的嵌入式振動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于地震波模擬，在良好的內(nèi)環(huán)伺服控制基礎(chǔ)上，利用外環(huán)振動(dòng)控制器進(jìn)行多次的迭代修正，實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)域地震波再現(xiàn)。

地震波再現(xiàn)控制的系統(tǒng)組成如圖2所示，包括加速度傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、嵌入式控制器、上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)控軟件等。

圖2 地震波再現(xiàn)控制系統(tǒng)組成圖

控制系統(tǒng)工作原理：將目標(biāo)參考波形(包括實(shí)測(cè)或人工合成地震波)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)，作為振動(dòng)的目標(biāo)波形，上位機(jī)計(jì)算后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)接收來(lái)自采集模塊的實(shí)測(cè)臺(tái)面響應(yīng)加速度信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的補(bǔ)償與修正，再次發(fā)送更新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和采集響應(yīng)信號(hào)，如此迭代直到產(chǎn)生最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給伺服控制系統(tǒng)，得到滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的振動(dòng)波形。

3 地震波再現(xiàn)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

本文設(shè)計(jì)的地震波再現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件組成包括：數(shù)控計(jì)算機(jī)、嵌入式實(shí)時(shí)控制器NI cRIO-9076、NI C系列模擬輸入模塊9234、信號(hào)連接電纜、加速度信號(hào)調(diào)理模塊，加速度傳感器等。其中cRIO-9076集成了400 MHz的工業(yè)實(shí)時(shí)處理器和LX45 FPGA可用于控制和分析，同時(shí)具有256MB用于嵌入式操作的系統(tǒng)內(nèi)存(DRAM)和512 MB用于數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲(chǔ)器(Storage)，可用于數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)。系統(tǒng)的采集通道采用差分方式；輸入電壓范圍為-5 V～5 V；ADC位數(shù)為24位；單通道最高采樣頻率51.2 kS/s，可滿(mǎn)足在離心場(chǎng)中進(jìn)行壓縮地震波數(shù)據(jù)采集的短時(shí)、高速需求。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

3.2.1 軟件功能

上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能包括：參數(shù)設(shè)置、復(fù)位、參考波形給定、驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整與修正、數(shù)據(jù)發(fā)送、信號(hào)測(cè)量、信號(hào)頻譜分析以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示與打印等功能。系統(tǒng)軟件是通過(guò)LabVIEW 2012和MATLAB R2013b混合編程實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 軟件結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)：底層FPGA程序，HOST程序和上位機(jī)程序，如圖3所示。采用NI公司的RT系統(tǒng)構(gòu)建波形再現(xiàn)控制系統(tǒng)的核心實(shí)時(shí)控制硬件平臺(tái)，全系統(tǒng)采用上、下位機(jī)的工作模式[2-3]。主要任務(wù)劃分：上位機(jī)為任務(wù)管理單元，建立用戶(hù)操作主界面，并完成控制系統(tǒng)主要任務(wù)功能的管理。下位機(jī)主體為實(shí)時(shí)控制器，其核心功能是接受上位機(jī)指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與傳輸，并完成實(shí)時(shí)控制。上、下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成地震波再現(xiàn)控制功能。

圖3 地震波再現(xiàn)控制程序結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 數(shù)控系統(tǒng)工作原理

作為離心機(jī)上地震模擬振動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件，數(shù)控軟件的核心功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)給定目標(biāo)波形的復(fù)現(xiàn)。其中針對(duì)地震波形再現(xiàn)控制的基本原理是基于線(xiàn)性系統(tǒng)理論，采用加速度控制方式：①先根據(jù)參考目標(biāo)波形發(fā)送小量級(jí)的初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并采集臺(tái)面輸出的響應(yīng)；②利用被控系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)估計(jì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)并求逆，根據(jù)參考目標(biāo)波形和系統(tǒng)逆?zhèn)骱玫筋l域驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)傅里葉逆變換計(jì)算出時(shí)域驅(qū)動(dòng)信號(hào)；③發(fā)送驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)并采集響應(yīng)信號(hào)，再計(jì)算目標(biāo)與響應(yīng)信號(hào)之間的誤差，利用系統(tǒng)阻抗和誤差值對(duì)當(dāng)前驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域修正；④然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的更新迭代以及時(shí)域修正等過(guò)程，最終使得系統(tǒng)輸出波形達(dá)到復(fù)現(xiàn)誤差的指標(biāo)要求[4]。

3.2.4 信號(hào)采集

響應(yīng)信號(hào)采集是地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。為了保證振動(dòng)控制的效果和精度，需要嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)采集的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送的同步進(jìn)行，本文采用的實(shí)現(xiàn)方法為：上位機(jī)利用共享變量將配置的試驗(yàn)參數(shù)與控制指令傳遞到下位機(jī)，同時(shí)將下位機(jī)的采集信號(hào)傳送到上位機(jī)用于分析、顯示。下位機(jī)信號(hào)采集、傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：采集模塊開(kāi)始采集信號(hào)的同時(shí)，下位機(jī)配置一定大小的DMA FIFO用于緩存AI模塊采集的實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)，一方面在FPGA程序中控制采集數(shù)據(jù)的循環(huán)寫(xiě)入，另一方面在RT上定時(shí)讀取緩存數(shù)據(jù)并傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)到上位機(jī)的采集信號(hào)傳輸。由于A(yíng)I模塊存在一定的輸入延遲同時(shí)考慮到系統(tǒng)本身的響應(yīng)時(shí)間，每次的數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)發(fā)送過(guò)程均由軟件觸發(fā)同時(shí)開(kāi)始，但采集程序?qū)蠼Y(jié)束，避免響應(yīng)數(shù)據(jù)的漏采集。

