可控震源的廣義預測控制系統的制作方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種可控震源控制系統，特別是涉及一種可控震源的廣義預測控制系 統。
【背景技術】：
[0002] 可控震源能夠對地激發小能量的可控震動信號，利用脈沖壓縮的方法達到類似炸 藥震源的大功率地震波激發效果。由于可控震源波形參數可控、安全環保等優勢，在地震勘 探中已經得到廣泛的應用。但是受到可控震源基板與大地耦合不佳、系統非線性等的影響， 可控震源開環輸出信號存在嚴重的信號畸變，其不僅表現在各頻段激發信號激發信號幅度 上的不一致，還表現為激發信號與輸入信號相位上不一致。可控震源激發信號的畸變將對 地震勘探的精度和分辨率會造成嚴重影響。國外已經有很多對可控震源進行反饋控制的研 宄，Laing使用鎖相環追蹤可控震源基板加速度的相位，但鎖相環采用過零檢測來獲得相位 信息，易受高次諧波與環境噪聲影響，造成相位的誤判。Sercel公司使用高斯二次型最優控 制實現對其震源的反饋控制，但仍在一定程度上依賴震源及震源與大地耦合模型。而可控 震源地震勘探過程涉及的地表及地下環境復雜多變，模型受環境影響大。
【發明內容】
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[0003] 本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足，提供一種適于各類復雜地表及地 下環境的基于廣義預測算法的可控震源控制系統。
[0004] 本發明的主要思想是：基于廣義預測算法的可控震源控制系統，首先設定可控震 源的期望輸出，然后通過兩路采集通道測得可控震源輸出信號，根據當前震源輸出信號與 期望輸出信號得到廣義預測控制的參考軌跡；接著利用可控震源輸出信號與相應的控制量 通過系統辨識得到可控震源系統模型參數；最后通過求解丟番圖方程，利用可控震源的參 考軌跡、系統模型，來獲得使預測輸出接近期望輸出的控制量，該控制量經功率放大驅動可 控震源激振器對地輸出震動信號。在基于廣義預測算法的可控震源控制系統中，包含兩路 加速度采集通道、一個信號輸出通道；以DSP作為主控芯片，控制鍵盤模塊與液晶顯示模 塊，并通過串口通訊、SPI通訊與可編程邏輯門陣列（FPGA)實現快速通訊。在FPGA中編程 搭建可控震源模型參數辨識模塊、控制量求取模塊，以及用于產生目標軌跡的信號發生器。 其中，模型參數辨識模塊、控制量求取模塊中的大量運算則通過SPI通訊，在DSP中實現，提 高了運算速度。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0006] 可控震源的廣義預測控制系統，是由DSP1分別連接液晶顯示模塊3和鍵盤模塊2， DSP1經模型參數辨識模塊5控制量求取模塊8連接，DSP1經信號發生器4和參考軌跡設 定模塊6與控制量求取模塊8連接，DSP1經控制量求取模塊8、D/A轉換器17、低通濾波器 C18、信號放大器19B和功率放大器20與激振器21的反應體連接，加速度傳感器A15經信 號放大器13、低通濾波器11B、A/D轉換器A9和加權模塊7與模型參數辨識模塊5連接，加 速度傳感器B16經信號放大器A14、低通濾波器A12、A/D轉換器B10和加權模塊7與模型 參數辨識模塊5連接構成。
[0007] 可控震源的廣義預測控制系統的控制方法，包括以下步驟：
[0008]a、工作前，用戶通過鍵盤2設置可控震源輸出波形參數、工作時間、采集電路中A/ D采樣頻率、廣義預測控制優化時域Nu和系統辨識模型階次N控制參數，并通過串口通訊 發送給FPGA，液晶顯示屏3實時顯示可控震源工作的波形參數、波形類型、掃描時間、辨識 模型階次、預測時域、控制時域信息；
[0009] b、系統上電后，信號采集模塊③和加速度傳感器al5和1加速度傳感器b6進入工 作狀態；
[0010] C、開始工作時，DSP1給廣義預測控制單元②、信號采集單元③和信號輸出單元④ 中的各模塊發送開始工作命令；
[0011] d、信號發生器4接收到FPGA發出的工作指令后，按步驟a中設定的參數產生可控 震源期望輸出波形s;
[0012] e、設定初始時刻k= 0,此時加權模塊的歷史輸出[y(k),y(k-l), . . .，y(k-N)]與 控制量的歷史記錄[u(k),u(k-l),. . .，u(k-N)]均為0,k為離散時間點；
[0013] f、廣義預測控制單元②中，加權模塊7按照公式y(k) =n^aiGO+n^aJk)，計算 得到可控震源輸出信號y(k)，其中分別為基板質量與反應體質量；模型參數辨識模塊 5利用系統記錄的可控震源輸出信號：
[0014] [y(k)，y(k-l)，? ? ?，y(k-N)]、控制量[u(k)，u(k-l)，? ? ?，u(k-N)]，
