低频振动台激励系统负反馈控制的研究与应用

针对低频大位移振动激励系统非线性等因素造成输出波形失真度大的问题，对中国计量科学研究院低频垂直向副基准装置分频段采用位移、速度和加速度负反馈控制技术，实现激励系统的闭环控制，改善了低频标准振动台的动态特性，提高了系统抑制外界干扰的能力。给出的开环与闭环状态下传感器的校准数据，证明负反馈技术的应用降低了装置的测量不确定度。

基于机器视觉的低频振动台参数测试方法研究

为保证低频振动台性能参数测量的准确性,降低参数测量的成本和复杂度,提出基于机器视觉的低频振动台参数测试方法。首先,将导轨等效为一个大半径的圆弧,分析特征标志在垂直方向上的位移变化,利用最小二乘法拟合弯曲状况,实现导轨弯曲度的测量。然后,通过运动序列图像感兴趣区域内的亚像素级边缘提取方法实现振动台运动位移的精确测量。最后,利用正弦逼近法拟合振动台的运动位移得到其拟合振幅,进而求解振动台的各项关键性能参数。此外,仅通过一套简单的视觉测量设备即可实现这些参数的高精度测量。与传统测量方法的对比实验结果表明,机器视觉法在添加三种不同负载的情况下得到的弯曲度与传统方法高度近似。对于其他性能参数的测量,机器视觉法在0.01~10Hz范围内也能获得可靠的测量精度与效率。

低频标准振动台系统的相对复合自反馈技术

地震计的校准需低频标准振动台系统产生失真度较低的正弦波,速度反馈广泛用于低频标准振动台系统的失真度降低,然而却会提升整个系统的高频共振峰。为了降低该共振峰,文中提出一种不需要传感器就可以提取振动台加速度信号的技术,并将该信号与速度反馈信号叠加从而降低了该共振峰,然后再通过加大电子阻尼的方法来改善振动台的低频特性。仿真结果表明:加速度反馈可以有效降低整个校准系统的高频共振峰,但反馈量过大会增加低频共振峰,选择合适的参数可以避免低频共振峰的产生。通过加大阻尼进一步降低了振动台的低频下限。最后通过实验验证了复合反馈的作用。为进一步改善电动式振动台的低频失真度,研究低频下限与低频失真度的关系打下一定的基础。

一种小型低频标准振动台的设计

本文介绍了一种低频标准振动台的设计。首先,根据国家标准和测振传感器的使用环境,确定了标准振动台的设计指标;之后,介绍了标准振动台中激振器的设计;根据设计指标,选择了相对速度反馈作为振动台的控制方法,并对该控制方法进行了详细的分析,并进行了仿真计算;最后,对振动台在开环和闭环状态下的幅频特性、失真度进行了测试,结果表明经过合理设计和控制,低频标准振动台低频运动信号质量得到了明显改善,可满足一般低频测振传感器的校准需要。

低频标准振动台系统和振动校准技术研究

校准是保证传感器测量数据准确的前提。低频振动传感器在地震观测、土木水利与建筑工程、机械与运载工程、能源与矿业工程等领域愈来愈获得广泛应用。这些传感器都需要在低频振动标准装置上进行校准,而低频标准振动台是低频振动标准装置的关键设备,低频标准振动台的设计和制造技术通常决定了一个国家低频振动校准的水平。振动台在校准中用于产生标准振动信号,通常情况下是正弦信号,但校准激励信号有从稳态正弦信号向随机信号发展的趋势。目前,低频振动传感器的校准通常是在实验室进行的,但是一些在线监测系统对传感器的现场校准提出了要求。本文重点研究了以下3方面内容:(1)低频标准振动台的控制技术。建立了低频标准振动台的数学模型,并实际设计了一种便携式的低频标准振动台,对设计的低频振动台进行了测试。测试结果表明,该振动台加速度信号可以低至0.5Hz,速度信号可以低至0.1 Hz,能够满足一般低频振动传感器的校准需要,可满足省一级的计量机构、振动传感器生产商以及大量使用低频振动传感器单位的校准需求。(2)对以地震波作为激励信号的校准方法进行了研究。探索了在低频标准振动台上产生地震波的方法,在中国地震局工程力学研究所的低频标准振动台上实现了地震波复现,大部分情况下复现的地震波与原始地震波记录的相关系数可以达到0.95以上。随后以地震波作为校准激励信号,对传感器进行了校准,将校准结果与激光干涉法振动绝对校准方法的校准结果进行了比较,获得了理想的结果。(3)对振动传感器的现场校准方法进行了探讨。虽然以往自标定(校准)方法一直在使用,但并未对系统进行详细的分析研究。本文针对4种类型的内置校准线圈传感器,分别利用自校准方法和激光干涉法振动绝对校准方法进行校准。2种校准方法的校准结果表明,低频段(10Hz以下)结果一致,高频段有偏差。以无源伺服式振动传感器为例,对自校准下的传感器数学关系进行了系统的分析,自校准时的反感应电动势、感抗(自感和互感)是造成这种偏差的原因。本文第一章阐述文章的背景,第二、三、四、五章是文章的主体,对本文重点研究的问题进行了阐述。第六章对未来的工作进行了展望,提出了低频标准振动台的发展方向和实用的现场校准系统实现的方法。

