（机械电子工程专业论文）超低频高幅振动位移实时处理技术及其dsp应用研究.pdf

摘要 随着世界集装箱运输的高速发展，集装箱桥吊( 岸桥) 趋于大型化和高速化，与 之相对应的是岸桥的振动频率越来越低( i h z 以下的超低频振动) ，振动位移越来越 大( 几百毫米) 。这些动态特性对岸桥本身的安全性能而言是至关重要的，为此，由 上海海事大学研制的网络型起重机状态监测与评估系统( n e tc r a n em o n i t o r i n g a s s e s s m e n ts y s t e m ) 实现了超低频高幅位移振动的实时分析计算。由于n e t c m a s 系统 提出的超低频高幅位移振动计算技术从理论仿真来确定各仿真参数( 影响信号低频成 分的参数t l e n 和时间常数t 等) 还是不够的，在实际工程信号处理中由于噪声的影响 而难以保证较高的分析精度，因此在本文中，我们用实验对比的方法来对该技术做进 一步研究，解决参数优化问题。由于一般测控现场的数据量很大，此外还要满足实时 性的要求，因此我们开发研究采用适合大批量数据处理的d s p ( 数字信号处理器) 来 完成超低频高幅位移振动实时处理技术的软硬件实现。 本文首先用标准信号发生器产生一系列单一频率信号，进行仿真计算分析，提出 了超低频高幅振动位移实时处理技术的最优处理方案。对于各单一频率信号经过最优 算法处理后仿真位移幅值与其计算理论位移的相对误差均在5 之内( 0 3 h z 信号误 差9 0 2 ) ，满足工程应用需求。 其次对模拟实验装置振动信号和现场实际测试工程实测振动信号进行分析。经过 处理后，各频率仿真位移信号幅值与其计算位移幅值的相对误差均在1 0 以内，满足 工程应用要求。各频率仿真位移信号时域波形图与位移传感器实测的位移信号时域波 形图、位移量基本一致，仿真效果好，超低频高幅振动位移实时处理技术的最优处理 方案得到了验证。 最后分别将单一频率信号和模拟实验信号进行d s p 硬件系统处理，根据输入加 速度信号的幅值大小，计算得到理论位移信号幅值与仿真位移信号幅值基本一致，仿 真效果好，验证了超低频高幅振动位移实时处理技术d s p 硬件系统的可靠性。 通过本文研究，确定了超低频高幅位移振动实时处理技术的最优处理方案，并完 成了该技术的硬件实现，这将对以后的超低频高幅位移的振动监测有指导意义。同时， 该算法简单，精度高，并适用于其他低频振动对象，具有很高的实用性。 关键词超低频振动，大位移，实时，参数优化，d s p a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t a i n e rt r a n s p o r t ，c o n t a i n e rc r a n e ( c r a n e ) i s i n c r e a s i n g l yl a r g ea n dh i g h s p e e da sw e l la si t s v i b r a t i o nf r e q u e n c yi sm o r el o w ( u l t r a l o wf r e q u e n c y ( u l f ) v i b r a t i o nb e l o w1h 刁a n dv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ti sm o r e l a r g e ( h u n d r e d sm m ) t h o s ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nt e r m so fi t so w ns e c u r i t y p e r f o r m a n c ei se s s e n t i a l ，t h en e tc r a n em o n i t o r i n ga s s e s s m e n ts y s t e m ( n e t c m a s ) d e v e l o p e db ys h a n g h a im a r i t i m eu n i v e r s i t yr e a l i z e st h er e a l t i m ea n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o no fl a r g ed i s p l a c e m e n tw i t hu l fv i b r a t i o n b e c a u s eo ft h et e c h n i q u e b r o u g h to u tb yn e tc m a s 。b e c a u s et h en e tc m a ss y s t e mo ft h i st e c h n o l o g yf r o m s i m u l a t i o nt h e o wt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r s ( p a r a m e t e r s 气l e w h i c hh a si m p a c t o ft h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h es i g n a la n dt i m ec o n s t a n t s 。