（控制理论与控制工程专业论文）基于无线网络的mr阻尼器监控系统研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 m r 阻尼器( 磁流变阻尼器) 是一种常被用来进行结构振动控制的装置。现 有的对m r 阻尼器的控制一般为电压型且处于对单台m r 阻尼器的控制的状态， 不仅缺乏主机系统对阻尼器工作状态的图形化监测，而且阻尼器的工作参数不 能被保存下来，不便于对阻尼器的工作状态分析。基于无线网络的m r 阻尼器 监控系统对多台m r 阻尼器控制器进行监测控制，并且将各阻尼器的工作参数 保存下来，为工程人员分析阻尼器的状态提供便利，对m r 阻尼器的自动化控 制有着重要意义。 在研究m r 阻尼器的控制原理和控制方法的基础上，根据课题要求提出了 基于无线网络的m r 阻尼器监控系统的整体控制方案。基于无线网络的m r 阻 尼器监控系统包括m r 阻尼器控制系统和主机监测系统。使用无线通信模块实 现m r 阻尼器控制系统与监测主机通信。在确定系统结构方案后，选择合适的 开发环境和编程方案。 在本文中基于无线网络的m r 阻尼器监控系统中m r 阻尼器控制系统部分 主要介绍单片机信号输入电路、信号输出处理电路、无线通信模块电路以及 p w m 电流产生电路，并且给出了控制器c 8 0 5 1 f 0 4 0 的软件流程图；主机监测系 统部分主要介绍无线接收控制器的硬件电路、接收控制器s 3 c 4 4 b o x 与主机的 硬件电路设计，并且详细介绍了基于s 3 c 4 4 b o x 的p c o s i i 的移植过程，以及 s 3 c 4 4 b o x 利用p c o s i i 中多任务功能对各个m r 阻尼器控制器数据的采集方 式、主机监测软件中w i n d o w sa p i 的应用方法，并且给出了s 3 c 4 4 b o x 和主机 软件的流程图。 控制系统应用闭环控制方式，通过计算机实现各功能的显示、调整和控制， 经过实验表明，该控制系统对m r 阻尼器的控制达到了设计要求，并且能够在 监测主机上显示各m r 阻尼器控制器的工作参数，实现了系统运行平稳、控制 快速、准确，使用调节方便。 关键词：m r 阻尼器，无线通信，p c o s - i i ，w i n d o w sa p i 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t m rd a m p e ri sad e v i c e sc o m m o n l yu s e df o rc o n t r o ls t r u c t u r a lv i b r a t i o n t h e e x i s t i n gc o n t r o lo fm rd a m p e ri sg e n e r a l l yv o l t a g em o d e l ，j u s ti nt h ec o n t r o lo fs i n g l e m rd a m p e r i tn o to n l yl a c k sg r a p h i c a lm o n i t o r i n go fm a i n f r a m es y s t e m so nt h e w o r k i n gc o n d i t i o n so fd a m p e r , f u r t h e r m o r et h ew o r k i n gp a r a m e t e r so fd a m p e rc a l l n o tb es a v e d ，a n dd on o tf a c i l i t a t et h ew o r ks t a t ea n a l y s i so ft h ed a m p e r m rd a m p e r s m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o n i t o r sa n dc o n t r o l st h e m u l t i - m rd a m p e rc o n t r o l l e r s ，a n ds a v e st h ew o r kp a r a m e t e r so fe a c hd a m p e r , w h i c h i sc o n v e n i e n tf o rt h ee n g i n e e r i n gp e r s o n n e lt oa n a l y z et h es t a t eo fd a m p e r a l s oh a sa n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei na u t o m a t i o nc o n t r 0 1 b a s e do nt h es t u d yo fm rd a m p e r s c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o lm e t h o d s ，t h e o v e r a l lc o n t r o lp r o g r a mo ft h em r d a m p e r sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h et o p i c t h em r d a m p e r sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n c l u d e sm r d a m p e r c o n t r o l l e ra n dh o s tm o n i t o r i n gs y s t e m t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e sa l e u s e db e t w e e nm r d a m p e rc o n t r o l l e ra n dm o n i t o rh o s t a f t e ra s c e r t a i n i n gt h es y s t e m s t r u c t u r eo ft h ep r o g r a m ，i tn e e d st oc h o o s eas u i t a b l ep r o g r a mo fd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dp r o g r a m m i n g i nm rd a m p e r sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no ft h i s p a p e r ，o nt h ep a r to fm rd a m p e rm a i n l yi n t r o d u c e sm c us i g n a li n p u tc i r c u i t ，t h e s i g n a lo u t p u tp r o c e s s i n gc i r c u i t r y ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm o d u l ec i r c u i t ，a sw e l la s p w mc u r r e n tp r o d u c i n gc i r c u i t ，a n dg i v e st h es o f t w a r ef l o w c h a r to ft h ec o n t r o l l e r c 8 0 51 f 0 4 0 ；o nt h ep o r t i o no ft h eh o s tm o n i t o r i n gs y s t e mm o s t l yp r e s e n t st h e h a r d w a r ec i r c u i to fw i r e l e s sr e c e i v e rc o n t r o l l e r ，r e c e i v i n gc o n t r o l l e rs 3 c 4 4 b o xa n d t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h em a i n f r a m e ，a n dp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c eg c | o s i i t r a n s p l a n t a t i o np r o c e s sb a s e do nt h es 3 c 4 4 b o xt r a n s p l a n t a t i o np r o c e s s ，a sw e l la s s 3 c 4 4 b o xu s i n gt h em u l t i - t a s k i n gf u n c t i o n so f 比c | o s i it oc o l l e c td a t ao fv a r i o u s m rd a m p e rc o n t r o l l e r ，t h ew i n d o w sa p ia p p l i c a t i o nm e t h o d si n t h em o n i t o r i n g 武汉理工大学硕士学位论文 s o f t w a r eo ft h em a i n f r a m e ，a n dg i v e st h ef l o w c h a r to fs 3 c 4 4 b o xa n dm a i n f r a m e s o f t w a r e t h ec o n t r o l l i n gs y s t e ms h o u l du s et h ec l o s e d l o o pc o n t r o lm o d e ，b yc o m p u t e r r e a l i z i n gt h ed i s p l a y ，a d j u s t m e n ta n dc o n t r o lo fe a c hf u n c t i o n b yt h ee x p e r i m e n t s s h o w i n