基于遗传算法的低频标准振动台簧片式回复结构优化

为有效提高低频标准振动台簧片式回复结构的柔性导向性能及高频工作稳定性,分析了簧片式电磁振动台工作原理及其机电耦合简化模型,并通过Ansys模态和谐响应分析,得到不同尺寸组合回复簧片结构对振动台模态频率及输出特性的影响规律,结果表明:水平及侧簧片的宽度及厚度尺寸为主要影响因素。基于多目标遗传算法,迭代分析得到满足振动台输出特性要求的水平及侧簧片尺寸最优解,将回复簧片的第2阶扭曲模态频率提升到442.05 Hz,相比最低值提高近一倍,有效扩展了振动台的稳定工作频率范围。

低频线振动台加速度失真非线性补偿控制方法

为了抑制低频线振动台中存在的模型不确定性及外部扰动,基于模糊基函数网络(FBFN)提出了一种自适应重复学习控制方法。利用FBFN逼近低频线振动台的模型不确定性及外部扰动,将对模型不确定性和扰动的辨识问题转化为对FBFN权系数的辨识问题。所提出的控制律由自适应控制和重复学习控制组成。自适应律用来估计FBFN权系数;为了有效地减弱抖振,使用自适应PI控制结构逼近非连续控制。由于非连续控制的界是未知的,利用自适应律估计这个未知的界。重复学习控制用来提高系统对周期性输入信号的跟踪性能。采用Lyapunov理论设计的自适应重复学习控制律保证了低频线振动台的渐近稳定性和位置跟踪性能。仿真结果表明,自适应重复学习控制律改善了系统的跟踪性能和加速度失真度。

超低频标准振动台波形失真度近似解析解

波形失真度是稳态正弦标准振动台计量中影响计量校准精度最主要的因素。本文在国内已有的低频标准振动台研究基础上 ,首次建立了超低频标准振动台的动力学方程 ,并求出了其近似解析解和波形失真度计算公式。通过对波形失真度公式的分析 ,详细讨论了运动阻尼、振幅、激励频率、支承弹簧非线性因素对波形失真度的影响。为今后我国研制超低频标准振动台提供了一些理论指导。

改善低频线振动台加速度失真度的自适应重复学习控制

为了抑制低频线振动台系统中存在的摩擦力、推力波动及死区特性,提出了一种新的自适应重复学习控制方法。利用函数逼近技术将死区不确定性表示成正交基函数的线性组合。所设计的控制律由自适应构件、等效PID构件、重复学习构件组成。自适应构件用于在线估计线性组合中的未知参数及摩擦力数学模型的参数;PID构件用来镇定低频线振动台系统,抑制非周期性扰动;重复学习构件在未知对象模型的情况下抑制周期性推力扰动,并提高对周期性输入信号的跟踪能力。采用Lyapunov理论设计的自适应重复学习控制律保证了闭环系统的渐近稳定性和跟踪性能。仿真结果表明该控制方法提高了低频线振动台的跟踪性能,并改善了加速度失真度。

低频线振动台系统的鲁棒自适应重复学习控制

由于没有传动机构,永磁直线同步电机(PMLSM)作为低频线振动台的驱动部件对扰动和参数不确定性很敏感,摩擦力及纹波推力扰动等非线性因素严重影响了PMLSM的运动精确度。针对上述问题,提出一种鲁棒自适应重复学习控制方法,用于提高低频线振动台系统的精度。所设计的控制律由参数自适应控制、积分滑模控制、重复学习控制组成。参数自适应控制用来估计未知的模型参数并予以补偿;积分滑模控制用来镇定低频线振动台系统,抑制非周期扰动;重复学习控制用来抑制周期性扰动,提高对周期性位置信号的跟踪性能。采用Lyapunov理论设计的鲁棒自适应重复学习控制律能够保证闭环系统的渐近稳定性和位置跟踪性能。仿真结果表明,鲁棒自适应重复学习控制方法明显提高了系统的跟踪性能,改善了加速度失真度。

低频电动振动台的关键技术

简要介绍了低频电动振动台校准系统的结构和工作原理 ,分析了其存在非线性的原因。针对这些因素提出了在整个系统特别是对其核心——低频电动振动台的研制设计过程中应采取的措施、改进的方法和关键技术。