t ”e t c 、i sn o t e n o u g h ，i np r a c t i c a le n g i n e e d n gs i g n a lp r o c e s s i n gd u et ot h ei m p a c to fn o i s ea n d m a k ei td i f f i c u l tt oe n s u r eh i g hp r e c i s i o n s ow ed of u r t h e rr e s e a r c ho nt h ei s s u e so f c a l c u l a t i o np r e c i s i o na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nb ye x p e r i m e n ti nt h ep a p e n b e c a u s eo ft h et r e m e n d o u sv o l u m eo fd a t ai nt h es c e n eo fm o n i t o r i n ga n dt h e r e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n ga b o u tc a l c u l a t i o ni n c l u d e si n t e g r a l ，s ow es t u d ya n d a d o p td s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) w h i c hi ss u i t a b l ef o ral a r g ea m o u n to fd a t a p r o c e s s i n gt or e a l i z et h et e c h n i q u e a tf i r s t ，t h i s p a p e ru s es t a n d a r ds i g n a lg e n e r a t o rt op r o d u c eas e r i e so f s i n g l e - f r e q u e n c ys i g n a l sa n dp r e s e n t so p t i m a lt r e a t m e n to p t i o n o ft h er e a l - t i m e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fl a r g ed i s p l a c e m e n tw i t hu f fv i b r a t i o nt h r o u g hs i m u l a t i o n a n a l y s i s w h e nt l e n = 5 s 。c o l l e c t i v i t ye r r o ro f0 2 2 h zs t a n d a r dc o s i n es i g n a li st h e l e a s t a m p l i t u d ee r r o rb e t w e e ne m u l a t ed i s p l a c e m e n ta n dt h e o r e t i c a ld i s p l a c e m e n t o fa l ls i n g l e - f r e q u e n c ys i g n a l sa r ew i t h i n5 【9 ，0 2 o f0 , 3h z s i g n a l ) t 1 1 ep r e c i s i o n m e e t se n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s e c o n d w ea n a l y z ev i b r a t i o ns i g n a lf r o ms i m u l a t i o nd e v i c e sa n do n s i t et e s t i n g a f t e rp r o c e s s i n g 。