嵌入式控制器在离心机上地震模拟振动试验中的应用

邓 婷，严 侠

(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621900)



嵌入式控制器在离心机上地震模拟振动试验中的应用

邓 婷，严 侠

(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621900)

为实现在离心机上的高频高量级地震模拟振动试验，以工控机、嵌入式实时控制器、FPGA机箱、数据采集模块等硬件为基础设计了一套地震波再现数字控制系统；通过工控机上的上位机程序实现与用户交互，根据设定的参考地震波形，计算并输出驱动数据给伺服控制系统；同时利用运行于RT上的控制程序以及FPGA底层程序来实现振动台面响应加速度的同步采集，其中采集信号通过DMA FIFO传送给RT，可确保数据不丢点；控制系统利用同步的响应与驱动信号进行系统辨识，在经过几次驱动修正与误差计算的迭代过程后，最终在离心机上振动台面再现出满足试验要求的时域地震波形，振动控制的效果和精度满足系统研制的技术要求。

离心机;地震模拟;嵌入式;振动控制

0 引言

由于常规振动试验不能模拟试件原型所受的应力条件，在离心惯性力作用下的离心模型则能够真实地模拟原型的应力条件，而土的动力特性很大程度上取决于它受到的应力。采用离心模型能够更加真实地模拟地震条件下地质灾害的发生过程和机理，反映试件在实际应力条件下的真实动力响应，所以离心机振动台被广泛应用于土木工程、水利建设、抗震技术研究等领域。

本文以国内某离心机上地震模拟振动台研制项目为研究背景，该设备主要是对离心惯性力场作用下的各类土工结构缩比模型进行地震模拟振动试验，用以研究岩土结构在地震应力条件下的动力特性以及破坏机理。与常规地面振动台相比，离心机振动台需要克服高离心重力场的作用，往往是通过集流环的方式来获得能源动力控制信号和台面响应信号，但这种地面传输的方式存在信号受电磁干扰严重，信噪比低，以及因此带来的控制精度不佳等问题。同时，在高g值离心场中进行地震模拟，其振动过程比实际快，具体表现为地震波在时间轴上被等比压缩，原来持续几十秒的地震数据，在离心场下的模拟振动时间可能还不足1秒。因而，加速度环境下的振动试验需要快速、稳定、抗干扰能力强的信号采集、传输和处理系统。

本文重点研究了嵌入式实时控制器以及FPGA在地震模拟振动试验中的应用，提出了一种以NI cRIO为核心硬件平台的嵌入式振动控制系统及其实现方案。将控制器与数采模块安装在离心机旋转主轴上，传感器被固定在振动台台面，实现对台面信号的近端采集，通过无线局域网进行振动控制计算机与控制器之间的数字信号传输。使用该方式进行信号采集、传输的信噪比高、可靠性好、抗干扰能力强，可以达到更优的振动控制效果。

1 地震模拟振动台的组成与工作原理

地震模拟振动试验的目的是在振动台台面或试验产品上再现出满足规定的地震波形。为保证波形再现的精度，振动台的控制系统一般采用双闭环形式：内环为伺服控制系统，外环为振动控制系统，二者关系如图1所示。

图1 地震模拟振动台控制系统结构

伺服控制系统的作用是通过将对振动台的驱动信号转化为对激振器的控制信号来实现控制振动平台的运动。为提高控制精度，减小系统的响应信号与输入期望信号的偏差，在伺服控制系统的外环加入地震波再现控制系统，通过不断修正驱动信号，可进一步减小系统响应与期望的误差，形成一种真正意义上的闭环控制[1]。

2 地震波再现控制系统

该振动台的地震波再现控制系统为数字信号控制，采用闭环加速度控制的方式，通过安装在振动台台面两侧的加速度传感器测量系统的响应信号，而后进行系统辨识，再调节振动参数和驱动信号，从而控制台面振动波形。本文设计研发的嵌入式振动控制系统主要用于地震波模拟，在良好的内环伺服控制基础上，利用外环振动控制器进行多次的迭代修正，实现高精度的时域地震波再现。

地震波再现控制的系统组成如图2所示，包括加速度传感器模块、信号调理放大模块、数据采集模块、嵌入式控制器、上下位机的数据交换网络以及数控软件等。

图2 地震波再现控制系统组成图

控制系统工作原理：将目标参考波形(包括实测或人工合成地震波)导入数控系统，作为振动的目标波形，上位机计算后发出驱动信号的同时接收来自采集模块的实测台面响应加速度信号，经过一定的补偿与修正，再次发送更新的驱动信号和采集响应信号，如此迭代直到产生最优的驱动信号发送给伺服控制系统，得到满足试验要求的振动波形。

3 地震波再现控制系统软硬件设计

3.1 硬件组成

本文设计的地震波再现控制系统的硬件组成包括：数控计算机、嵌入式实时控制器NI cRIO-9076、NI C系列模拟输入模块9234、信号连接电缆、加速度信号调理模块，加速度传感器等。其中cRIO-9076集成了400 MHz的工业实时处理器和LX45 FPGA可用于控制和分析，同时具有256MB用于嵌入式操作的系统内存(DRAM)和512 MB用于数据记录的非易失性存储器(Storage)，可用于数据记录与存储。系统的采集通道采用差分方式；输入电压范围为-5 V～5 V；ADC位数为24位；单通道最高采样频率51.2 kS/s，可满足在离心场中进行压缩地震波数据采集的短时、高速需求。

