专利名称：一种多节点网络振动抑制装置及振动抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于抑制大型柔性结构的多节点网络振动抑制装置及振动抑制方法。
背景技术：
大型柔性结构在工程中有广泛的应用，例如卫星天线，悬索桥等。为了使大型柔性结构在扰动激励下振动得到抑制，并且保持其几何形状(特别是卫星天线)，就需要采取一些控制方法。现有方法通常采取一个主要控制点来单纯局部抑制整体结构振动，但对于复杂的整个结构，往往一个控制点所到达的控制效果不能满足设计需求。在工作过程中，机械结构主要经历随机振动，但值得指出的是，机械结构振动响应是其固有特性和外部施加载荷的综合反映。当外部载荷的频率与结构的固有频率相等或接近时，会引起结构比较大的共振响应。或当外部载荷所含某一频率的能量比较大时，只要它没有作用在结构振动模态的节点上，也会导致结构产生较大的强迫振动。如果能直接抑制住结构某点的振动响应能量较大的几阶频率成分，就可以得到该点良好的减振效果。
发明内容
本发明的目的是通过对大型柔性结构的分析，将多个传感器和控制器布置在结构的关键点上，提供一种全局-局部联合的多节点网络振动抑制装置及振动抑制方法，使整个结构的减振效果得到显著提高。为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的:一种多节点网络 振动抑制装置，其特征在于，包括一个显示及控制单元，该显示及控制单元通过一个通信总线连接n个节点抑制单元，其中，n ^ 2，每个节点抑制单元的控制输出端通过一个功放和一个振动台连接振动抑制对象的一个节点，该节点通过一个电荷放大器和一个传感器连接该节点抑制单元的数据采集端；所述显示控制单元包括结构振动显示模块、主成份分析模块和有限元分析模块，来自各节点抑制单元的抑制对象各节点的振动响应数据通过通信总线输入至结构振动显示模块、主成份分析模块和有限元分析模块，其中，有限元分析模块分析后输出各节点结构的传递特性估计PQw)，主成份分析模块分析后输出各节点结构的三阶主要频率K，i=l，2，3，通过通信总线发送给各节点抑制单元，结构振动显示模块将各节，点的振动响应数据进行分析并显示；所述节点抑制单元以DSP处理器为核心，通过数据采集模块获得振动抑制对象一个节点的振动响应数据，在可编程逻辑器件PLD的协助下通过信号合成模块来局部控制该节点的振动。上述装置中，所述数据采集模块包括两路，每一路均由一个可编程放大器PGA和一个模数转换器AD构成，其中一路采集振动抑制对象一个节点的结构振动时域响应信号，经DSP转变为频域响应信号Y (eJw);另一路采集来自信号合成模块反馈的频域控制信号U (e>)，作为相位基准，用于计算Y(e>)的相位；所述信号合成模块由三路数字频率合成器DDS和一个加法器构成，三路DDS分别产生Y (eJW)中三个主要振动成分相应的正弦信号，力口法器将这三路信号合成起来作为控制信号U (e>)万输出。所述的通信总线包括usb总线转CAN总线转换器和连接各节点抑制单元的CAN总线。一种振动抑制方法，采用前述的多节点网络振动抑制装置实现，其特征在于，包括下述步骤:(I)全局监视和控制首先,显示及控制单元通过对来自各节点抑制单元对应节点的振动响应数据在有限元分析模块和主成份分析模块中进行分析，分别得到各节点结构的传递特性估计POw)以及三阶主要频率Wii=l，2，3，然后通过通信总线发送给各节点抑制单元；结构振动显示模块将各节点的振动响应数据进行分析并显示，以振动抑制对象整体响应幅值为评价准则，实时调整各节点抑制单元对应节点结构振动的控制；(2)节点抑制单元对应各节点结构振动的控制各节点抑制单元通过数据采集模块接收各自节点结构的振动响应数据，DSP根据显示及控制单元发来的P(jw)和Wi,将该节点结构的振动响应数据转换为频域响应信号Y(e>)，接着根据现有反馈谐频抑制算法或者改进的反馈谐频抑制算法，算出Y (eJw)至少三阶主要正弦成分的幅值和相位，合成频域控制信号U(e>)输出到对应的节点上，同时该U(ejw)万作为相位基准被反馈回数据采集模块，用于计算Y(e>)的相位。上述振动抑制方法中，使用主成份分析模块得到结构响应的三阶主要频率Wi的具体方法是:步骤1:采集t时刻整体结构响应信号Y (t) = [￥1(0，1(0，...，￥1(0]1，其中，1是节点抑制单元的个数乂⑴是第i个节点上结构响应的测量值，i=l，2，...，n ;步骤2:计算自相关矩阵；Cxx=E[YYt] G Rnxn;Y是结构整体响应信号Y(t)的简写形式，Cxx是一个nXn的实数矩阵；步骤3:计算Cxx的特征值入，并按大到小排序，使得:
入 I 人 2 ^...^ 人 i ^...^ 人 II，i_l，2，...n;步骤4:取Cxx最大的前m个特征值构成对角方阵\对应的特征向量构成变换矩阵f，对其进行截断处理，则Cxx可近似分解为特征值方程:
权利要求
1.一种多节点网络振动抑制装置,其特征在于,包括一个显示及控制单元,该显示及控制单元通过一个通信总线连接n个节点抑制单元,其中，n ^ 2,每个节点抑制单元的控制输出端通过一个功放和一个振动台连接振动抑制对象的一个节点，该节点通过一个电荷放大器和一个传感器连接该节点抑制单元的数据采集端；所述显示控制单元包括结构振动显示模块、主成份分析模块和有限元分析模块，来自各节点抑制单元的抑制对象各节点的振动响应数据通过通信总线输入至结构振动显示模块、主成份分析模块和有限元分析模块，其中，有限元分析模块分析后输出各节点结构的传递特性估计PQw)，主成份分析模块分析后输出各节点结构的三阶主要频率Wi，i=l，2，3，通过通信总线发送给各节点抑制单元，结构振动显示模块将各节，点，的振动响应数据进行分析并显示；所述节点抑制单元以DSP处理器为核心，通过数据采集模块获得振动抑制对象一个节点的振动响应数据，在可编程逻辑器件PLD的协助下通过信号合成模块来局部控制该节点的振动。
2.如权利要求1所述的多节点网络振动抑制装置，其特征在于，所述数据采集模块包括两路，每一路均由一个可编程放大器PGA和一个模数转换器AD构成,其中一路米集振动抑制对象一个节点的结构振动时域响应信号，经DSP转变为频域响应信号Y (eJW);另一路采集来自信号合成模块反馈的频域控制信号U (e>)，作为相位基准，用于计算Y (e>)的相位；所述信号合成模块由三路数字频率合成器DDS和一个加法器构成，三路DDS分别产生Y(ejw);中三个主要振动成分相应的正弦信号，加法器将这三路信号合成起来作为控制信号U(eJw)输出。
3.如权利要求1所述的多节点网络振动抑制装置，其特征在于，所述的通信总线包括usb总线转CAN总线转换器和连接各节点抑制单元的CAN总线。
4.一种振动抑制方法，采用权利要求1所述的多节点网络振动抑制装置实现，其特征在于，包括下述步骤: (1)全局监视和控制 首先，显示及控制单元通过对来自各节点抑制单元对应节点的振动响应数据在有限元分析模块和主成份分析模块中进行分析，分别得到各节点结构的传递特性估计'P(Iw)以及三阶主要频率Wi，i = 1，2，3，然后通过通信总线发送给各节点抑制单元；结构振动显示模块将各，节点的振动响应数据进行分析并显示，以振动抑制对象整体响应幅值为评价准则，实时调整各节点抑制单元对应节点结构振动的控制； (2)节点抑制单元对应各节点结构振动的控制 各节点抑制单元通过数据采集模块接收各自节点结构的振动响应数据，DSP根据显示及控制单元发来的P(jW)和Wi，将该节点结构的振动响应数据转换为频域响应信号Y(e>)，接着根据现有反馈谐频抑制算法或者改进的反馈谐频抑制算法，算出Y(e>)至少三阶主要正弦成分的幅值和相位，合成频域控制信号U(e>)输出到对应的节点上，同时该U(e>)作为相位基准被反馈回数据采集模块，用于计算Y(e>)的相位。
5.如权利要求4所述的振动抑制方法，其特征在于，使用主成份分析模块得到结构响应的三阶主要频率Wi的具体方法是: 步骤1:采集t时刻整体结构响应信号Y (t) =点抑制单元的个数乂⑴婢曳是第i个节点上结构响应的测量值，i=l，2，...，n ;步骤2:计算自相关矩阵Cxx=E[YYt] g Rnxn ；Y是结构整体响应信号Y (t)的简写形式，Cxx是一个nXn的实数矩阵； 步骤3:计算Cxx的特征值入，并按大到小排序，使得:入 I 人 2 ^...^ 人 i ^...^ 人 II，i—I 2 ...，n ； 步骤4:取Cxx最大的前m个特征值构成对角方阵人，对应的特征向量构成变换矩阵V，对其进行截断处理，则Cxx可近似分解为特征值方程:Cxx VAVr，前m个主成分的方差贡献率为
6.如权利要求4所述的振动抑制方法，其特征在于，所述改进的反馈谐频抑制算法的表达式为:
全文摘要
本发明公开了一种多节点网络振动抑制装置及振动抑制方法，振动抑制装置包括显示及控制单元、通信总线、多个节点抑制单元，显示及控制单元以pc机为平台，通过通信总线将各结构点传递特性的估计以及控制频率wi发送给各节点抑制单元，实时监控各结构点响应，从而起到全局控制的作用。节点抑制单元以DSP处理器为核心，通过测量某点结构响应Y(ejw)，采用改进的反馈谐频抑制算法，以结构响应Y(ejw)的模最小为评价准则实时迭代计算出控制信号U(ejw)，使某结构点的响应减小，从而起到在局部抑制的作用。
文档编号G05B19/418GK103207600SQ20131007336
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者闫桂荣, 罗景琳, 赵建平, 王成, 赵金伟, 李 浩 申请人:西安交通大学