gt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mo fc o n t r o l l i n gm rd a m p e r sa c h i e v e st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dc a l lr e v e a lt h ew o r k i n gp a r a m e t e r so fe a c hm rd a m p e rc o n t r o li n t h em o n i t o r i n gm a i n f r a m e ，a c h i e v i n gt h es m o o t hr u n n i n g ，r a p i da n da c c u r a t e c o n t r o l l i n ga n de a s yr e g u l a t i o no ft h es y s t e m k e y w o r d s ：m rd a m p e r ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，l z c o s - i i ，w i n d o w sa p i i i i 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在掌位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 关于论文使用授权的说明 品4 多。 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：4 垒j 量：垒 导师( 签名) ：日期郇够o 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于企业委托项目“悬浮式斜拉桥磁流变阻尼器控制系统”。 计算机控制系统是自动控制理论、自动化技术与计算机技术紧密结合的产 物。控制理论的发展，尤其是现代控制理论的发展，与计算机技术息息相关， 利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机可以实现 常规控制以外的更复杂、更全面的控制方案。计算机成为现代控制的最有力的 工具。 阻尼器在汽车工业、机器人工业、高层建筑和桥梁等相关领域有着广泛的 应用f ； 景和巨大的市场潜力，这己成为广大科技人员的共识。 在大桥上安装阻尼器是2 0 世纪8 0 年代起采用的斜拉索制振措施。第一代 减振阻尼器指内置式的阻尼橡胶圈和油压式阻尼器。它们对于跨度不是很大的 斜拉桥( 如索长小于3 0 0 米) ，可以起到较好的减振效果。我国的武汉二桥、上 海卯港桥、南浦大桥、杨浦大桥、天津永和桥及日本多罗大桥均安装了内置阻 尼橡胶圈，对于较短的索，其减振作用是明显的，但对于长索其制振效果是有 限的。油压式阻尼器在法国的b r o t o n n e 桥、美国的s u n s h i n e s k y w a y 桥、日本的 a r u t s u 桥及我国的钱江三桥、南京二桥上均有应用。斜拉索第二代减速振阻尼器 克服了油压式阻尼器漏油、温度影响大的缺点，在日本及国内广为采用，白沙 州大桥、军山大桥，江西湖口大桥、鄂黄长江大桥等桥上的斜拉索均通过在其 近桥面安装的粘性阻尼器来抑制斜拉索的大振幅振动。近年发明的新型智能阻 尼器一m r 阻尼器，采用来纳米智能材料磁流变体制造，可实现对振动的半主动 控制，已经成功应用到洞庭湖大桥1 1j 1 2 1 。 用于大桥上的m r 阻尼器，当拉索的参数和外部激励改变时，通过施加给 调节m r 阻尼器的输入电压，可以将全桥每根拉索的阻尼力调到合适的大小， 保证每根拉索具有较大的模态阻尼比，但如果在相同情况下通过调节阻尼器的 输入电流，则m r 阻尼器会有更快的响应。而运用单片机控制电路，进行拉索 的参数和外部激励采样运算，改变控制电路中励磁电流，会立刻得到磁流变液 不同的流变性能，有利于实现自适应控制，并达到最佳减震效果，具有使电流 武汉理工大学硕士学位论文 值更稳定，精度更高，准确控制阻尼器调节阻尼力和优点【3 1 ，减小大桥在外部激 励下产生的大幅振动。与此同时，在应用过程中，需要检测m r 阻尼器控制器 的工作状态或对输入输出电压分析，而在工程现场，阻尼器控制器数量多，安 装距离工作人员较远，不宜利用r 2 3 2 c 等使用电缆的方式与上位机通信，故可 使用无线传输的方式来解决。 基于无线网络的m r 阻尼器监控系统，可以有效的对阻尼器进行控制，确 保阻尼器对大桥的保护作用，同时由多台m r 阻尼器控制系统与监测主机组成 无线网络，对各个控制器进行监测，可以减少施工布线难度以及工作人员的巡 检工作量。在以后的系统升级工作中，可以加强对控制器的远程控制。 1 2 相关技术国内外研究现状 查阅总结国内外关于阻尼器控制方法包括对m r 阻尼器的控制方法，发现 针对阻尼器的一般控制方法具有两点不足： ( 1 ) 程序存储波形 在一般的m r 阻尼器的控制系统中，最常使用的方法是在单片机存储部分 存好波形数据，在输出时先查表，然后经过p i 调节，再通过d a ( 数模转换) 输 出控制电压。 