一種多維正弦振動(dòng)控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種以液壓或電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、激振系統(tǒng)及激振器為控制對(duì)象的多維正弦振動(dòng)控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]正弦振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性，暴露結(jié)構(gòu)材料和工藝缺陷，分析機(jī)械振動(dòng)特性所必要的措施，也是解決各種機(jī)械和結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的一個(gè)重要手段。同時(shí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)也是模擬具有正弦性質(zhì)特征如旋轉(zhuǎn)機(jī)械、直升機(jī)旋翼、高鐵機(jī)車受電弓、艦船海上低頻等的重要振動(dòng)模擬試驗(yàn)。早期受理論、技術(shù)和設(shè)備限制，只能開展單振動(dòng)臺(tái)單軸向振動(dòng)試驗(yàn)，無(wú)法真實(shí)模擬產(chǎn)品實(shí)際使用過(guò)程中的多維振動(dòng)環(huán)境，隨著振動(dòng)模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，一維振動(dòng)模擬試驗(yàn)已經(jīng)不再能夠滿足振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展要求，多維振動(dòng)試驗(yàn)已越來(lái)越被受人們的重視。多維正弦振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用也是十分的廣泛，如受電弓模擬是兩個(gè)自由度的正弦振動(dòng)，海上低頻為兩自由度的正弦振動(dòng)，以及多自由度轉(zhuǎn)臺(tái)為正弦轉(zhuǎn)動(dòng)等。另外，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積較大、質(zhì)量較大的試件，單臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備不能提供足夠的激振力，需采用雙臺(tái)或多臺(tái)組合并推開展正弦振動(dòng)時(shí)也需要采用多維正弦振動(dòng)控制技術(shù)，以滿足試件的振動(dòng)試驗(yàn)要求。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)在多軸振動(dòng)臺(tái)研制技術(shù)方面有了一定的發(fā)展，相繼于2005年由哈工大和中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合研制了 2mX4m的三軸六自由度液壓振動(dòng)臺(tái)，于2010年蘇試試驗(yàn)公司建立了三軸電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)及雙臺(tái)組合并推等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)包括航天希爾、蘇試及東凌等電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)制造廠家，均具備構(gòu)建多軸向電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和多電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)組合并推的能力，中物院、哈工大則具備建立各種結(jié)構(gòu)多維液壓振動(dòng)臺(tái)及激振系統(tǒng)的能力，多軸振動(dòng)臺(tái)的研制技術(shù)已經(jīng)較為成熟。然而多維正弦振動(dòng)控制器國(guó)內(nèi)至今沒(méi)有推出成熟產(chǎn)品，其控制器都是采用國(guó)外進(jìn)口控制器，如國(guó)際上SD和LMS公司的控制器。國(guó)外控制器由于封裝了控制軟件，其核心算法不對(duì)外開放且功能固定，在許多應(yīng)用方面讓用戶使用感到困難(如系統(tǒng)本底噪聲要求限制過(guò)嚴(yán)，預(yù)試驗(yàn)低頻位移過(guò)大，高頻啟動(dòng)出現(xiàn)過(guò)沖等問(wèn)題)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種多維正弦振動(dòng)控制裝置。
[0005]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:
[0006]—種多維正弦振動(dòng)控制裝置，包括上位機(jī)、PXI實(shí)時(shí)控制器、數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器和位移傳感器，所述上位機(jī)與所述PXI實(shí)時(shí)控制器電連接，所述PXI實(shí)時(shí)控制器的信號(hào)輸入端通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡與所述加速度傳感器和所述位移傳感器連接，所述加速度傳感器和所述位移傳感器對(duì)振動(dòng)臺(tái)及試件進(jìn)行幅值采集。
