超低频高幅振动位移实时处理技术及其DSP应用研究

论文摘要

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(1HZ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(Net Crane MonitoringAssessment System)实现了超低频高幅位移振动的实时分析计算。由于NetCMAS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tLen和时间常数τ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DSP(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(0.3Hz信号误差9.02%),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10%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DSP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DSP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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究对象、意义及国内外研究现状和必要性分析
• 1.2.1 研究对象和意义
• 1.2.2 国内外相关研究现状
• 1.2.3 本文研究工作的目的与主要任务
• 第二章 超低频高幅振动位移的实时处理技术简述
• 2.1 超低频高幅振动位移实时处理技术的理论模型
• 2.1.1 超低频高幅振动位移实时处理技术的积分模块
• 2.1.2 超低频高幅振动位移实时处理技术的隔直模块
• 2.2 超低频高幅振动位移的实时处理技术的实现
• 2.2.1 基于数字信号处理器为核心的信号处理系统
• 第三章 超低频高幅振动位移实时处理技术的计算仿真
• 3.1 单一频率信号数据的计算仿真
• 3.1.1 单一频率信号仿真计算分析
• 3.1.2 单一频率信号仿真位移信号滤波处理分析
• 3.2 结论
• 第四章 超低频高幅振动位移实时处理技术的硬件实现
• 4.1 硬件总体设计
• 4.1.1 模拟量输入模块设计
• 4.1.1.1 A/D预处理模块设计
• 4.1.2 DSP数据处理模块设计
• 4.1.2.1 A/D转换模块设计
• 4.1.2.2 数据处理模块设计
• 4.1.3 外部扩展存储器设计
• 4.1.4 D/A模块设计
• 4.1.5 辅助电路模块设计
• 4.1.5.1 电源设计
• 4.1.5.2 JTAG电路模块设计
• 4.2 硬件电路的抗干扰设计
• 第五章 超低频高幅振动位移实时处理技术的软件实现
• 5.1 系统软件总体方案
• 5.2 DSP程序设计
• 5.2.1 系统软件初始化
• 5.2.1.1 DSP器件初始化及配置
• 5.2.1.2 数据处理初始化
• 5.2.2 A/D初始化及其转换
• 5.2.3 核心算法处理
• 5.2.4 D/A输出
• 5.3 程序移植和代码优化
• 5.3.1 程序移植问题
• 5.3.2 代码优化问题
• 第六章 超低频高幅振动位移实时处理技术实验验证
• 6.1 超低频高幅振动位移实时处理技术最优处理方案验证
• 6.1.1 实验方案确定
• 6.1.2 实验装置介绍
• 6.1.3 模拟装置振动信号仿真处理
• 6.1.4 现场工程信号处理
• 6.2 DSP硬件系统实验验证
• 6.2.1 实验方案确定
• 6.2.2 基于单一频率信号的DSP硬件系统实验验证
• 6.2.3 基于实验信号的DSP硬件系统实验验证
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 对将来开发和应用的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间完成的科研论文以及有关科研项目