3.2 软件功能设计及结构

3.2.1 软件功能

上位机数控系统设计的功能包括：参数设置、复位、参考波形给定、驱动信号调整与修正、数据发送、信号测量、信号频谱分析以及数据存储、显示与打印等功能。系统软件是通过LabVIEW 2012和MATLAB R2013b混合编程实现。

3.2.2 软件结构

数控系统的软件设计为三层结构：底层FPGA程序，HOST程序和上位机程序，如图3所示。采用NI公司的RT系统构建波形再现控制系统的核心实时控制硬件平台，全系统采用上、下位机的工作模式[2-3]。主要任务划分：上位机为任务管理单元，建立用户操作主界面，并完成控制系统主要任务功能的管理。下位机主体为实时控制器，其核心功能是接受上位机指令，进行数据记录与传输，并完成实时控制。上、下位机通过以太网进行数据通讯，完成地震波再现控制功能。

图3 地震波再现控制程序结构图

3.2.3 数控系统工作原理

作为离心机上地震模拟振动系统的关键控制部件，数控软件的核心功能是实现对给定目标波形的复现。其中针对地震波形再现控制的基本原理是基于线性系统理论，采用加速度控制方式：①先根据参考目标波形发送小量级的初始驱动信号，并采集台面输出的响应；②利用被控系统的输入、输出信号估计系统的传递函数并求逆，根据参考目标波形和系统逆传函得到频域驱动信号，并通过傅里叶逆变换计算出时域驱动信号；③发送驱动数据并采集响应信号，再计算目标与响应信号之间的误差，利用系统阻抗和误差值对当前驱动信号进行频域修正；④然后经过驱动信号的更新迭代以及时域修正等过程，最终使得系统输出波形达到复现误差的指标要求[4]。

3.2.4 信号采集

响应信号采集是地震模拟振动试验过程中非常重要的环节。为了保证振动控制的效果和精度，需要严格控制数据采集的延时，实现响应信号采集与驱动数据发送的同步进行，本文采用的实现方法为：上位机利用共享变量将配置的试验参数与控制指令传递到下位机，同时将下位机的采集信号传送到上位机用于分析、显示。下位机信号采集、传输的具体实现过程为：采集模块开始采集信号的同时，下位机配置一定大小的DMA FIFO用于缓存AI模块采集的实时响应信号，一方面在FPGA程序中控制采集数据的循环写入，另一方面在RT上定时读取缓存数据并传给上位机，实现下位机到上位机的采集信号传输。由于AI模块存在一定的输入延迟同时考虑到系统本身的响应时间，每次的数据采集与驱动发送过程均由软件触发同时开始，但采集程序将滞后结束，避免响应数据的漏采集。

在获取采集的响应信号后经过数据分析与比较，可以计算出振动台系统的响应时间，为更为准确地进行系统传递函数估计和振动控制提供数据支撑。

4 试验与应用

为考核和验证系统功能与技术指标，在离心机上地震模拟振动台上进行了地震波振动试验。试验中在振动台上安装1 000 kg模型箱负载，在离心加速度100 g的条件下，进行振动试验。本次模拟的目标参考波为压缩后的高频高量级汶川地震波，该地震波原始数据记录的波形持续时间180 s，在经过时间轴压缩100倍后的波形振动频率范围为20～250 Hz，振动加速度峰值为30 g，波形持续时间约1.8 s，利用所开发的数控系统在经过三次迭代过程后，振动控制的效果如图4所示，图中两条曲线分别为目标参考波和实测振动台响应波形。采用加速度控制方式，本次试验的时域面积误差为2.43%，幅值误差(RMS)3.62%；地震波形的时域跟踪效果良好，满足了项目研制的技术要求。

图4 汶川地震波模拟振动试验控制效果

本项目所研制的离心机上地震模拟振动台试验系统，可用于研究在可控范围内不同地震波对大坝、桥梁等岩土结构的工况影响与破坏机理，对于地震破坏机理、抗震设计计算、岩土工程地震问题等方面具有一定研究意义与应用价值。

5 结论

地震波再现控制在地震模拟振动试验过程中起到十分关键的作用，为了能够最大程度模拟真实振动信号发生的情况，需要利用系统的响应实时地修正控制器的驱动信号。本文通过研究嵌入式实时控制器在离心机上地震模拟振动试验中的应用，采用工控机、cRIO实时控制器、FPGA以及数据采集模块等搭建了系统硬件。利用软件触发的方式实现响应信号与驱动数据的同步采集与发送，并通过软件算法计算和控制系统的延迟，用于估算更接近真实的系统特性，实现离心场下的高精度地震模拟。最后通过试验验证了该数控系统的控制精度达到系统研制的技术指标要求，应用效果良好。

[1] 关广丰. 液压驱动六自由度振动试验系统控制策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2007.

[2] 曹旭东, 狄帮让, 许洪波, 等. 基于FPGA技术的模拟地震信号采集系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2006, 14(4):558-560.

[3] 王洪超 ,胡文兴 ,邱红辉,等. cRIO远程数据采集装置及其应用[J]. 油气储运, 2011, 12(30):951-952.

[4] 严 侠, 牛宝良, 黎启胜. 多维波形再现控制系统设计与开发[J]. 振动与冲击, 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。

邓 婷(1988-)，女，四川广安人，助理工程师，硕士，主要从事测试与控制技术、环境试验装备研制与仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0127-02

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

TP29

A