[0007]進(jìn)一步，還包括信號(hào)接口箱，所述信號(hào)接口箱用于連接所述數(shù)據(jù)采集卡和外部硬件信號(hào)的輸入和輸出。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0009]本實(shí)用新型多維正弦振動(dòng)控制方法及控制裝置不僅控制穩(wěn)定，且具有I?6維的正弦振動(dòng)控制能力，適用于多維正弦振動(dòng)控制或正弦試驗(yàn)。另外，針對(duì)不同控制維數(shù)可以設(shè)置不同的初始相位，形成多種組合方式下的正弦振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用了 FFT和濾波器組合的幅值識(shí)別技術(shù)，半正弦窗平穩(wěn)啟頻技術(shù)，多維驅(qū)動(dòng)幅值在線更新方法，以及加速度、位移混合控制方法，將可獲得滿意的試驗(yàn)效果，同時(shí)本實(shí)用新型系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、模塊少、易于安裝、維修方便。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本實(shí)用新型所述多維正弦振動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0011]圖2是本實(shí)用新型所述多維正弦振動(dòng)控制方法的流程示意圖；
[0012]圖3是本實(shí)用新型所述多維正弦振動(dòng)控制方法的工作原理框圖；
[0013]圖4是本實(shí)用新型所述幅值修正與控制算法的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0015]如圖1所示，本實(shí)用新型一種多維正弦振動(dòng)控制裝置，包括上位機(jī)、PXI實(shí)時(shí)控制器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)接口箱、加速度傳感器和位移傳感器，上位機(jī)與PXI實(shí)時(shí)控制器電連接，PXI實(shí)時(shí)控制器的信號(hào)輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與加速度傳感器和位移傳感器連接，加速度傳感器和位移傳感器對(duì)振動(dòng)臺(tái)及試件進(jìn)行幅值采集，信號(hào)接口箱用于連接數(shù)據(jù)采集卡和外部硬件信號(hào)的輸入和輸出。
[0016]上位機(jī)為普通計(jì)算機(jī)安裝多維正弦振動(dòng)控制軟件，下位機(jī)為PXI實(shí)時(shí)控制器并嵌入具有高速運(yùn)算能力的FPGA數(shù)據(jù)采集卡，該卡包含了模擬輸出通道8路和模擬差分輸入通道8路。
[0017]FPGA數(shù)據(jù)采集卡用于采集加速度傳感器或位移傳感器信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中參與算法修正，加速度傳感器或位移傳感器將被控對(duì)象的的多通道測(cè)量信號(hào)通過(guò)自由度合成矩陣轉(zhuǎn)換為自由度合成信號(hào)，通過(guò)多維正弦振動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)更新算法將獲得多自由度驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并由FPGA數(shù)據(jù)采集卡將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送至被控對(duì)象。
[0018]如圖2所示，一種多維正弦振動(dòng)控制方法，包括以下步驟:
[0019]系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定:系統(tǒng)參數(shù)包括頻率、控制維數(shù)、控制通道、運(yùn)行計(jì)劃和安全參數(shù)；
[0020]系統(tǒng)自檢:檢測(cè)系統(tǒng)的本底噪聲、判斷系統(tǒng)是否開環(huán)并預(yù)估最大驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0021]系統(tǒng)辨識(shí):進(jìn)行系統(tǒng)傳遞函數(shù)估計(jì)，并傳遞函數(shù)矩陣辨識(shí)；
[0022]正弦振動(dòng)啟頻:采用半正弦窗的方法啟頻到實(shí)驗(yàn)量級(jí)；
[0023]設(shè)掃頻開始量級(jí)為L(zhǎng)I，在時(shí)間T (S)內(nèi)，頻率停留在開始頻率上，參考量級(jí)設(shè)定為L(zhǎng)l(sin0)3，Θ在T (s)的時(shí)間內(nèi)從O變化到31/2。啟頻所需時(shí)間為T (s)，經(jīng)過(guò)T (s)后，驅(qū)動(dòng)到達(dá)掃頻啟動(dòng)所需量級(jí)掃頻開始，并且在啟頻的過(guò)程中，正弦振動(dòng)控制處于閉環(huán)狀態(tài)，振動(dòng)臺(tái)對(duì)象受控，采用半正弦窗方法，掃頻無(wú)論從低頻還是高頻啟動(dòng)，啟頻時(shí)間都需T (S)，可解決高頻啟動(dòng)速度過(guò)快問(wèn)題，使啟頻更平穩(wěn)。
[0024]正弦掃頻:掃頻方式包括濾波器方法和FFT幅值識(shí)別方式；
[0025]當(dāng)正弦信號(hào)頻率低于60Hz時(shí)，正弦掃頻采用FFT幅值識(shí)別方式，F(xiàn)FT幅值識(shí)別方式通過(guò)整周期截取正弦信號(hào)，并以一個(gè)整周期為單元進(jìn)行FFT分析。當(dāng)正弦信號(hào)頻率高于60Hz時(shí)，正弦掃頻采用濾波器方法，濾波器方法采用定采樣采集響應(yīng)信號(hào)值，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻后識(shí)別出信號(hào)的幅值。
[0026]在正弦掃頻過(guò)程中，發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)至正弦振動(dòng)控制系統(tǒng)(即被控對(duì)象)后，并采集其響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行幅值識(shí)別后，引入傳遞函數(shù)矩陣的幅值修正與控制算法(如圖4所示)，對(duì)驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)進(jìn)行到修正后更新為新的驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)DA(k)為:
[0027]Da (k) = Da (k-1) +H 1Q (Ra (k) -Ya (k_l))
[0028]式中:H—一振動(dòng)臺(tái)及試件的頻響函數(shù)矩陣；
[0029]H 1一一為H的逆矩陣，即解耦補(bǔ)償矩陣；
[0030]Ya(k-1)——表示各個(gè)通道的正弦響應(yīng)信號(hào)幅值；
[0031]Da(k-Ι) 表不上一步的驅(qū)動(dòng)?目號(hào)幅值；
[0032]Q一一表示修正系數(shù)矩陣。
[0033]在正弦掃頻過(guò)程中，采用加速度和位移混合控制，當(dāng)振動(dòng)頻率在低頻段時(shí)，采用位移信號(hào)進(jìn)行幅值識(shí)別，當(dāng)振動(dòng)頻率在高頻段時(shí)，采用加速度信號(hào)進(jìn)行幅值識(shí)別。根據(jù)振動(dòng)的物理關(guān)系，在低頻段，如2Hz以下，振動(dòng)信號(hào)為加速度小、位移大，若此時(shí)僅采用加速度控制，其加速度信號(hào)將很小接近本底，將無(wú)法準(zhǔn)確的識(shí)別出正弦信號(hào)的幅值，而通過(guò)加速度、位移混合控制方法，將有效改善低頻的正弦控制效果。因此在低頻處采用位移信號(hào)進(jìn)行幅值識(shí)別，在高頻段采用加速度幅值識(shí)別。然后在控制中，將位移幅值再轉(zhuǎn)換為加速度幅值，這樣將可以獲得較好的控制效果。
[0034]掃頻結(jié)束后完成并停止試驗(yàn)。
[0035]本實(shí)用新型多維正弦振動(dòng)控制方法及控制裝置的工作原理如下:
[0036]如圖3所示，通過(guò)上位機(jī)向其內(nèi)部的軟件中輸入各個(gè)掃頻參數(shù)，然后通過(guò)對(duì)數(shù)或線性頻率生成器向恒幅正弦信號(hào)發(fā)生器和參考譜幅值矩陣輸出信號(hào)，恒幅正弦信號(hào)發(fā)生器接收到啟頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)半正弦窗的方法進(jìn)行啟頻后，向乘法器輸出正弦信號(hào)，同時(shí)參考譜幅值矩陣向乘法器輸出參考幅值矩陣，乘法器對(duì)正弦信號(hào)和參考幅值矩陣運(yùn)算后，向被控對(duì)象(如多軸(雙臺(tái)并推)振動(dòng)臺(tái)及試件)輸出驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)，被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)，加速度傳感器或位移傳感器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行幅值識(shí)別后，將正弦響應(yīng)信號(hào)幅值反饋至參考譜幅值矩陣，并經(jīng)過(guò)修正系數(shù)矩陣Q和解耦補(bǔ)償矩陣的修正后，向乘法器輸出修正后的驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)。
[0037]本實(shí)用新型的技術(shù)方案不限于上述具體實(shí)施例的限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做出的技術(shù)變形，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多維正弦振動(dòng)控制裝置，其特征在于:包括上位機(jī)、PXI實(shí)時(shí)控制器、數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器和位移傳感器，所述上位機(jī)與所述PXI實(shí)時(shí)控制器電連接，所述PXI實(shí)時(shí)控制器的信號(hào)輸入端通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡與所述加速度傳感器和所述位移傳感器連接，所述加速度傳感器和所述位移傳感器對(duì)振動(dòng)臺(tái)及試件進(jìn)行幅值采集。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多維正弦振動(dòng)控制裝置，其特征在于:還包括信號(hào)接口箱，所述信號(hào)接口箱用于連接所述數(shù)據(jù)采集卡和外部硬件信號(hào)的輸入和輸出。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多維正弦振動(dòng)控制裝置，一種多維正弦振動(dòng)控制裝置，包括上位機(jī)、PXI實(shí)時(shí)控制器、數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器和位移傳感器，所述上位機(jī)與所述PXI實(shí)時(shí)控制器電連接，所述PXI實(shí)時(shí)控制器的信號(hào)輸入端通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡與所述加速度傳感器和所述位移傳感器連接，所述加速度傳感器和所述位移傳感器對(duì)振動(dòng)臺(tái)及試件進(jìn)行幅值采集。本實(shí)用新型不僅控制穩(wěn)定，且具有1～6維的正弦振動(dòng)控制能力，適用于多維正弦振動(dòng)控制或正弦試驗(yàn)，同時(shí)本實(shí)用新型系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、模塊少、易于安裝、維修方便。
【IPC分類】G05D19/02
【公開號(hào)】CN204832984
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520651299
【發(fā)明人】嚴(yán)俠, 李曉琳, 陳穎, 牛寶良, 胡勇, 王宇飛, 岳新武
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年8月26日