在獲取采集的響應(yīng)信號(hào)后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與比較，可以計(jì)算出振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，為更為準(zhǔn)確地進(jìn)行系統(tǒng)傳遞函數(shù)估計(jì)和振動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)支撐。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

為考核和驗(yàn)證系統(tǒng)功能與技術(shù)指標(biāo)，在離心機(jī)上地震模擬振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了地震波振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中在振動(dòng)臺(tái)上安裝1 000 kg模型箱負(fù)載，在離心加速度100 g的條件下，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。本次模擬的目標(biāo)參考波為壓縮后的高頻高量級(jí)汶川地震波，該地震波原始數(shù)據(jù)記錄的波形持續(xù)時(shí)間180 s，在經(jīng)過(guò)時(shí)間軸壓縮100倍后的波形振動(dòng)頻率范圍為20～250 Hz，振動(dòng)加速度峰值為30 g，波形持續(xù)時(shí)間約1.8 s，利用所開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)三次迭代過(guò)程后，振動(dòng)控制的效果如圖4所示，圖中兩條曲線(xiàn)分別為目標(biāo)參考波和實(shí)測(cè)振動(dòng)臺(tái)響應(yīng)波形。采用加速度控制方式，本次試驗(yàn)的時(shí)域面積誤差為2.43%，幅值誤差(RMS)3.62%；地震波形的時(shí)域跟蹤效果良好，滿(mǎn)足了項(xiàng)目研制的技術(shù)要求。

圖4 汶川地震波模擬振動(dòng)試驗(yàn)控制效果

本項(xiàng)目所研制的離心機(jī)上地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)，可用于研究在可控范圍內(nèi)不同地震波對(duì)大壩、橋梁等巖土結(jié)構(gòu)的工況影響與破壞機(jī)理，對(duì)于地震破壞機(jī)理、抗震設(shè)計(jì)計(jì)算、巖土工程地震問(wèn)題等方面具有一定研究意義與應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

地震波再現(xiàn)控制在地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中起到十分關(guān)鍵的作用，為了能夠最大程度模擬真實(shí)振動(dòng)信號(hào)發(fā)生的情況，需要利用系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)地修正控制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本文通過(guò)研究嵌入式實(shí)時(shí)控制器在離心機(jī)上地震模擬振動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用，采用工控機(jī)、cRIO實(shí)時(shí)控制器、FPGA以及數(shù)據(jù)采集模塊等搭建了系統(tǒng)硬件。利用軟件觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的同步采集與發(fā)送，并通過(guò)軟件算法計(jì)算和控制系統(tǒng)的延遲，用于估算更接近真實(shí)的系統(tǒng)特性，實(shí)現(xiàn)離心場(chǎng)下的高精度地震模擬。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該數(shù)控系統(tǒng)的控制精度達(dá)到系統(tǒng)研制的技術(shù)指標(biāo)要求，應(yīng)用效果良好。

[1] 關(guān)廣豐. 液壓驅(qū)動(dòng)六自由度振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[2] 曹旭東, 狄?guī)妥? 許洪波, 等. 基于FPGA技術(shù)的模擬地震信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2006, 14(4):558-560.

[3] 王洪超 ,胡文興 ,邱紅輝,等. cRIO遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置及其應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2011, 12(30):951-952.

[4] 嚴(yán) 俠, 牛寶良, 黎啟勝. 多維波形再現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2007, 26(9):162-164.

Application of Embedded Controller in Vibration Test of Earthquake-simulation on Centrifuge

Deng Ting, Yang Xia

(Institute of Systemic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

To achieve the high-frequency vibration test of earthquake-simulation on the Centrifuge, an earthquake-simulation digital control system was designed. The control system included Industrial Personal Computer (IPC), embedded real-time controller, FPGA chassis, data acquisition module and other hardware. The PC program on IPC computed and output driver data for the servo control system. At the same time, Using the RT control program and FPGA underlying program to realize the collection of vibration acceleration response. The acquisition data transmitted by the DMA FIFO to RT, the data was not lost by this way. The control system computed the vibration system transfer function. Finally, the time domain seismic waveform simulated on the centrifuge vibration table meet the test requirements after a few times of correction and iterative arithmetic. And the vibration control precision also satisfied the technical target of the developed equipment.

centrifuge; earthquake-simulation; embedded controller; vibration control

2015-09-23；

2015-10-30。

鄧 婷(1988-)，女，四川廣安人，助理工程師，碩士，主要從事測(cè)試與控制技術(shù)、環(huán)境試驗(yàn)裝備研制與仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0127-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.034

TP29

A