t h ea m p l i t u d ee r r o rb e t w e e ns i m u l a t i o n d i s p l a c e m e n ta n d t h e o r e t i c a l d i s p l a c e m e n t o fe a c hf r e q u e n c e e x p e r i m e n t a ls i g n a li sw i t h i n 10 ，m e e t se n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t m e a n w h i l e ，s i m u l a t i o nv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t a n dd i s p l a c e m e n tm e a s u r e db yd i s p l a c e m e n ts e n s o mb a s i c a l l yt h es a m e ，s ot h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sg o o d t h eo p t i m a lt r e a t m e n to p t i o no ft h er e a l - t i m ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fl a r g ed i s p l a c e m e n tw i t hu l fv i b r a t i o ni sc e r t i f i c a t e d a tl a s t ，w eu s ed s pt op r o c e s ss i n g l e f r e q u e n c ys i g n a l sa n dv i b r a t i o ns i g n a l f r o ms i m u l a t i o nd e v i c e s ，a c c o r d i n gi n p u ta c c e l e r a t i o ns i g n a la m p l i t u d e ，w eg e t t h e o r e t i c a ld i s p l a c e m e n tw h i c hi sb a s i c a l l ys a m ew i t hs i m u l a t i o nd i s p l a c e m e n t s i g n a la m p l i t u d e ，s ot h es i m u l a t i o nr e s u l ti sg o o d ，t h er e l i a b i l i t yo fd s p h a r d w a r e s y s t e mi sc e r t i f i c a t e d b a s e do nt h er e s e a r c h ，w ei d e n t i f yt h eo p t i m a lt r e a t m e n to p t i o no ft h er e a l - t i m e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fl a r g ed i s p l a c e m e n tw i t hu f fv i b r a t i o n ，a n dr e a l i z ei t sd s p h a r d w a r e t h i ss i m p l ea n dh i g hp r e c i s i o nm e t h o da l s oc a r lb ea p p l i e dt oo t h e r t a r g e t sl o wf r e q u e n c yv i b r a t i o na n dh a sh i g hp r a c t i c a l i t y w a n gw e i ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e n n g ) d i r e c t e db y ：p r o f h ux i o n g k e y w o r d s ：u f fv i b r a t i o n ，r e a l - t i m e ，l a r g ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t ，p a r a m e t e r o p t i m i z i n g ，d s p 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他刷志对本研究的 启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：鞋日期 论文使用授权性声明 口) 、) 。t s 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校卜i m 公布论文的伞部或部分内容，可以采用影印、缩e 1 j 或者i 他复 制手段保留论文。保密的论文在解密舌遵守此规定。 作者签字 上海海事大学硕士论文 第一章绪论 振动是广泛存在于自然界和人类社会生活中的一种动态物理现象，是我们观察到 的某一平衡位置上的往复运动。许多情况下，机械振动会造成危害，它影响精密仪器 设备的功能、降低加工零件的精度和表面质量，也加剧了构件的疲劳破坏和磨损，导 致构件损坏造成事故。