基于LabVIEW的主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

陽學(xué)進(jìn)，張 璨

（武漢輕工大學(xué)，湖北武漢430020）

基于LabVIEW的主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

陽學(xué)進(jìn)，張 璨

（武漢輕工大學(xué)，湖北武漢430020）

以懸臂梁的振動(dòng)控制作為研究對(duì)象，建立了基于LabVIEW的主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)集傳感、檢測(cè)、控制為一體，實(shí)時(shí)采集懸臂梁的振動(dòng)數(shù)據(jù)并予以相應(yīng)的控制信號(hào)。平臺(tái)中的數(shù)據(jù)輸入、輸出、存儲(chǔ)均在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，具有良好的實(shí)時(shí)性，降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本，數(shù)據(jù)的精度與可靠性也大大加強(qiáng)。

主動(dòng)振動(dòng)控制；懸臂梁；LabVIEW；GMA

隨著技術(shù)發(fā)展，柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣，尤其是在精密儀器與儀表領(lǐng)域。而柔性結(jié)構(gòu)具有撓度大、阻尼小的特點(diǎn)。對(duì)于外界微小的振動(dòng)，柔性結(jié)構(gòu)僅依靠振動(dòng)衰減需要較長時(shí)間，直接影響了儀器儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此需要對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行抑制。柔性結(jié)構(gòu)的典型代表是懸臂梁。本文以懸臂梁為被控對(duì)象，通過GMA對(duì)微小振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制，從而驗(yàn)證了文中所采取的主動(dòng)控制方法的有效性。

1 懸臂梁的主動(dòng)控制

目前振動(dòng)控制的類別較多，根據(jù)有無外部能源供給的角度可以分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制[1]。本文中懸臂梁的振動(dòng)控制主要采取主動(dòng)控制的方法。振動(dòng)主動(dòng)控制主要是指根據(jù)傳感器或測(cè)振儀等檢測(cè)到的系統(tǒng)信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)目刂破鬟M(jìn)行計(jì)算、處理，并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給致動(dòng)器，致動(dòng)器根據(jù)所給信號(hào)輸出一定的作用力，并作用于系統(tǒng)，從而達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的振動(dòng)的目的[2]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件組成

主動(dòng)振動(dòng)控制平臺(tái)的硬件主要包括三部分，其分別為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、控制輸出。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主動(dòng)振動(dòng)控制總體結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分主要包括傳感器和數(shù)據(jù)采集卡。由于傳感器輸出的信號(hào)量較小，因此在兩者之間增加電荷放大器。

2.1.1 傳感器

系統(tǒng)主要獲取懸臂梁的振動(dòng)加速度信號(hào)，故選用壓電式加速度傳感器，其型號(hào)為YD36（9021）.傳感器相關(guān)參數(shù)為：電荷靈敏度為9.2 pc/ms2，頻率范圍5 kHz.懸臂梁的振動(dòng)屬于低頻范圍，因而該傳感器能夠準(zhǔn)確采集到相關(guān)參數(shù)。

2.1.2 電荷放大器

電荷放大器主要對(duì)傳感器的輸出電荷信號(hào)進(jìn)行正比例放大，并輸出電荷對(duì)應(yīng)的電壓值，便于數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，系統(tǒng)中所選的電荷放大器型號(hào)為YE5852，靈敏度0.01~1 000 mV/pC，頻率范圍為0.3 Hz~100 kHz.

2.1.3 數(shù)據(jù)采集卡

基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集卡主要分為三類：研華數(shù)據(jù)采集卡、NI數(shù)據(jù)采集卡、第三方數(shù)據(jù)采集卡。平臺(tái)所用的數(shù)據(jù)采集卡為PCI-8333.該數(shù)據(jù)卡具有良好的適應(yīng)性，可應(yīng)用到具有PCI總線插槽的PC，并且能夠即插即用。數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)選擇：采用單端16路模擬信號(hào)輸入端，值的范圍為-5 V ~+5 V；采用2路電流信號(hào)輸出，值的范圍為0~5 V.

