本實(shí)用新型涉及一種以菱形框式壓電陶瓷激振部件為單元的多個(gè)部件并聯(lián)組合構(gòu)成的激振系統(tǒng)為控制對(duì)象的控制裝置，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

采用彈簧鋼菱形框結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷激振器，以其輕質(zhì)、小巧、推力大，工作頻率高等特點(diǎn)，成為了一種新型的激振裝置。由于其自身輕質(zhì)、小巧，很容易實(shí)現(xiàn)多激振器組合，構(gòu)成并聯(lián)激振系統(tǒng)。并聯(lián)激振系統(tǒng)尤其適用于離心機(jī)上安裝的激振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)武器和航天系統(tǒng)在飛行過(guò)程經(jīng)歷的高頻振動(dòng)與過(guò)載復(fù)合環(huán)境的模擬。

中國(guó)國(guó)外少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在二十世紀(jì)八十年代建立了振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)裝置，中國(guó)國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚。例如，專利公布號(hào)為“CN 104019830 A”、名稱為“一種標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合加速度輸出裝置”的發(fā)明專利，提出一種采用電磁振動(dòng)臺(tái)與離心機(jī)結(jié)合的復(fù)合加速度輸出裝置，但負(fù)載能力較小，主要用于慣性器件的校準(zhǔn)檢測(cè)。授權(quán)公告號(hào)為“CN 102506897”、名稱為“線振動(dòng)與過(guò)載組合測(cè)試方法及其裝置”的發(fā)明專利，采用圓盤式離心機(jī)和高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來(lái)組成振動(dòng)-過(guò)載復(fù)合試驗(yàn)裝置；申請(qǐng)公布號(hào)為“CN 103091118 A”、名稱為“過(guò)載復(fù)合環(huán)境測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)”的發(fā)明專利，采用在過(guò)載臺(tái)上加裝兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上各安裝一個(gè)隨動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)方式，創(chuàng)造了在實(shí)驗(yàn)室中模擬對(duì)象在真實(shí)環(huán)境中的各種動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)情況的新方法。此外，授權(quán)公告號(hào)為“CN 201777393 U”、名稱為“多參數(shù)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝置”的實(shí)用新型專利，申請(qǐng)公布號(hào)為“CN 103091118 A”、名稱為“過(guò)載復(fù)合環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)”的發(fā)明型專利，申請(qǐng)公布號(hào)為“CN103148869 A”、名稱為“一種大過(guò)載與線振動(dòng)復(fù)合測(cè)試設(shè)備”的發(fā)明專利，都是有關(guān)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)的裝置。然而這些實(shí)用新型創(chuàng)造均不能夠?qū)崿F(xiàn)部件級(jí)產(chǎn)品的高頻振動(dòng)與過(guò)載復(fù)合環(huán)境模擬，另一方面激振系統(tǒng)的體積較大和復(fù)雜程度較大，會(huì)大大增加用于承載激振系統(tǒng)的離心機(jī)容量，也會(huì)使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝更加復(fù)雜?，F(xiàn)目前，離心機(jī)上振動(dòng)臺(tái)主要為電液式或電動(dòng)式；其中，電液振動(dòng)臺(tái)上離心機(jī)技術(shù)較為成熟，但電液式振動(dòng)臺(tái)工作頻率低，無(wú)法滿足高頻振動(dòng)的要求，而電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)上離心機(jī)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，需考慮系統(tǒng)隔振、動(dòng)圈定中、冷卻等諸多問(wèn)題，技術(shù)至今仍不成熟。另外，中國(guó)國(guó)內(nèi)關(guān)于高頻壓電陶瓷激振系統(tǒng)控制方面的文獻(xiàn)尚無(wú)，相關(guān)的控制裝置的產(chǎn)品及樣機(jī)也未見推出。

另外，經(jīng)搜索專利文獻(xiàn)資料，未見其他公開的關(guān)于高頻壓電陶瓷激振系統(tǒng)控制裝置的相關(guān)文獻(xiàn)，更未見相關(guān)產(chǎn)品在應(yīng)用中使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)的控制方法及控制裝置。

