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1、电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 基于单片微控制系统的结构振动控制系统设计 王铁流敖日格勒李成拮 ( 北京工业大学电子信息与控制学院，北京1 0 0 0 2 1 ) 摘要：本文提出了一种基于单片微控制器的结构振动控制系统设计方案，讨论了该系统控制屯路的硬件设计原理与软件编 程。 关键字：结构振动控制、磁流变阻尼器、M C U S t r u c t u r a lS e i s m i cR e s p o n s eC o n t r o lS y s t e mD e s i g nB a s e do nM C U W a n gT i e l i u A oR i G e l
2、 eL iC h e n g z h e ( B e i j i n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g yB e i j i n g 1 0 0 0 2 1 ) A b s t r a c t ：T h i sP a p e rp r o v i d e sad e s i g nm e t h o do fS t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nS P C E 0 6 1 AM C U D i s c u s s e
3、st h em a i nc i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m K e y w o r d s ：S t r c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s ec 6 n t r o ls y s t e m , M a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r , M C U 结构抗震性能研究是建筑业、机车、飞机等学 科领域非常重要的话题。1 9 7 2 年由美国普渡大学 J T P Y a o 教授提出了结构振动控制的概念，在以 后的几十年中
4、有了长足的发展，并逐渐投入到应用 当中。 结构振动控制是通过在结构上设置控制机构， 由控制机构与结构共同控制来抵御地震等动力荷 载，使结构的动力反应减弱。本文讨论了利用结构 响应或外界激励信息来监控结构的振动状态，根据 微控制器采集到的振动状态信号，经实时处理和功 率放大，再通过磁流变阻尼器给出适当的抗振力反 馈作用到结构体，从而达到改变结构动力特性减轻 响应目的的一个模型系统设计方案。 1 结构振动控制系统总体设计 控制系统的基本元素为传感器、处理器( 也称 控制器) 和作动器。传感器感受外部激励及结构反 应的变化信息，处理器接受这些信息并依据一定的 控制算法计算所需控制力，作动器则产生所需
5、的控 制力并作用到结构上，从而实现对结构的控制。 本系统中，被控结构体为建筑体，作动器使用 近年较为流行的磁流变阻尼器。振动信号主要表现 形式为建筑体的层间或与地面的位移、速度、加速 度等，另外，作动器的应力状况也是振动强度的表 现之一。故传感单元和测量单元需分别测量建筑体 1 4 4 4 的位移、速度、加速度以及作动器所受的应力等。 测力传感器采用应变式力传感器，如果测量结构上 x 、y 、Z 三维空间的受力情况应分别采用三个方向 的传感器。位移、速度、加速度则用中国地震局工 程力学研究所出产的9 4 1 型拾振器。测量单元、运 算控制器两部分选用了台湾凌阳公司的1 6 位微控 制器S P
6、C E 0 6 1 A 。磁流变阻尼器的电气性质表现为4 到8 f l 阻抗的负载，功率放大部分采用了NI 公司 的L M 3 8 8 6 T 。 。 图1结构振动控制系统框图 2 磁流变阻尼器简介 磁流变阻尼器是一种典型的半主动控制元件， 它具有构造简单、响应速度快、耐久性能好、阻尼 力大且连续可调等优点。磁流变阻尼器通过调整电 磁场的强度，可以使电磁流变液由自由流动或粘性 流动的液体在毫秒级的时间内变为半固体。这种可 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 逆的液固转换可以迅速大幅地改变屈服强度以调 整阻尼力。磁流变阻尼器的电磁场的强度可以通过 调整输入电压或输入电流加以调整。 磁流变
7、阻尼器构成和工作原理如下：磁流交 ( kr ) 液体是将饱和磁感应强度很高而磁矫顽力 很小的优质软磁材料均匀分布在不导磁母液中形 成的混合物，通常情况下为自由流动的液体，具有 与润滑油相近的粘度( 塑性粘性系数为 O 2 1 0 P a ”S ) 当处于磁场中时，其悬浮颗粒被磁 化，因相互作用形成平行于外加磁场的“链”状结 构，从而固化了悬浮体，限制了液体的流动。而这 种变化为可逆的，即当外界电磁场消失后，悬浮颗 粒又变回液体状态。 磁流变液 图2 磁流变阻尼器原理示意 o 3 凌阳S P C E 0 6 1 A 微制器简介 器 S P C E 0 6 1 A 一款1 6 位结构的微控制器。
8、S P C E 0 6 l A 里内嵌3 2 K 1 6 位的闪存2 k * 1 6 位 S R A M 。较高的处理速度使n S 一能够非常容易 地、快速地处理复杂的数字信号。本款芯片有高速 ( c p u 时钟可达4 9 1 5 2 M H z ) ，运算能力强( 硬件 1 6 1 6 乘法器) ，扩展功能强( 集成7 路1 0 位A D C ， 2 路1 0 位D A C ，2 个1 6 位I O 线，片内锁相环和看 门狗、低压检测) 和低功耗( 全速工作时电流2 6 m A ， 省电等待模式下仅为2 u A ) 等特点。 一般认为，地震波等振动信号为3 0 H z 以下的 低频波。S