超低频标准振动台非线性运动方程共振/非共振解比较

给出了一类超低频标准振动台非线性运动方程的两种近似解析解——非共振解法和共振解法。通过对其解的组成及方程中系数改变的分析计算 ,可知 ,采用非共振解法 ,在强阻尼的情况下 ,可较好地表达了振幅、相位与频率间的关系 ,且能容易求出解中各次谐波分量值 ,在弱阻尼下 ,则不能全面地反映非线性方程同频多值现象。而共振解法则不管阻尼大小 ,均能较好地反映振幅、相位与频率间的关系 ,缺点是较难求解出各次谐波分量值。通过对两种解析解的比较分析研究 ,为今后设计波形失真度最小的超低频标准振动台结构参数提供了理论依据。

超低频振动实验室设计及应用

根据超低频振动标准装置的研究现状和应用需求,研究和建立了四川省地震局振动标准装置,其频率范围为0.002~160 Hz、振幅为峰-峰0.1 m、承载15 kg、波形失真度优于1%。介绍了超低频振动实验室设计定位与相关参数选择,装置的结构组成以及基础设计。最后对装置的实测,结果表明:装置能够满足四川省地震局对地震计检定的要求。

低频振动位移反馈控制技术的研究

根据电动低频振动台(垂直向)的结构特性,对引起输出波形失真的原因进行分析,提出利用负反馈控制原理可以减小振动台输出波形的失真度,介绍位移反馈控制系统硬件的构建及软件的实现。实验结果表明,采用位移反馈控制技术可有效地改善振动台位移波形的失真度。

低频标准振动台系统和振动校准技术研究

传感器是一种测量装置,它能感受或响应规定的被测量,并按照一定规律转换成可用输出,以满足信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节,没有传感器对原始数据进行精确可靠的测量,就无法真实正确地反映被测量,使得处理结果没有意义。传感器作为测试系统中信息转换的初始环节,其本身的性能将直接影响整个测试系统的可靠性和精度,在测试之前,需要对传感器进行校准,确定其灵敏度和误差范围,最终提高整个测试系统结果的精度和可靠性。基于此,本文主要对低频标准振动台系统和振动校准技术进行分析探讨。

陀螺加速度计在线振动台上的二次项分离方法

陀螺加速度计(PIGA)一般工作在低频、大过载环境下,其二次项误差本身很小。现有的重力场试验不能模拟其真实工作环境,由于激励不足难以精确测量PIGA的二次项。为解决在地面试验中精确测量PIGA的二次项误差系数,利用低频线振动台模拟了PIGA实际工作的低频、大过载环境,提出了一种分离PIGA非线性二次项的测试方法,并通过非线性回归分析理论对标定模型进行显著性检验。得到的模型相关指数R^2趋近于1和残余误差σ为3.935×10^-4。试验结果表明:所提方法可以有效分离PIGA二次项系数,标定的模型拟合效果好、系数辨识精度高。

加速度传感器低频特性及校准方法

很多工程应用领域对加速度传感器的低频特性要求很高。为了得到准确的数据,对加速度传感器低频特性进行正确有效的校准十分必要。本文介绍了几种加速度传感器低频特性校准的方法。

低频线振动台系统的离散重复控制

分析离散重复控制系统的稳定性和位置误差收敛性,在此基础上给出了离散重复控制器参数选择的依据。在离散重复控制器的时滞环节中串联一个超前补偿环节,分析所得的离散重复控制系统对周期性外部信号的跟踪/抑制性能,而且给出超前补偿环节参数选择的依据。并通过低频线振动台验证了其有效性。

低频标准振动台的可计量性设计研究

低频标准振动台是低频振动标准装置的主要组成部分,其计量性能直接影响低频振动校准的测量不确定度,通过开展低频标准振动台的可计量性设计研究,可以提升低频标准振动台计量保障的能力。以低频标准振动台的功能分析为基础,分析定型试验、常规使用和定期计量三个低频标准振动台的典型计量场景,梳理提取横向振动比、加速度谐波失真度、频率示值误差三个关键计量参数,以其相关要求作为可计量性需求,进而开展可计量性设计和验证。针对低频振动传感器在低频校准时失真度较大的问题,提出基于光栅的计量方法,采用可计量性设计方法设计了光栅的计量接口,有效提高失真度计量的便利性和准确性,可为其他检定校准装置的可计量性设计提供借鉴。

低频振动速度反馈控制技术的研究

针对电动振动台在低频运行时加速度波形失真度大的问题进行讨论，介绍速度反馈控制系统的理论基础及硬件的构建。试验结果表明，采用速度反馈控制技术可有效改善振动台低频速度波形失真度及加速度波形失真度。