本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置，包括機(jī)箱，還包括設(shè)于所述機(jī)箱中的第一模擬輸入卡、第二模擬輸入卡、第一模擬輸出卡、第二模擬輸出卡、FPGA單板機(jī)控制卡和直流電源卡，所述第一模擬輸入卡和所述第二模擬輸入卡構(gòu)成8路模擬輸入通道并用于接收MIMO振動(dòng)控制器的8個(gè)自由度輸出信號(hào)，所述第一模擬輸出卡和所述第二模擬輸出卡構(gòu)成8路模擬輸出通道并用輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給被控對(duì)象多壓電陶瓷激振器并聯(lián)激振系統(tǒng)的壓電陶瓷功率放大器，所述直流電源卡為所述FPGA單板機(jī)控制卡供電，所述FPGA單板機(jī)控制卡設(shè)有自由度分解矩陣電路、8個(gè)信號(hào)正值處理器和8個(gè)帶通濾波器，所述第一模擬輸入卡和所述第二模擬輸入卡的輸出端分別與所述自由度分解矩陣電路的輸入端對(duì)應(yīng)連接，所述自由度分解矩陣電路的輸出端分別與8個(gè)所述信號(hào)正值處理器的輸入端對(duì)應(yīng)連接，8個(gè)所述信號(hào)正值處理器的輸出端分別與8個(gè)所述帶通濾波器的輸入端對(duì)應(yīng)連接，8個(gè)所述帶通濾波器的輸出端分別與所述第一模擬輸出卡和所述第二模擬輸出卡的輸出端對(duì)應(yīng)連接。

進(jìn)一步，所述控制裝置還包括設(shè)于所述機(jī)箱上的用于控制電源通斷的開關(guān)按鈕、用于外接交流電源的電源接口和用于與上位機(jī)通訊的以太網(wǎng)接口。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型所述控制裝置采用嵌入式FPGA單板機(jī)作為核心控制器，運(yùn)算速度高達(dá)0.0625ms(即16K采樣頻率)閉環(huán)控制步長(zhǎng)；提供8路差分模擬輸入和8路模擬輸出，直流電源供電，整個(gè)控制器集成封裝在控制機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱外圍接口包括8路模擬輸入BNC通道和8路模擬輸出BNC通道、開關(guān)按鈕及以太網(wǎng)口，并通過(guò)以太網(wǎng)口與上位機(jī)通訊，能夠保證壓電式激振系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，也實(shí)現(xiàn)了多壓電陶瓷激振器并聯(lián)式激振系統(tǒng)的單向或多向振動(dòng)試驗(yàn)控制，尤其適用于離心機(jī)上或空間受限設(shè)備上的一維或多維高頻振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型所述多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置的主視圖；

圖2是本實(shí)用新型所述多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置的后視圖；

圖3是本實(shí)用新型所述多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置的電路框圖。

具體實(shí)施方式

下面以一個(gè)詳細(xì)推演本實(shí)用新型控制裝置的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明：