这种方式所需硬件较少，可降低控制器成本，但是所占用c p u 运算时间较 长，控制过程中大部分时间用于查表，而且波形参数较难设定，输出波形精度 差，使控制过程缓慢，控制效果较差，同时由于电路结构限制，仅能输出2 a 左 右的电流，无法满足大电流阻尼器的需求。 ( 2 ) 没有形成网络，只是单一的控制器 一般阻尼器控制器只是控制一台阻尼器，如果要使用的m r 阻尼器数量较 多，就需要相应数量的阻尼器控制器，并且在有的工作场合需要各阻尼器协调 工作，如果没有形成一个网络，协调工作就很难做到。 在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通等领域，基于网络的监控 系统已经屡见不鲜，并且在实际应用中已取得满意的效果【4 1 r l ，但是国内外缺少 应用于m r 阻尼器控制器的网络监控系统的相关报道，基于无线网络的m r 阻 尼器监控系统可以解决多台m r 阻尼器控制器工作状态无法监测、历史数据无 法保存的问题。 本设计旨在要设计一种对m r 阻尼器控制的网络系统基于无线网络的 2 武汉理工大学硕士学位论文 m r 阻尼器监控系统。 无线网络正以显著的优点被越来越广泛的应用到生产生活的各个领域，无 线网络具有以下特点【8 1 - l1 1 l ： ( 1 ) 可移动性 可以自由移动而不必利用线缆来实现对网络的接入是无线网络的最主要优 点，它可以满足大桥检测人员在大桥上一定的空间范围内对m r 阻尼器进行检 测的要求。 ( 2 ) 安装简易且费用低 在大桥上安装有线网络，不仅要考虑如何按照网络拓朴布线，而且由于线 缆长度非常长，安装费时费力。而使用无线网络，根本不需要考虑布线的复杂 程度，而“无线”更突出显示无线网络在传输介质方面优点，节省了电缆。 一般认为无线网络的安装要比成熟的有线网络安装费用高，但是如果从长 期来看，无线网络免去了线缆因为腐蚀造成的控制效果的下降、线缆更换所带 来的损失，维护费用降低。 ( 3 ) 提高网络的可靠性 在有线网络中线缆的腐蚀、检测终端的移动都会造成网络的中断，而无线 网络排除了这类线路问题所产生的故障。 正是这些优点，基于无线网络的m r 阻尼器监控系统中，采用每个控制器 通过无线传输模块连接的方法，将各个控制器采集到的数据传送到主机监测系 统。 随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易， 数据传输速度也越来越快。 在我国，国家无线电管理委员会将频段划分为专用频段和共用频段两种。 在无线电广播、电视、移动通信等专用频段内实行无线电频率或频道的指配。i s m ( 工业、科学和医疗设备) 频段是国家无线电管理委员会规定的无须申请执照 即可使用的频段。 基于i s m 频段的短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安 全性好、受地理条件限制较少、安全施工简便灵活等特点，在许多领域都有着 广阔的应用前景。针对不断发展的无线通信市场，国内外各大通信企业均推出 了自己的无线网解决方案，也出现了许多基于i s m 频段的无线通信芯片、无线 通信方式和无线通信协议，使得i s m 频段的无线通信技术发展迅猛【1 2 l 。 3 武汉理工大学硕十学位论文 1 3 本文主要研究内容 在进行基于无线网络的m r 阻尼器监控系统的设计过程中，不仅对控制器、 控制电路以及w i n d o w sa p i 进行了较深入的研究，而且在查阅资料及实验过程 中对m r 阻尼器有了一定的了解。本设计主要任务是根据m r 阻尼器产生的阻 尼力与控制电流的单调节递增关系，设计m r 阻尼器控制器，同时根据自动化 发展的趋势，设计以无线通信为基础的主机监测系统。 第1 章绪论。包括课题的背景、意义以及相关技术国内外研究现状。 第2 章基于无线网络的m r 阻尼器监控系统总体设计方案。根据m r 阻尼 器的控制原理，提出了基于无线网络的m r 阻尼器监控系统的整体方案，选择 了设计过程单片机、p c 机所用到开发环境。 第3 章m r 阻尼器控制系统。详细介绍了基于无线网络的m r 阻尼器监控 系统的主要部分之一m r 阻尼器控制系统的硬件控制电路中信号输入输出处理 电路的原理、驱动电路工作原理及硬件实现和采样处理以及无线通信程序流程 图。 第4 章主机监测系统。详细介绍了基于无线网络的m r 阻尼器监控系统的 上位机部分。其中无线接收模块控制器s 3 c 4 4 b o x 用到了实时内核g c o s i i ， 并且介绍了如何在s 3 c 4 4 b o x 的硬件环境下移植, c o s i i 。主机p c 使用b o r l a n d c + + b u i l d e r 开发环境编写了上位机软件。 第5 章总结与展望。对全文的总结，指出本设计的不足之处，并且对无线 网络自动控制的前景进行展望。 4 武汉理1 二大学硕士学位论文 第2 章基于无线网络的m r 阻尼器 监控系统方案设计 目前，一般的对m r 阻尼器控制的方法是利用存储好的波形，经过p i 算法 后，由d a 转换输出电压，控制恒流源电路，输出2 a 左右的电流1 1 3 】- 【1 5 】：单一 控制器仅能控制少量m r 阻尼器，并且不能保存各阻尼器的工作数据，为分析 阻尼器工作状态带来不便。本设计通过半桥驱动产生3 a 电流，并且利用无线网 络来将多台m r 阻尼器控制器连接起来，将各阻尼器工作数据传送到监测主机 由监测主机图形化显示并保存，方便工程人员进行数据分析。 