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基于LabVIEW FPGA的内模反馈控制仿真与实验研究

基于LabVIEW FPGA的内模反馈控制仿真与实验研究

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作者：季长涛哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

振动控制是振动工程领域一个重要的研究方向。有源控制由于其良好的外部扰动频率变化的适应性和低频控制性能,现在已成为振动工程领域中的热点。本文的研究方向主要是自适应内模反馈控制在有源控制中的应用。论文以NI公司的Lab VIEW软... 详细信息

振动控制是振动工程领域一个重要的研究方向。有源控制由于其良好的外部扰动频率变化的适应性和低频控制性能,现在已成为振动工程领域中的热点。本文的研究方向主要是自适应内模反馈控制在有源控制中的应用。论文以NI公司的Lab VIEW软件为开发平台,采用图形化编程的方式,开发了基于自适应内模反馈控制算法的仿真和控制软件,并在此基础上进行了振动主动控制的仿真和实验研究。本文首先详细推导了自适应标准LMS算法,对算法的稳定性做了理论分析,并将其应用于系统辨识。然后推导了前馈滤波x-LMS算法,在考虑到前馈控制需要参考信号,而参考信号有时不易获得时,前馈算法并不适用,因此进一步推导了内模反馈算法。以LabVIEW为平台,编写了系统辨识、基于离线辨识的内模反馈控制仿真程序,进行了单通道、双通道耦合的仿真分析,验证了开发程序的正确性和稳定性。由于传统的操作系统例如Windows下定时精度较低,而在时序要求严格的测控方面并不满足要求。因此,本文以LabVIEWFPGA为开发工具,开发了基于FPGA的控制算法程序,通过读写控件和先进先出队列(FIFO)实现FPGA与RT (Real Time)实时控制器的数据交换。FPGA (Field Programmable Gates Array)控制器主要负责内模控制算法运行,RT实时控制器保证算法运行以及A/D、D/A的实时性。通过打开FPGA VI引用,调用FPGA程序,并对系统辨识和基于离线辨识的内模反馈控制进行了仿真研究。在算法仿真研究的基础上,本文以NI公司生产的PXIe-8135实时控制器和PXI-7966R高性能FPGA控制器为硬件平台,以PXI6280/6123/6733实时数据采集卡以及SCXI-1125/1142/1102B等信号调理卡为A/D、D/A的硬件设备,在悬臂梁模型台架上进行了系统辨识和内模反馈控制的实验研究。实验表明,实时环境下可以精确的实现A/D、D/A和控制算法的运行。在误差通道离线辨识的基础上,实验过程中,在单频20Hz激励均取得了较好的控制效果。本文的仿真和试验均表明,LabVIEW平台具有良好的人机交互性,并且极大地缩短了开发的周期,能够高效、便捷的进行振动主动控制的仿真研究。通过使用LabVIEW RT和LabVIEWFPGA模块,开展振动主动控制的试验,能够保证算法对实时性的要求。

关键词：振动主动控制 LabVIEW FPGA 内模反馈控制算法误差通道辨识

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