實(shí)施例：

如圖1、圖2和圖3所示，一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置，包括機(jī)箱和所述機(jī)箱中的第一模擬輸入卡3、第二模擬輸入卡4、第一模擬輸出卡1、第二模擬輸出卡2、FPGA單板機(jī)控制卡5、直流電源卡6、開關(guān)按鈕9、電源接口7、以太網(wǎng)接口8，第一模擬輸入卡3和第二模擬輸入卡4構(gòu)成8路模擬輸入通道并用于接收MIMO振動(dòng)控制器的8個(gè)自由度輸出信號(hào)，第一模擬輸出卡1和第二模擬輸出卡2構(gòu)成8路模擬輸出通道并用輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給被控對(duì)象多壓電陶瓷激振器并聯(lián)激振系統(tǒng)的壓電陶瓷功率放大器，直流電源卡6為FPGA單板機(jī)控制卡5供電，F(xiàn)PGA單板機(jī)控制卡5上設(shè)有自由度分解矩陣電路、8個(gè)信號(hào)正值處理器和8個(gè)帶通濾波器，第一模擬輸入卡3和第二模擬輸入卡4的輸出端分別與自由度分解矩陣電路的輸入端對(duì)應(yīng)連接，自由度分解矩陣電路的輸出端分別與8個(gè)信號(hào)正值處理器的輸入端對(duì)應(yīng)連接，8個(gè)信號(hào)正值處理器的輸出端分別與8個(gè)帶通濾波器的輸入端對(duì)應(yīng)連接，8個(gè)帶通濾波器的輸出端分別與第一模擬輸出卡1和第二模擬輸出卡2的輸出端對(duì)應(yīng)連接，開關(guān)按鈕9用于控制電源通斷，電源接口7用于外接交流電源，以太網(wǎng)接口8用于與上位機(jī)通訊。

圖1中的第一模擬輸入卡3和第二模擬輸入卡4與圖3中的多路信號(hào)輸入接線端對(duì)應(yīng)，圖1中的第一模擬輸出卡1和第二模擬輸出卡2與圖3中的多路信號(hào)輸出接線端對(duì)應(yīng)。

為了驗(yàn)證本實(shí)用新型所述控制裝置的可行性，下面以一個(gè)優(yōu)選的控制方法來(lái)進(jìn)行具體說(shuō)明，但下述控制方法并非唯一方法，也不是本實(shí)用新型的保護(hù)對(duì)象。

結(jié)合圖1-圖3，一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)采用的優(yōu)選控制方法，用于對(duì)MIMO振動(dòng)控制器的多個(gè)自由度輸出信號(hào)進(jìn)行處理，包括以下步驟：

(1)設(shè)計(jì)自由度合成矩陣與自由度分解矩陣：根據(jù)多個(gè)壓電式激振器激振點(diǎn)的空間幾何位置和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)自由度與激振器驅(qū)動(dòng)的自由度合成矩陣與自由度分解矩陣，激振器的數(shù)量與自由度維數(shù)相同；

本步驟的具體方法為：

為清楚地描述負(fù)載(臺(tái)體與被試件)的運(yùn)動(dòng)情況，需要建立兩個(gè)坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系o-xyz和動(dòng)坐標(biāo)系o′-x′y′z′，慣性坐標(biāo)系與大地固連，坐標(biāo)原點(diǎn)為臺(tái)體處于中位時(shí)的臺(tái)體幾何中心所在位置；動(dòng)坐標(biāo)系與臺(tái)體固連，并隨臺(tái)體運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，其坐標(biāo)原點(diǎn)為臺(tái)體幾何中心，兩者在振動(dòng)臺(tái)工作零位位置重合，并且動(dòng)坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的指向始終與慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向相同。忽略試件的偏心位置，X向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離為l_x，Y向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離為l_y。

根據(jù)激振器的空間幾何分布和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，8個(gè)激振器輸出與6自由度輸出的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式如下：

式中：V_e是8個(gè)激振器的輸出信號(hào)，V_e＝[v_x1，v_x2，v_y1，v_y2，v_z1，v_z2，v_z3，v_z4]^T，是6自由度合成輸出信號(hào)，是6×8的自由度合成矩陣，具體如下：

由于為6×8的自由度合成矩陣為二次靜不定矩陣，只有偽逆矩陣，且對(duì)應(yīng)的自由度分解矩陣是不唯一的。因此，需要將6自由度運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展為8自由度運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)體在激振過(guò)程中，還存在兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即激振器z₂,z₃向下趨勢(shì)時(shí)而z₁,z₄有向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，振動(dòng)臺(tái)體產(chǎn)生一種“馬鞍”形運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。同時(shí)，x₁,y₂有縮回趨勢(shì)而x₂,y₁有伸出運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)體產(chǎn)生的一種“菱形”運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。因此，在6自由度中增加兩個(gè)扭曲自由度，此時(shí)形成的8激振器輸出和8自由度輸出的所述自由度合成矩陣為：