另外，随着高层柔性建筑的不断涌现，超低频、大幅值、多参 量的振动测量也愈来愈引起工程界的重视。在工程上，振动测量是一个十分重要的工 作，通过振动测量可以确定振动的加速度、速度和位移等数据，为工程设计、故障的 检测与预防提供依据。目前，相对于静止参照系的低频振动的测量的方法已很多， 也比较成熟，而相对于惯性空间没有静止参考点的绝对振动测量而言，仍是工程测试 和故障诊断领域的难题之一。因此超低频绝对振动传感器的研究，对于检测超低频绝 对振动、揭示超低频绝对振动的本质具有十分重要的意义。 1 2 研究对象、意义及国内外相关研究现状和必要性分析 1 2 1 研究对象和意义 随着世界集装箱运输的高速发展，集装箱桥吊( 岸桥) 越来越趋于大型化和高速 化，与之相对应的是岸桥的振动频率越来越低( 1 h z 以下的超低频振动) ，振动位移 越来越大( 几百毫米) 。在工作中岸边集装箱起重机会受到风等因素的影响发生振动， 其前臂梁由于其外伸的结构特点受外界的影响更为明显，从材料力学的角度来看，机 械振动会造成材料的疲劳损坏，使材料产生疲劳裂纹，如果前臂梁产生裂纹并扩展到 一定程度就可能导致灾难性的结果。另外，岸边集装箱起重机振动的振幅即晃动量也 应引起足够重视，因为，人机工程学的原理告诉我们，振动振幅达到一定程度时，会 让人觉得不舒服，也即产生心理反应使其工作能力下降，工作效率降低，增加操作误 差的出现、操作时间和反应时间变长等现象。如果振动的幅度进一步增加，就会对人 产生生理上的影响，甚至还会引起病理性的损伤和病变【2 l o 上海海事大学硕士论文 1 2 2 国内外相关研究现状 测量振动位移可以有两种方式；相对式和绝对式。相对式测量需要有静止不动的 基础，在工程实际中，特别是在像码头这样受到海风、海浪以及大型机械运作等多种 因素影响的地方，要找到这样的基础是非常困难的。超低频振动的特殊性，使得对相 对于惯性空间没有静止参考点的绝对振动测量显得更加的困难，如何有效的检测超低 频绝对振动，仍是工程测试和故障诊断领域的难题之一。 要完整、不失真地拾取超低频的振动信号，最好最直接方法是使用低通型振动传 感器，如电涡流传感器。一，但由于它是相对式测振传感器，必须把传感器安装在一 个固定基座的支臂上，实际上涡流传感器测到的信号是被测振动对象振动信号和支臂 附加振动的几何和。对于港口大型结构之类的大尺寸设备，要对其进行测量，传感器 支臂的附加振动值经常超过机组本身的振动值。给测量带来很大误差，甚至褥到错误 的结论“1 。 因此目前在工程测量中，对超低频速度或位移的测量往往是先测量加速度参量， 再经过一次或两次积分得以实现。许多传感器公司都开发了此类相应产品，加速度计 将被测得机械振动量转换成电量，从振动计上可以直接读出振动量的加速度、速度和 位移的量值。下面分别列举了当今国内外具有代表性的振动产品，如北京伊麦特公司 的e m t 2 2 0 测振仪、丹麦b t c k 公司3 5 0 6 振动标准套组 8 3 0 5 标准加速度计2 5 2 5 电荷放大 器) 、日本r 1 0 n ( 理音) 公司的便携式超低频测振仪v m 8 3 脚。其测量范围、频率范围 及误差如表i - i 、i - 2 、i - 3 所示。 表i - i 北京伊麦特e m t 2 2 0 测振仪参数规格 配环形剪切型加速度传感器 测量值加速度速度位移 测量范围0 卜1 9 9 9 m s 20 0 1 1 9 9 9 c m s0 0 0 1 1 9 9 9 r m 频率范围5 或l o h z i k h z 1 k 1 5 k h zl o h z - l k h z1 0 h z 一5 0 0 h z 误差5 5 5 5 表i - 2 丹麦瞰k 公司3 5 0 6 振动标准套组参数规格 配8 3 0 5 标准加速度计 测量值加速度速度位移 频率范围 0 2 h z - 1 0 0 k h z0 2 h z 一4 0 k h zi h z 一1 0 k h zi h z i o k h z 误差2 0 9 61 0 1 0 l o 2 上海海事大学硕士论文 表卜3 日本理音超低频测振仪v 1 1 8 3 参数规格 配压电探头 测量值加速度速度位移 测量范围0 3 - 1 0 0 0 m s 23 - 1 0 0 0 r m n s 0 3 - 1 0 0 0 m m 频率范围1 h z 一2 0 k h zl 一3 h z 3 3 k h z 1 - 3 h z 3 5 0 0 h z 误差5 1 0 5 2 0 1 0 配伺服探头 测量值加速度速度位移 澳4 量范围1 0 一1 0 0 0 m s 21 - 1 0 0 m s0 1 - 1 0 r a m 频率范围 0 4 - 1 0 0 h z0 1 0 3 h z 0 3 一l o o h zo 1 一o 3 h z o 3 一l o o h z 误差 1 0 5 5 2 0 1 0 表卜l 、卜2 、卜3 所示的三种测振产品从表中各项参数数据可以看出，对于我们 所关注的振动位移量：国产振动仪的位移测量范围为0 0 0 1 - 1 9 9 9 r m ，频率范围 1 0 5 0 0 t t z ，尽管误差控制在5 之内，但其测量规格不能满足超低频( 小于1 h z ) 、大位 移( 几百毫米) 振动测量要求；日本理音8 3 测振仪配压电探头时，位移测量范围 0 3 - 1 0 0 0 n m n ，频率范围分别有1 h z - 3 h z 、3 h z - 5 0 0 h z 两种，对应的相对误差为2 0 和1 0 9 6 ；配伺服探头时，位移测量范围0 1 - 1 0 咖，频率范围分别有0 1 h z - o 3 h z 、 0 3 1 4 z - l o o i t z 两种，对应的相对误差为2 0 9 6 和1 0 。