2 1 系统设计要求 设计m r 阻尼器控制器包括控制电路及恒流源电路，为m r 阻尼器提供3 a 的驱动电流。 实现监测主机对多台( 本设计上限为1 2 台) m r 阻尼器控制器的数据采集、 以一定的格式保存并且以图形的方式显示出来。将保存的数据导入工程软件， 可以进行对m r 阻尼器控制器工作状态的分析，其数据主要包括大桥相对位移、 相对速度以及恒流源输出的电流值。 2 2 系统组成 本设计采用由位移传感器感应大桥位移值并且计算大桥移动速度，由位移 和速度两种输入量，决定恒流源电流输出，控制效果显著。 目前使用的m r 阻尼器控制器，由一台控制器控制一台m r 阻尼器，多台 m r 阻尼器控制器不能协调处理大桥振动，并且工作人员对于m r 阻尼器的工作 状态不能进行实时监测和数据保存。 为满足控制系统的集成，使控制自动化，利用网络将各控制器联接起来。 工业中常用的r s 4 8 5 总线或者c a n 总线就是在这种实际需求的驱动下应运而 生的1 1 6 1 【1 7 l 。工业应用中，利用各种总线技术，局域网技术等有线网络，把各个 设备利用网线连接起来，构成的监控系统有效解决了“信息孤岛”的困扰【1 8 j 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 但是要将各阻尼器控制系统连接起来，如果采用有线网络的方式，不仅现 场施工难度加大，费用高，而且不能满足移动处理数据的要求，所以“基于无线 网络的m r 阻尼器监控系统”，除去了各控制器与监测主机的物理连线，利用无 线模块将整个系统联系起来。其整个控制系统结构如图2 1 所示。 图2 1 系统组成框图 基于无线网络的m r 阻尼器监控系统主要包括两部分：m r 阻尼器控制系统 和监测主机。 m r 阻尼器控制系统由阻尼器控制器及无线模块组成，m r 阻尼器控制系统 一方面处理位移传感器采集的大桥位移值，并且输出控制电压，经过p i 调节后， 使恒流源电路输出驱动电流；另一方面，控制器将其所控制的m r 阻尼器工作 数据通过无线模块发送到监测主机。 监测主机由p c 与无线模块控制器组成，无线模块控制器将接收到的数据由 r s 2 3 2 c 送入到监测主机，由监测主机进行数据的图形显示，数据保存等。 2 3m r 阻尼器控制方案的选择 2 3 1 传递模型的提出 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简称m r 流体) 属可控流体，是智能 6 武汉理工大学硕士学位论文 材料中研究较为活跃的一支。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性 颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低 粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的b i n g h a l l 体特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后 的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能 优良的智能材料【1 9 】i 加1 。 m r 阻尼器是一种在磁场作用下阻尼可控的器件，磁流变阻尼器的工作原理 是改变励磁线圈中的电流从而获得不同强度的磁场，使工作腔中的磁流变液的 流动特性发生变化，从而改变阻尼力的大小。经典的磁流变阻尼器数学模型和 实验结果都表明，控制电流与阻尼之间是单调递增关系1 2 1 l 。 由磁流变液制造而成的阻尼器，即m r 阻尼器具有以下特剧2 2 l ： ( 1 ) 磁流变液减振器精确的实时控制； ( 2 ) 连续可逆变化的阻尼力； ( 3 ) 低电压低功耗： ( 4 ) 工业级的稳定性和耐久性； ( 5 ) 简洁的机电结构； ( 6 ) 使用寿命长。 实验表明，在最佳的工作温度范围内，磁流变阻尼器的性能调节响应速度 可以达到5 m s 或更小，从控制角度看，只需电流信号即可控制阻尼，动态响应 快，能耗低，完全可以满足对大桥的控制要求【2 3 】。 用于大桥上的m r 阻尼器的控制系统，拉索的参数和外部激励可通过位移 传感器检测。当位移发生改变时，通过调节磁流变阻尼器的输入电流，可以将 全桥每根拉索的阻尼力调到合适的大小，保证每根拉索具有较大的模态阻尼比， 保证大桥工作安全。 图2 2 是阻尼器控制系统方块图。 给定 图2 2 阻尼器控制系统方块图 7 武汉理- 丁大学硕士学位论文 图中，大桥是被控对象，其输出为被控参数位移；作用于大桥上的扰动是 指由于火车经过大桥或地震等对大桥产生的内外扰动；位移传感器为测量装置， 它可以检测到由于扰动使大桥产生的位移，并转换成电信号输到阻尼器控制器 中；阻尼器控制器由单片机及其外围电路组成，控制器将位移值采入并且按照 一定的算法规律( 如p i 调节，p i d 调节以及位移电流关系式) 输出控制量，作 用到阻尼器上；阻尼器在控制系统中是执行环节，根据输入量对位移量进行调 节。 2 3 2 反馈系统的基本组成 脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 技术是通过对一系列脉冲 的宽度进行调制来获得所需波形( 含形状和幅值) 的1 2 4 1 。 