其中，l_x為X向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離，l_y為Y向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離；

8自由度輸出信號(hào)U_dof為：

U_dof＝H_c·V_e

V_e為8個(gè)激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

8激振器輸出和8自由度輸出的自由度分解矩陣為：

(2)在控制方法中引入分解矩陣，將MIMO振動(dòng)控制器的自由度輸出信號(hào)與自由度分解矩陣H_f相乘，得到各個(gè)激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；試驗(yàn)中要將控制自由度數(shù)與組合式壓電陶瓷激振器個(gè)數(shù)設(shè)置為相同。

(3)將得到各個(gè)激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)正值處理和濾波處理后獲得最終的壓電激振器有效驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將該驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送至壓電陶瓷功率放大器，從而實(shí)現(xiàn)多壓電激振器的激振；

根據(jù)壓電陶瓷的工作原理可知，壓電陶瓷只接收正向電壓，電壓與壓電陶瓷的伸長(zhǎng)位移成正比關(guān)系，當(dāng)接收負(fù)向電壓時(shí)，壓電陶瓷不工作。因此，這里需要對(duì)常規(guī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行正值處理。當(dāng)接收的電壓正向增大時(shí)，壓電陶瓷的位移正向增加，當(dāng)接收的正向電壓減小時(shí)，則利用菱形框彈簧鋼的回彈力和電壓減小量共同作用使壓電陶瓷的位移縮小。

對(duì)各個(gè)激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行正值處理的計(jì)算公式為：

u_z(t)＝u(t)+K·rms(u(t-1),…u(t-N))

其中，K為修正系數(shù)，在正弦振動(dòng)時(shí)取為1.414，在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)取為1.5，rms(u)表示對(duì)計(jì)算得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域均方根處理，處理方法如下：

其中，k表示當(dāng)前時(shí)刻，N表示計(jì)算長(zhǎng)度，一般取N＝2000。

濾波時(shí)，根據(jù)壓電陶瓷激振器的頻率特性和激振系統(tǒng)的工作頻率設(shè)計(jì)各個(gè)激振器的濾波器參數(shù)。主要參數(shù)包括濾波器類型、濾波器階數(shù)、濾波器的上限頻率和下限頻率等。主要參數(shù)分別設(shè)置如下：

1)采用頻率設(shè)置為16000Hz；

2)濾波器類型為切比雪夫，帶通；

3)濾波器階數(shù)設(shè)置為3階；

4)濾波器的上限頻率為2000Hz和下限頻率為100Hz。

另外，若與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，則可通過(guò)上位機(jī)設(shè)置通道參數(shù)、濾波參數(shù)、正值參數(shù)及自由度分解矩陣設(shè)置。通道參數(shù)包括通道選擇、信號(hào)衰減系數(shù)及限制參數(shù)；濾波參數(shù)包括采樣頻率、濾波器階數(shù)及頻率上、下限頻率等。

(4)利用MIMO振動(dòng)控制器的功能，設(shè)置各個(gè)自由度的控制參考譜，對(duì)于主振自由度方向，設(shè)置相應(yīng)量級(jí)的控制參考譜；對(duì)于非主振自由度方向，則設(shè)置小量的控制參考譜，以約束非主振方向上的振動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，將采集到的各個(gè)激振器的加速度信號(hào)與自由度合成矩陣H_c相乘，獲得的信號(hào)作為控制器反饋量，設(shè)置主振方向?yàn)閷?duì)應(yīng)的控制譜，其余方向則設(shè)置為小量，以保證并驅(qū)控制后，在主振方向上激振，而其他方向上的振動(dòng)約束至小量，從而有效地實(shí)現(xiàn)了多壓電陶瓷激振器并聯(lián)激振系統(tǒng)的單向或多向振動(dòng)。

上述實(shí)施例只是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本實(shí)用新型專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。