这两种探头的测量规格都不能 同时实现对超低频、高幅位移振动的测量，而且误差范围均超过10 9 6 ，难以较好地满 足工程应用要求；丹麦b & k 公司3 5 0 6 振动标准套组所测振动位移的频率高于1 h z ， 也达不到超低频振动测量的要求。通过分析，综合比较上述三种测振产品的测量范围、 频率范围及误差，我们可以知道目前对于高幅位移( 几百毫米) 的振动测量仅能做到 频率1 h z 以上的，也就是说不能满足本论文所提出的超低频( 小于1 h z ) 振动位移的 测量。 为了克服由于超低频振动加速度分量小，用测加速度法测量超低频振动测量误差 大的问题，有人提出了直接测量超低频振动的速度及位移的方法，国内杨学山等人设 计的9 2 1 型速度位移计就采用了这种方式0 1 。这类超低频检测仪使用往复摆有源伺服 式拾振器，直接测量超低频振动的速度及位移，测量精度得到了较大的提高。但由于 它采用反馈式有源校正网络来展宽测量频率，在降低固有频率的同时，输出特性中阻 尼也明显减小，为要改善阻尼，反馈网络的设计相对复杂。并且过大的放大倍数可能 3 上海海事大学硕士论文 导致电路震荡”1 。因此，它的结构复杂、体积较大，其价格也依然较贵，制约了这类 仪器的使用范围。 电磁式速度传感器性能稳定可靠，其输出量经过一次积分即得到位移量，因此是 工程上常用的测振传感器。由于这种传感器的传递函数是高通特性的，其固有频率较 高，在5 - 3 0 h z 之间。如果用该类传感器直接测量和提取超低频绝对振动信号，信噪比 将会很低，其输出信号几乎“淹没”在噪声中而难以拾取“1 ，因此，直接用普通的电 磁式速度传感器检测超低频绝对振动信号，有其结构上的先天不足和技术上的困难。 近年来有不少研究人员提出了借助电子技术，即采用机电结合的方法来解决普通电磁 式速度传感器不能检测超低频绝对振动信号这个难题的设想，国内如山东科技大学的 范云宵等多人就对采用电子技术拓展电磁式速度传感器的频响做过研究”一。但这些 设想与研究大多还停留在理论探讨的层面，在工程实际应用方面没能获得理想的结 果。工程中迫切需要的超低频绝对振动的低成本检测问题始终没能得到较好的解决。 随着全球定位系统( g p s ) 技术的日渐成熟，硬、软件的不断完善，应用领域正在不 断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 g p s 是美国军事目的而建立的，目前应用也分为两方面：军事和民用，分别使用 c a 码( c o a r s ea c q u s i t i o nc o d e ) 和p 码( p r e c i s ec o d e ) 目前的g p s 虽然在名义 上是军民两用的，但由于民用的频率不被保护，易受干扰。在民用方面，通过一种新 技术，g p s 差分技术，差分g p s ( d g p s ) 就是把高精度的g p s 接收机安装在位置准确 测定的地点组成基站。基站接收g p s 卫星信号所测定的位置和本站已知位置相比较求 得位置测定误差或伪距测量误差，并将这些误差作为校正值向四周空间发播。基站附 近的g p s 用户接收机收到来自基站的校正信号，修正自身的g p s 测量值，从而大大提 高定位精度。从而使民用g p s 也可以达到厘米级，但这需要建立差分站，数据系统， 投入成本很大。 4 上海海事大学硕上论文 表l - 4 压电式加速度传感器和g p $ 全球定位系统的精度比较 压电式加速度传感 g p s 全球定位系统精度 器精度 g p s 一3 ( 2 0 1 5 g p s 一2 a r d g p s ( 差分g p s ) 2 0 2 0 年实现) l 5 线性 军用民朋军用民用 水平垂宣水平j 垂直水平垂直水平垂直 1 0 m2 7 7 ml o o m l 1 5 6 m0 5 ml m 厘米级劣与水平 表卜4 中g p s 全球定位系统的定位精度是系统经过几秒的定位时间所得，它的精 度值明显不能满足工程变形监测通常要达到毫米或亚毫米级的精度要求，那么有什么 途径可以改进呢? 武汉测绘科技大学做了这方面的试验，隔河岩水电站大坝外观变形 g p s 自动化监测系统，整个系统全自动，应用广播星历1 2 小时g p s 观测资料解算 的监测点位，水平精度优于1 5 m m ，垂直精度优于1 5 m m ，经过6 小时的g p s 观测资 料解算，水平精度、垂直精度均优于l m m 。精度虽然能够保证工程检测的需求，但是 需要长时间的定位修正，这就不能实现工程的实时，亚实时监测了，所以从实时角度 来讲，运用g p s 定位系统来实现对超低频高幅振动的位移测量也是不可行的。 