冲量( 指窄脉冲的面积) 相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 时，其效果基本相同，即有惯性环节的输出响应波形基本相同( 低频段非常相 近，仅在高频段略有差异) 。即将图2 3 所示不同脉冲加到图2 4 上时，感性负 载波形基本相同。 b )c ) 图2 3 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图2 4 感性负载示意图 l 武汉理t 大学硕士学位论文 用一系列等幅不等宽的脉冲代替一个正弦半波，即正弦半波补n 等份。正 弦半波可被看作由n 个相连的宽度相等而幅值不等的脉冲所组成的脉冲序列。 而用矩形脉冲代替正弦半波，其中点重合，面积相等，宽度按正弦规律变化。 面积等效原理如图图2 5 所示。 a ) b ) uil i lii _iii llil - 匿霪餍 雾 口 e - - - - - ；多 - ， ，二 ，酤t 图2 5 面积等效原理 由直流电源产生的p w m 波通常是等幅的p w m 波，由交流电源产生的p w m 波为不等幅p w m 波。 在控制m r 阻尼器的控制系统中，利用p w m 原理，通过控制电路产生不同 的电流来对m r 阻尼器进行控制，产生不同的阻尼力。最常使用的方法是在单 片机内的存储部分存好波形数据，再通过d a ( 数模转换) 输出电压，即电压模 式的控制系统。这种方式所需硬件较少，可降低控制器成本，其系统结构一般 为图2 6 所示。 图2 - 6 电压模式控制系统结构 采用电压模式控制系统仅有单一的电压控制环，通常使用p i 或p i d 调节对 系统开环频率特性进行较正，而这种方法降低了系统低频段的增益，使系统响 应速度变慢，动态特性变差，并且在控制电路部分利用此方法所占用c p u 运算 9 武汉理工大学硕七学位论文 时间较长，使控制过程中大部分时间用于查表，实时性能下降且波形参数较难 设定，输出波形精度差，使控制过程缓慢，控制效果较差1 2 5 1 - 【2 6 1 。 m r 阻尼器控制器控制模型如图2 7 所示，电流模式控制方式在系统中引入 电流反馈，以改善系统开环频率特性，使其变得更加容易校j e t 2 7 1 ，其中，给定 为m r 阻尼器控制系统安装时第一次a d 采样的值。 电流模式控制系统分两条不同路径控制。电流控制通过内部环路进行，电 压控制通过外部环路进行。它不仅可以响应电压变化，而且可以很快响应电流 变化，而不是电压控制模式中只响应电压变化。 根据对励磁线圈的等效电路分析可知电压型控制中，电感对于电压信号有 9 0 0 相位延迟，所以电流源响应速度快于电压源。因此本设计采用电流源控制方 式。 图2 7m r 阻尼器控制器控制模型 本设计中控制器运用单片机控制电路，进行拉索的参数和外部激励采样运 算，改变驱动电路中励磁电流，会立刻得到磁流变液不同的流变性能，有利于 实现自适应控制，并达到最佳减震效果，而且具有使电流值更稳定，精度更高， 准确控制阻尼器调节阻尼力和优点， 在电流环的控制电路中，电流 检测的方法主要有电阻检测法与电 流互感器检测法。 在大功率电路中一般使用电流 互感器检测法，电流互感检测在保 持良好波形的同时还具有较大的带 宽，电流互感器还提供了良好的电 气隔离，并且检测电流损耗也小。 电量传感器电路示意如图2 8 所 示。 减小大桥在外部激励下产生的大幅振动。 l o 图2 - 8 电量传感器电路示意 武汉理t 大学硕十学位论文 本设计使用电流互感检测的方法，使用了维博电子公司生产的w b l 3 4 2 s 0 1 电量传感器。 电量传感器分为直流输入正端( + ) 、直流输入负端( ) 、直流电压输出( v z ) 及地( g n d ) 。 2 3 3 单片机程序开发环境的选择 c 5 1 是c 语言向8 0 5 1 系列单片机上移植后专门用于单片机系统开发的一种 高级语言，由于它在单片机应用系统的开发过程中具有开发效率高、可读性强 等诸多优点，所以，采用c 5 1 设计单片机应用程序已经成为开发8 0 5 1 系列单片 机的普遍选择。 k e i lg v i s i o n 2 是目前流行的单片机开发工具之一，它集成了c 5 1 编译器、 a 5 1 汇编器、l 5 1 链接器、实时操作系统、项目管理器以及调试器，可以完成编 辑、编译、链接、调试、仿真等整个单片机开发流程。u v i s i o n 2 支持所有的k e i l 8 0 5 1 工具包括c 编译器宏汇编器连接定位器目标代码到h e x 的转换裂矧。 基于以上分析及现有条件，对c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机的编程，拟采用k e i l p v i s i o n 2 开发环境软件。 2 4 无线通信方案选择 2 4 1 无线通信技术的选择 在有线网络监测系统中，当设备数量较多时连线将十分复杂，而且只能用 于系统相对固定的工作场所。若系统移动至它处时，则需要重新布线：若添加 新测试仪器，需要增加连接线，使用不方便。采用无线通信网的测试系统，设 备通信以无线方式进行；设备之间不需连线就可以工作，组建系统十分方便。 所以可以选择无线网络技术，将各个设备连接【2 9 1 。 