9、P C E 0 6 1 A 的单路A D C 采样速度可达 8 0 K H z ，7 路同时工作采样速度也可达8 k 以上。同 时，1 6 1 6 硬件乘法器和2 k 字的R A M 等硬件配置， 加上最高可达1 0 0 K H z 的D A C 输出；为进行较复 杂的运算和实时控制提供了速度保障，完全满足振 动控制系统的频率响应要求。片内的看门狗和低压 监测等功能保证了系统的强抗干扰能力和长期稳 定的工作性能。 1 4 4 5 1 B ，j n I = | “篱 f j 4 ： 广 u S P 。 c p 。o 。j 。，曲。c 十Hs c M “k ”。r 柏艄c h j = 善 i 叫；
10、爿pi ：三I ；：融等， 泓h ：! ，j ：o 爿O q f , 艄D A C l 0 1 I ：d m 稚凡蔚廿藩 | 3 2 嚣龆堋州罅 劬地嘻：； | 图3S P C E 0 6 1 A 结构图 49 4 1 B 型拾振器及其处理电路 D 0 l ，r 9 4 1 B 型拾振器属于动圈往复式拾振器。拾振 器原理如下所示： U 图49 4 1 B 型拾振器原理示意图 9 4 1 型拾振器采用无源闭环伺服技术，以获得 良好的超低频特性j 拾振器设有加速度、小速度、 中速度和大速度四档。用户可根据需要，选取拾振 器上微型拨动开关及放大器上参数选择开关相应 的档位，可提供测点的加速度、速度或
11、位移参量。 闭合开关1 可以获得加速度信号，闭合开关2 、3 或4 可获得不同速度范围的速度、位移信号。 根据9 4 1 B 型拾振器的参数，输出信号范围为 - 6 V 至U + 6 V ，而M C U 的A D C 输入要求O 到+ 3 V ，信号点评 转换电路，如图5 所示： 3 墨 图59 4 1 B 拾振器信号电平转换电路 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 电位器分压比调至5 6 ，输出为： U o = 一3 1 0 ( 5 6 U i - 5 V ) ，输出范围0 到+ 3 V ，经过处理 后的信号可以直接连接到C U 的阿A D 输入。此时， 一6 N o v 的信号对应
12、处理后的3 N I 5 V ，o N 6 v 的信号 对应处理后的1 5 v N o ，在程序中需要进行处理， 算出信号的大小和方向。 5 系统电路设计 谟摇售号处理 被控建筑你 图6 系统电路图 安装在建筑体的9 4 1 B 拾振器信号以及磁流变 阻尼器上的力传感信号通过模拟信号处理单元后， 由S P C E 0 6 1 A 的A D C 输入端采集。通过算法运算( 如 模糊控制算法、鲁棒控制算法等) ，监控建筑体的 振动情况，并用控制器的D A 口给出适当的控制信 号，然后通过L M 3 8 8 6 T 的功率放大，加载到适当置 放在建筑体的磁流变阻尼器，产生适当的应力，实 现抑振控制功能
13、。 6 系统软件设计 软件的基本思想是通过单片机采集传感器信 号，判断有无振动发生。如有振动，则根据给定的 控制算法，算出相应的控制量，通过D A 和功率放大 加载到磁流变阻尼器，程序框图如下： 1 4 4 6 图7 系统程序框图 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增：F I J 7 结论 经过试验证明，由S P C E 0 6 1 A 微制器为主控芯 片的结构振动控制系统集成度高、性能稳定，对 3 0 H z 以下的结构振动有很好地响应能力，在实际应 用中得到了较好的控制效果。 参考文献 【l 】杨润林，刘锡荟，周锡元，调谐液柱阻尼系统的半主动模糊 控制，土木工程学报，2 0 0 3 ，
14、3 6 ( 6 ) ：1 0 0 0 1 3 I X 【2 】W I K o r d o n s k y , S AD e m c h u LP r o co ft h e5 t hI n t C o n fO i l E R FS u s p e n s i o n sa n dA s s o c i a t e dT e c h n o l o g y , W ：A B u l l o u g h e d i t , W o r l dS c i e n t i f i c , 1 9 9 4 ，P P 6 1 3 - 6 1 9 【3 】杨侍清，张万里等，磁流变液的流变学性质研究，功能
15、材料，1 9 9 8 ，2 9 ( 5 ) ：5 5 0 5 5 2 【4 】何亚东，黄金枝，何玉敖智能磁流变( M R ) 阻尼器半主动 控制的研究叨振动工程学报，2 0 0 3 ，1 6 ( 2 ) ：1 9 8 2 0 2 【5 】S u n p l u sT e c h n o l o g yC o ，L t d D a t aS h e e to fS P C E 0 6 1 A ， A U G 0 2 。2 0 0 2 作者简介 王铁流：男，1 9 5 4 年出生，汉族，北京工业大学电子信息 与控制工程学院教授，研究方向：智能信息采集系统。 敖日格勒：男，1 9 8 1 年出生，蒙古族，北京工业大学电子 信息与控制工程学院在读硕士研究生。 李成茹：男，1 9 8 3 年出生，汉族，北京工业大学电子信息 与控制工程学院0 2 级毕业生。 1 4 4 7