2.2 數(shù)據(jù)分析處理部分

數(shù)據(jù)分析處理是對(duì)數(shù)據(jù)采集卡獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，得到期望的參數(shù)值，主要包括速度平均值、懸臂梁振動(dòng)位移、PID控制運(yùn)算。

2.3 控制輸出部分

控制輸出部分的作用是根據(jù)系統(tǒng)的輸出控制信號(hào)，直接作用于懸臂梁一對(duì)應(yīng)的輸出力。該系統(tǒng)中選取的致動(dòng)器為超磁致伸縮致動(dòng)器（GMA）。GMA具有響應(yīng)速度快、應(yīng)變大、驅(qū)動(dòng)電壓低、控制力大的優(yōu)點(diǎn)[3]。超磁致伸縮致動(dòng)器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)可參見參考文獻(xiàn)[4]。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件組成

3.1 編程軟件

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的編程語言為LabVIEW.LabVIEW以圖形化編程語言為基礎(chǔ)，以框圖形式顯示程序，其主要用途主要包括測(cè)試與測(cè)量、過程控制和工業(yè)自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室。

3.2 程序結(jié)構(gòu)

程序控制是振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能包括：數(shù)據(jù)初始化；數(shù)據(jù)獲取及運(yùn)算；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；輸出控制信號(hào)。建立的主動(dòng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)控制程序框圖如圖2所示。其所對(duì)應(yīng)的平臺(tái)界面如圖3所示。

圖2 程序控制框圖

圖3 平臺(tái)界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

懸臂梁的振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)物圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)步驟為：懸臂梁上施加激勵(lì)，其振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過加速度傳感器傳遞到控制平臺(tái)，經(jīng)過程序的運(yùn)算，得到相應(yīng)的輸出控制信號(hào)，其作用于GMA，從而使得懸臂梁受到主動(dòng)控制力的作用，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制。

圖4 振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的框架

在懸臂端施加一隨機(jī)激勵(lì)，通過系統(tǒng)平臺(tái)得到了其自由衰減和振動(dòng)主動(dòng)控制下振動(dòng)衰減的曲線如圖5、圖6所示。

圖5 初始激勵(lì)下懸臂梁自由衰減曲線

圖6 致動(dòng)器作用下懸臂梁振動(dòng)衰減曲線

5 結(jié)束語

本文建立了基于LabVIEW的主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)，分別獲得了隨機(jī)激勵(lì)下懸臂梁的自由衰減和主動(dòng)振動(dòng)控制下的衰減曲線及時(shí)間。后者所需時(shí)間更短，從而驗(yàn)證了主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性。

[1]張春良，梅德慶，陳子辰.振動(dòng)主動(dòng)控制及應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]陽學(xué)進(jìn).考慮磁滯瞬態(tài)損耗的GMA在振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[3]盧全國，陳定方.GMM的發(fā)展現(xiàn)狀及其在精密致動(dòng)器件中的應(yīng)用[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（3）：92-94.

[4]陽學(xué)進(jìn)，鄧思琪.超磁致伸縮致動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，014，29（4）：11-13.

Research on Active Vibration Control Experimental Platform Based on LabVIEW

YANG Xue-Jin，ZHANG Can
（Wuhan Polytechnic University，Wuhan Hubei 430020，China）

The active vibration control experiment platform is established for the cantilever based on LabVIEW. The platform combines sensing，detection and control as a whole.At the same time it has the function of real-time data acquisition and provides the appropriate control signals for the cantilever.Besides，platform’s datas are stored on a computer.The cost of the experimental platform is reduced and the reliability is greatly enhanced.

active vibration control；cantilever；LabVIEW；GMA

TP216

A

1672-545X（2016）11-0102-03

2016-08-01

陽學(xué)進(jìn)（1989-），男，湖北監(jiān)利人，碩士，助教，研究方向?yàn)橹悄芙Y(jié)構(gòu)與器件。