无线局域网技术标准主要有i e e e 8 0 2 1 1 系列、欧洲的h i p e r l a n 系列、 h o m e r f 、i r d a ( 红外) 和蓝牙等l 叫】。 i e e e 8 0 2 1 1 是1 9 9 8 年确定为无线局域网的协议标准。i e e e 8 0 2 1 1 标准规定 无线局域网的最小构件就是基本服务集( b a s i cs e r v i c e ss e t ，b s s ) 。一个b s s 包 括一个基站和若干个移动站，所有的站均运行相同的m a c 协议，采用竞争共享 同一无线媒体介质。 武汉理工大学硕士学位论文 由于i e e e 8 0 2 1 1 标准在物理层与其他有线传输介质不同，因此在物理层定 义了传输的信号特征和调制方法。目前，在i e e e 8 0 2 1 1 标准中的物理层由三种 方法实现1 3 l j 。 ( 1 ) 红外线技术( i r ) ：红外线技术采用小于耻m 波长的红外线作为传输媒 体介质，有较强的方向性，易受太阳光的干扰。红外线适合于近距离的通信， 通信支持的传输率为1 2m b s 。 ( 2 ) 跳频扩频技术( f h s s ) ：采用这种技术建立的局域网中，有2 2 组跳频 图案，包括7 9 个信道可供跳频使用，基本的接入速率为1m b s ，然而低速率传 输的信号覆盖范围要比高速率传输的信号覆盖范围大。跳频扩频技术不仅减少 其他无线电信号的干扰，而且对于其他无线电信号的干扰也比较小。 ( 3 ) 直接序列扩频( d s s s ) ：这种技术使用2 4g h z 的i s m 频段。当使用二 元相对移相键控时，基本接入速率为1m b s ；当使用四元相对移相键控时，接 入速率为2m b s 。 h o m e r f 主要为家庭网络设计，旨在降低语音数据成本。为了实现对数据包 的高效传输，h o m e r f 采用了i e e e 8 0 2 1 1 标准中的c s m a c a 模式，它与 c s m c d 类似，以竞争的方式来获取对信道的控制权，在一个时间点上只能有 一个接入点在网络中传输数据。不像其他的协议，h o m e r f 提供了对流业务 ( s t r e a mm e d i a ) 的真正意义上的支持。由于对流业务规定了高级别的优先权并 采用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实时性流业务所需的带宽和低干 扰、低误码。 所谓蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技 术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设 备之间的通信。 当前，已有不少关于无线通信技术应用在测试领域的报道。可以预言，无 线通信技术和测试系统、测试仪器的结合将更加紧密，并有望成为测试领域发 展的一个重要方向。 通用i s m 频段无线通信技术，使用3 1 5 m h z 、3 4 5 m h z 、4 3 3 m h z 、8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 等频段，主要分配给业余无线电、r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ，即无线射频标识) 等领域应用，实现语音和数据传输。目前有多 种单芯片射频收发器，能够稳定工作在以上一个或几个i s m 频段，实现数据的 无线传输，常用的有a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 1 1 s ，t i 公司的t r f 6 9 0 1 ，m i c r e l 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 公司的m i c r f s 0 0 ，n o r d i cs e m i c o n d u c t o ra s a 公司的n r f 9 0 5 等芯片。这些单 芯片射频收发器传输速率从6 0 k b p s 到1 2 8 k b p s ，数据在部分芯片的内部可以实 现曼彻斯特编码和曼彻斯特解码。配备合适的天线，上述芯片的有效传输距离 最远可以达到1 0 0 0 米1 3 2 j 。 综上所述，本系统拟采用的无线通信方式由单片机、无线通信芯片和天线 等一起构成，采用工作在通用i s m 频段的单芯片射频收发器作为无线通信芯片。 2 4 2 无线通信方式的选择 常用的多址通信方式包括时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 、码分多 址( c d m a ) , 空分多址( s d m a ) 和极分多址( p d m a ) 等。 基于无线网络的m r 阻尼器监控系统需要选择一种合适的通信方式来解决 多个控制系统通过无线模块同时向监测主机的无线通信模块传输数据时发生相 互干扰的可能。 本设计拟采用n r f 9 0 5 单片射频收发芯片，其工作在i s m 频段，运用轮询方式 进行控制系统与监测主机的通信。 2 4 3 上位机开发环境的选择 目前，用于开发上位机监控软件的开发环境多种多样，满足各种开发语言。 