1 2 3 本文研究工作的目的与主要任务 传统意义上对超低频速度或位移的测量往往是先测量加速度参量，再经过一次或 两次积分得以实现，具体的做法是先将振动的加速度信号通过加速度传感器采集下 来，然后对这一段信号在其区间内进行两次积分就得到其振动位移的信号。但是这样 的处理方式只能处理一段一段静态的数据，不能实时地得到振动的位移信号，也就是 说不能在现场动态观察到振动的位移量情况。同时通过这样的积分会带来积分常数的 问题，积分常数的出现在信号中反映为其直流分量，直流分量的存在会对振动位移量 的识别带来困难，比如对没有去掉直流分量的速度信号进行积分，所得的位移信号从 整体上看就会以一定的斜率延伸，而正常的振动位移信号是在平衡位置附近波动的， 其均值为零，这样的处理显然不行。 鉴于以上分析，上海海事大学研制了一种区别于传统意义上的二次积分的具有实 时处理特点的超低频高幅振动位移处理技术。为了进一步提高该技术的应用性，在本 论文中我们通过计算机仿真及实验手段来对其计算精度和参数优化问题展开了研究， 最后提出了最优参数。 5 上海海事大学硕士论文 同时由于一般测控现场的数据量很大，同时本文所涉及到的信号处理需要进行积 分处理，此外，设计还要满足实时性的要求，这就要求信号处理系统的响应时间要尽 量的短，如果采用模拟电路进行处理，则积分r c 电路的体积必然很大，不便于作现 场测试。因此，我们讨论用数字信号处理的方法来满足这样的要求。本论文中提出将 此位移处理算法在应用数字信号处理器( d s p ) 的来硬件实现，通过信号的a d 采集， 再经过d s p 芯片的算法处理，最后通过d a 转化成模拟信号输出，完成信号的实时采 集、处理、输出。在本论文中将完成硬件的选型、原理图设计、p c b 设计、软件设计、 调试等工作“。 6 上海海事大学硕上论文 第二章超低频高幅振动位移的实时处理技术简述 本文所提出的超低频高幅振动位移的实时处理技术能实现对超低频( 小于 1 h z ) 、高幅位移( 几百毫米) 的振动进行测量。其核心思想就是一点加速度信号 输入能够马上处理输出一点位移信号，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 超低频高幅振动位移的实时处理技术实时处理模式 卜 a 3 a 2a l处理 a 3 a 2处理d l a 3处理d 2d l 处理 d 3d 2d l 处理 d 3d 2d l 基于这种点进点出的处理思想，下面我们就对该超低频高幅振动位移的实时 处理技术的理论基础进行简单介绍。 2 1 超低频高幅振动位移的实时处理技术的理论模型 利用加速度传感器测得的信号是振动的加速度信号，众所周知，加速度的积分是 速度，速度再积分就得到位移。对于一连续信号而言，这是一个不定积分的过程，不 定积分会产生积分常数。积分常数的产生会影响到信号分析和处理的正确性。如果 a o ) 、v o ) 和s ( t ) 分别表示振动的加速度、速度和位移的信号，则 p ( f 。v o ) + c 。 ( 2 1 ) 将不定积分的常数c d 去掉后再一次进行积分得 p ( f 一s ( f ) + c 。 ( 2 - 2 ) 如果没有去掉常数c o 便直接进行下一次积分其结果则为 i - v 。( f 一s ( f ) + c 。f + c ， ( 2 3 ) 由以上三式可以看出积分常数对信号处理结果的影响，如果对加速度信号进行积 分后不将积分常数c 0 去掉，其结果是，不但在速度信号中引起了一个水平分量，在 位移信号中更是引起了一个以c 0 为斜率变化的趋势。图2 - 1 所示的便是不去掉常数 7 上海海事大学硕士论文 直接进行两次积分的波形图。 从式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可以看出无论c 0 有没有去掉，第二次积分本身还将产生一个 常数c l ，这一常数同样也需要去掉才能得到实际的位移信号。积分后产生的常数在 信号中反映为其直流分量，因此去除积分常数也称为隔赢。因此，要实现振动位移的 仿真计算，除了要对加速度信号进行积分处理之外，还要对信号进行隔直处理。经过 以上分析，得出超低频高幅振动位移实时处理技术的理论模型，如图2 - 2 所示。 图2 - 1 对标准正弦信号直接进行两次积分的波形图 图2 - 2 超低频高幅振动位移的实时处理技术的理论模型 从图2 - 2 可以看出超低频高幅振动位移的实时处理技术主要是由两大模块构成 的，一个是积分模块，一个是隔直模块。 2 1 1 超低频高幅振动位移的实时处理技术的积分模块“”，。 归一化一阶系统的输入、输出关系可用一阶微分方程f 掣+ y o ) 。x ( f ) 来表示， t 是一个时间常数，因而一阶系统是一个定常线性系统，易得其传递函数为 h g ) - 去 ( 2 。4 ) 口4 - l 而其幅频、相频特性表达式为 8 上海海事大学硕士论文 彳( ) 。丽1 ( 2 固 伊( ) a r c t a n o - , o ) ( 2 6 ) 其中负号表示输出信号滞后于输入信号。 阶系统的引入还实现了对信号滤波的功能。下面便详细描述一阶系统实现实时 积分的过程。 