[0015] 通過系統辨識，輸出辨識得到可控震源系統模型參數a、b;參考軌跡設定模塊6通 過加權模塊7得到的y(k)與信號發生器模塊4產生的可控震源的期望輸出s得出可控震 源廣義預測控制系統的參考軌跡w;控制量求取模塊8由震源模型的參數a、b與參考軌跡 w，通過丟番圖方程，獲得可控震源將來時刻預測激發信號[.形+ 1),…,.砂 +MO]接近于參 考軌跡[w(k+1),. . . ,w(k+Nu)]時，控制量[u(k+1),. . . ,u(k+Nu)]的值；
[0016] g、D/A轉換器17將控制量[u(k+1)，. ..，u(k+Nu)]，按照設定的轉換速率，依次轉 換模擬信號，在經過低通濾波器18濾波，運算放大器19放大后，通過功率放大器20驅動可 控震源激振器21對地激發振動信號。同時，信號采集模塊③將加速度傳感器檢測到的可控 震源基板加速度與反應體加速度，經過放大、濾波后，通過A/D轉換器10和A/D轉換器9轉 換為數字形式(k)、a2 (k)，送入FPGA，通過加權和運算求得可控震源激發信號y(k);
[0017] h、重復e?g過程，實現對可控震源廣義預測控制。
[0018]有益效果：本發明采用DSP作為主控芯片；使用FPGA作為下位機，控制信號采集 單元與信號輸出單元工作，通過編程方式集成了用于廣義預測控制的加權模塊、信號發生 器、模型參數辨識模塊、控制量求取模塊；廣義預測控制中的大量數據運算又通過DSP完 成。系統包含兩路信號采集電路，一路信號輸出電路。其主要優勢包括：采用廣義預測控制 方式實現對可控震源的閉環控制不需分別對震源輸出信號的幅度和相位進行控制；不依賴 固定的震源模型。此外，系統采用可編程邏輯陣列（FPGA)實現，電路體積小，集成度高，降 噪能力強，運算速度快。可控震源地震勘探要求在不同震源點震源激發的地震波信號與震 源控制信號一致，而實際的可控震源激發信號受震源控制信號、震動系統結構、基板與大地 耦合等因素制約。由于震動系統存在非線性，基板與大地耦合系統隨施工區域地表環境及 地下構造而變化。在此條件下，現有的控制系統難以取得好的控制精度。而基于廣義預測 算法的可控震源控制系統，特別適于復雜施工條件下的可控震源控制，同時，能夠降低震源 系統由于長期使用老化等因素引起的系統輸出信號畸變，提高可控震源控制的精度與系統 的魯棒性。
[0019] 不需分別對震源輸出信號的幅度和相位進行控制，而是將信號采集模塊③采集到 的可控震源激振器基板與反應體加速度數據通過加權得到可控震源輸出信號，利用可控震 源輸出信號、可控震源通過D/A轉換器輸出的控制量實時辨識得到震源模型，以設定的可 控震源的期望輸出信號與實際輸出信號為基礎給出參考軌跡，利用震源模型、可控震源輸 出信號與參考軌跡對可控震源進行控制。
【附圖說明】：
[0020] 圖1可控震源的廣義預測控制系統結構框圖。
[0021] 圖2控制量求取模塊輸出的控制量。
[0022] 圖3可控震源期望信號與廣義預測控制后輸出信號。
[0023] ①主控單元，②廣義預測控制單元，③信號采集模塊，④信號輸出模塊，⑤可控震 源單元。
[0024] 1DSP，2鍵盤模塊，3液晶顯示模塊，4信號發生器，5模型參數辨識模塊，6參考軌跡 設定模塊，7加權模塊，8控制量求取模塊，9A/D轉換器A，10A/D轉換器B，11低通濾波器A， 12低通濾波器B，13信號放大器A，14信號放大器，15加速度傳感器A，16加速度傳感器B， 17D/A轉換器，18低通濾波器C，19信號放大器B，20功率放大器，21激振器。
【具體實施方式】：
[0025] 下面結合附圖和實施例作進一步說明。
[0026] 可控震源的廣義預測控制系統，是由DSP1分別連接液晶顯示模塊3和鍵盤模塊2， DSP1經模型參數辨識模塊5控制量求取模塊8連接，DSP1經信號發生器4和參考軌跡設 定模塊6與控制量求取模塊8連接，DSP1經控制量求取模塊8、D/A轉換器17、低通濾波器 C18、信號放大器19B和功率放大器20與激振器21的反應體連接，加速度傳感器A15經信 號放大器13、低通濾波器11B、A/D轉換器A9和加權模塊7與模型參數辨識模塊5連接，加 速度傳感器B16經信號放大器A14、低通濾波器A12、A/D轉換器B10和加權模塊7與模型 參數辨識模塊5連接構成。
[0027] 由DSP1分別連接鍵盤模塊2、液晶顯示模塊3構成主控單元①；由加權模塊7通 過模型參數辨識模塊5與控制量求取模塊8相連，由加權模塊7通過參考軌跡設定模塊6與 控制量求取模塊8相連，由信號發生器4通過參考軌跡設定模塊6與控制量求取模塊6相 連構成廣義預測控制單元②；由信號放大器13通過低通濾波器11與A/D轉換器9相連，由 信號放大器14通過低通濾波器12與A/D轉換器10相連，構成信號采集模塊③；由D/A轉 換器17經低通濾波器18、信號放大器19與功率放大器20相連構成信號輸出模塊④；由激 振器21與連接在激振器基板上的加速度傳感器16、連接在激振器反應體上的加速度傳感 器15構成可控震源單元⑤。<