如运用b a s i c 语言开发的v i s u a lb a s i c ( v b ) ，运用p a s c a l 语言开发的d e l p h i ， 运用c 语言开发的v i s u a lc + + ( v c + + ) ，以及c + + b u i l d e r 。 由于c 语言既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为系 统设计语言，编写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不 依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛。c 语言既可以编写不涉 及硬件的系统应用程序，又可以直接对硬件编程，明显优于其它高级语言。并 且，c 语言具有绘图能力强，可移植性好，数据处理能力强大等其它种类语言所 不具备的优势。 随着编程概念的更新，v c l ( 可视化) 编程已经成为人们关注的焦点。 v i s u a lc + + 是编译型的通用开发平台，其主要优点是所生成的程序执行速度 快，具有方便全面的与w i n d o w s 操作系统的接口，适合于开发与操作系统、底层 硬件密切相关的软件；缺点是可视化程度低。 由b o r l a n dc - - + 系列发展而来的c + + b u i l d e r 程序语言就是一种典型的可视 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 化编程语言，由于它继承了，b o r l a n dc + + 程序设计语言中的优越的全功能平台， 弥补了可视化编程与功能平台之间的障碍，所以编程效率高、代码质量更加面 向对象，而且解决了诸如v i s u a lc + + c 择等可视化编程语言的代码执行效率低等 问题。 c + + b u i l d e r 是一个功能全面的w i n d o w s 应用程序开发工具，它的应用范围 非常广泛。通过c + + b u i l d e r ，编程人员可以编写一般的w i n d o w s 应用程序，也可 以编写复杂的企业级数据库应用程序，还可以编写各种动态链接库和a c t i v e x 控 件。程序员既可以使用b o r l a n d 提供的高层次类库v c l 来编写代码，也能够深入 w i n d o w s 底层，直接采用a p i 函数甚至内嵌汇编代码来强化程序功能【3 3 j 。 基于无线网络的m r 阻尼器监控系统的主机监测软件，选用b o r l a n dc + + b u i d l e r ( b c b ) ，进行上位机监测软件的开发。利用记事本保存数据，便于进一 步将记事本数据导入它工程软件进行分析。若有必要可以利用数据库控件进行 连接数据库操作。 2 5 本章小结 本章介绍了基于无线网络的m r 阻尼器监控系统系统结构。由单片机控制 的恒流源以及无线通信模块组成的m r 阻尼器控制器，m c u 在接收到位移传感 器送入的大桥位移值，以此来控制恒流源输出相应电流，作用到m r 阻尼器上， 来防止过大的位移对大桥造成的损坏，同时，控制器将数据由无线通信模块发 送到上位机处理。并且利用k e i l z v i s i o n 2 开发环境编写单片机程序。 利用b o r l a n dc + + b u i l d e r 开发环境编写的上位机监测软件，将m r 阻尼器 控制器经无线模块传送来的数据保存起来，通过图象显示出来，并且由动画显 示m r 阻尼器的工作状态。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章m r 阻尼器控制系统研究 基于无线网络的m r 阻尼器监控系统由m r 阻尼器控制系统和监测主机两 部分组成。本章主要介绍m r 阻尼器控制器的工作原理以及实现方式。 3 1m r 阻尼器控制系统工作原理 m r 阻尼器控制系统由单片机、p w m 控制电路、位移传感器、电量传感器、 驱动电桥以及无线模块组成。实际上，m r 阻尼器控制系统对m r 阻尼器的调节 作用相当于一个输出电流可调的恒流源。考虑到电磁干扰将控制器分为控制电 路与驱动电路，分布在不同的电路板上。 其中，控制电路由单片机、p w m 控制电路、位移传感器、电量传感器以及 无线模块组成，负责产生p w m 控制信号控制驱动电路工作。 驱动电路则主要功能为产生大功率的p w m 波，控制由2 2 0 v 交流电整流后 送入的半桥_ 的通断，以此来控制m o s f e t 通断，产生较大电流，驱动m r 阻尼 器产生阻尼力。m r 阻尼器控制系统结构如图3 - 1 所示。 园 图3 - 1m r 阻尼器控制系统结构 由图3 - 1 可以看出m r 阻尼器控制系统的工作过程。 ( 1 ) 当初始状态时，即大桥位移为0 时，位移传感器电压为中间值0 ，单 武汉理j j = 大学硕十学位论文 片机输出为0 v ，并且此时m r 阻尼器工作电流为0 a ，电量传感器输出电压也 为0 v ，m r 阻尼器产生阻尼力也为o n 。 ( 2 ) 由于外界干扰，如火车经过，大桥产生位移，由位移传感器感应并将 位移值( 电压值) 传送到单片机内，由于单片机加模块一直对传感器进行采 样，因此，可以计算出大