引入一阶系统对信号进行积分，实际是运用了一阶系统的单位阶跃响应( 如图2 3 所示1 。 图2 - 3 一阶系统的单位阶跃响应 由前面对一阶系统的描述可知，一阶系统是一个定常线性系统，对于定常线性系 统而言，如系统的初始状态均为零，系统对输入积分的响应等同于原输入响应的积分。 单位阶跃函数可看成是单位脉冲函数d 的积分，则一阶系统在单位阶跃输入作用下的 输出就是一阶系统脉冲响应i l 。三p - - t 的积分。其结果为 f y o ) ；1 一e - t r ( 2 乃 对系统的突然加载或者突然卸载可视为施加阶跃输入。设t o 时刻被处理信号的值 为x o o ) ，根据前述d 函数的采样性质，将该时刻的信号采集下来，实际就得到一个强 度为x ( d 的d 函数，对该函数进行理想意义上的积分后，再将其输入到一阶系统中， 这实际就相当于对系统施加了一个幅值为x ( t o ) 的阶跃输入，这一输入与单位阶跃之比 为x o o ) 。由于一阶系统是一个定常线性系统，具有比例特性，因此，一阶系统对该阶 跃输入的响应与其对单位阶跃的响应也是成比例的，二者之比同样也为x ( t o ) 。而这样 一个过程实际也就实现对信号的积分。在实际的处理过程当中，每输入一个信号值 x ( t ) ，就将其简单地看作对一阶系统施加了一个幅值为x ( t ) 的阶跃输入，其输出则是 将图2 - 3 所示的曲线对应地乘上x ( t ) ，这样的处理便一步到位地实现了对信号的实时 积分。 9 上海海事大学硕士论文 由上述的分析可知，将输入信号视为一个个的阶跃函数经由一阶系统进行处理， 便实现了超低频高幅振动位移的实时处理技术中信号实时积分的功能。 2 1 2 超低频高幅振动位移的实时处理技术的隔直模块 由式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 可知，隔直其实就是去积分常数c o ，c l 的过程。在本文 所提到的超低频高幅振动位移的实时处理技术中我们提出了隔直模块的实现方案：平 滑法。 信号经积分后所得的直流分量都属于非周期分量，用平滑法，或者称为时域平均 法对积分后的信号进行处理可以消除掉这些非周期分量，这是通过以一定的时间间隔 去截取积分后的信号，然后将所截得的信号段叠加再平均来实现的。由于信号经采样 已经被离散化了，因而这一时间间隔实际是由这个间隔内的采样点数n 来确定的，将 这个采样点数n 称为平滑长度。具体做法是设置一个可以存放f i 点数据的缓存器。缓 存器的工作原理如图2 - 4 所示。 a ) f 言号处理前将i 1 点缓存器t ( 1 n 滞零 b ) 第一点信号进入缓存时的缓存情况 c ) 第二点信号进入缓存时的缓存情况 n 第n + l 点信号进入缓存时的缓存情况 o 第n 4 - 2 点信号进入缓存时的缓存情况 其中，缸i ) 为被处理信号，i = 1 ，2 ，n 图2 - 4 缓存器i ：作原理 在用平滑法处理信号的过程中，当一个新的信号数据x ( i ) 进入缓存时，对缓存内 1 0 上海海事大学硕士论文 的数据求其平均值a v g ( i ) ，然后再用x ( i ) 减去a v g ( i ) ，这样就得到了经平滑处理后的信 号x i ( i ) 。接下来便是重复这一过程，直到最后一个信号数据x ( n ) 也进入到缓存为止。 f 2 3 】1 4 1 5 | 6 1 2 2 超低频高幅振动位移的实时处理技术的实现 早期的数字信号处理算法的实现一般有以下2 种方法：( 1 ) 利用通用的计算机 或微机通过软件的方法实现；( 2 ) 利用专用的数字设备实现。 通过软件和通用的计算机或微机来实现，是早期的主要办法。在2 0 世纪7 0 一 年代，国内外相继出现了多个数字信号处理软件包。但由于数字信号处理算法通常要 求完成大量的数值运算，特别是乘加运算，采用通用计算机速度较慢，所以这种方法 多用于教学和研究，或后处理，不适合于须进行大量数据运算的现场处理，特别是进 行实时现场处理。专用的数字设备主要问题是结构复杂，体积大，成本高，耗电量大， 可靠性差，而且也不灵活。例如早期利用位片式微处理器加上快速乘法器来实现的系 统就存在这样的问题，这种系统已逐渐被淘汰。 随着电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，一种新型的专用数字信 号处理的单片机数字信号处理器就应运而生。数字信号处理器( d s p ) 自2 0 世纪 8 0 年代问世以来，以其独特的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点， 发展十分迅速。0 3 1 1 1 4 1 2 2 1 基于数字信号处理器为核心的信号处理系统“” 针对以上超低频高幅振动位移的实时处理技术的概述、分析，进行基于d s p 的超 低频高幅振动位移的实时处理技术硬件实现系统的研制，确定了系统的总体方案。 本论文基于d s p 的硬件系统主要实现以下功能：首先将由振动加速度传感器所获 取的振动加速度模拟信号作滤波、放大、信号调制等预处理，然后通过a d 信号采集 模块将信号送入d s p 作信号处理，实现将加速度信号转换为位移信号或速度信号，最 后由d a 模块将数字信号转换为模拟信号输出。 本论文超低频高幅振动位移的实时处理技术d s p 硬件实现的软件部分将采用主 程序、服务子程序和中断子程序所组成。整个程序大部分采用c 语言编写，一些库文 件和配置文件采用汇编语言。 1 1 上海海事大学硕士论文 第三章超低频高幅振动位移实时处理技术的计算仿真 从第二章中的分析我们知道了超低频高幅振动位移的实时处理技术的理论基础， 该算法的核心程序流程图如图3 - 1 所示。 厂靠厂、 ! 一 f结束) l 根据输入参数m o d 确定f i 失真信号处理方式f 图3 - 1 超低频高幅振动位移实时处理技术流程图 如图3 - i 所示，该流程图所示的是位移实时处理的一次积分过程，要实现加速 度信号到位移信号的两次积分过程，只需两次调用该核心算法程序即可。程序中所涉 及到的主要参数有： 呈富高囱 - ， 上海海事大学硕士论文 经数字化处理( 离散) 后的加速度信号 阶系统的时间常数( t a = t ) ，与信号中最大频率成分f l 。有关 采样间隔，将信号离散化( d t = l f s ) 影响信号低频成分的参数t l e n ( t l e n = n * d t 其中n 为平滑长度) 采样频率 经过m * t a 的时间后，一阶系统对单位阶跃的响应达到稳态 采样长度 隔直过程中根据不同的m o d i 值以不同方式处理初始部分失真的信号 3 1 单一频率信号数据的计算仿真 根据谐波理论，任一信号均可由正交基 e ，呻) 表示。因此，讨论单一频率的模拟 信号是不失一般性的。本论文研究的对象是低频振动信号，因此我们用信号发生器产 生幅值a 为1 ，初始相位矿为0 ，频率南从0 i h z 至i i - i z ( 间隔为0 i h z ) 、i h z 至2 h z ( 间隔为0 2 h z ) 的一组单一频率信号为实验对象( 加速度信号) 进行超低频高幅振 动位移实时处理技术的研究。 基于之前的分析，我们已经得到以下结论：1 1 信号经过处理后，输出的波形不 失真；2 ) 当取的时间常数t ，得到所相应的截止频率值印大于信号中的最大频率值， t 值大小对仿真结果几乎没有什么影响；3 ) 当m 的取值在一定范围内时，能满足仿真 计算的条件，仿真参数m 对最后结果影响不大；4 ) 信号的仿真计算位移信号幅值误 差与仿真参数t l e n 值有较大关系。因此，在本阶段的处理分析中，本文重点讨论仿 真参数t i n 值对低频信号仿真计算位移的误差影响，得到了t l e n 与仿真位移信号误差 的关系，从而解决该仿真算法的参数优化问题。 3 1 1 单一频率信号仿真计算分析 之前已经提到过，我们所关注的工程实际中其信号频率的最高成分不会超过 5 h z ，为了谨慎起见，我们先考虑一= 2 0 h z ，得到时间常数t = 0 0 0 8 s ，采样频率值 f s = 5 0 0 1 - i z ，满足n y q u i s t 采样定理，m = 1 0 ，然后先取定一个t l e n 值，对各单一频率信 号进行位移仿真计算，考察其仿真位移信号幅值与其计算理论位移幅值? d ( 2 p x f o ) 2 的 相对误差值，根据不同的仿真结果不断调整参数t i _ c n 值进行仿真计算，最终确定最 碰 ； e 璺龀 n 砖 m n 龇 上海海事大学硕士论文 优参数t l _ c n 值，参数优化过程如图3 2 所示，选取部分t l c n 值下的仿真结果示于表 3 1 。 臣壹堕单一频率信号z 二至雪篓蠢筹籍 圃 图3 _ 2 单一频率信号仿真参数优化流程图 表3 1 各单一频率信号在不同t l e n 下的相对仿真位移误差比较 频率不同t l e n 下的相对仿真位移误差值 ( h z ) 4 8 s4 9 s5 s5 1 s 0 18 3 3 5 8 8 1 0 9 7 2 5 1 0 3 6 7 o 2 1 7 5 3 7 8 5 一o 0 1 一7 4 6 o 3 7 4 9 0 3 1 9 0 2 1 6 7 0 o 41 6 9 2 7 5 8 一0 0 4 - 7 4 4 0 51 2 2 2 - 5 4 8 3 0 5 1 0 6 7 0 61 5 9 4 7 3 9 一0 0 9 9 67 3 9 9 6 0 7一1 2 9 4 一6 9 9 1 3 7 8 8 7 0 81 4 6 0 7 1 5 一o 1 6 一7 3 3 o 9 1 2 4 7 一7 5 3 o 6 1 7 9 7 11 2 9 5 6 8 7 - 0 2 8 一7 2 9 1 21 1 10 9 66 5 2 一o 4 1 一7 2 2 1 49 2 0 6 u 一o 4 6 一7 0 4 1 67 0 3 5 6 4 一o 6 9 一7 0 1 1 。84 。9 7 5 。l 勰一o 。8 3 一6 8 6 22 8 4 4 5 6 - 1 1 0 一6 8 3 从表3 - 1 中数据可以看出，在不同的t l c a 值下，各单一频率信号的仿真计算位 移幅值误差不同，且当t l c n - - 5 s 时，0 2 i - l z - 2 h z 信号的总体相对误差最小，各单一频 率信号的仿真位移幅值与其计算理论位移的相对误差均在5 之内(