CN105068571A - 一种多维正弦振动控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维正弦振动控制方法及控制装置，包括上位机、PXI实时控制器、数据采集卡、加速度传感器和位移传感器，并通过下述步骤：系统参数设定、系统自检、系统辨识、正弦振动启频、正弦扫频和扫频结束后完成并停止试验实现对控制装置的控制。本发明不仅控制稳定，且具有1～6维的正弦振动控制能力，适用于多维正弦振动控制或正弦试验。另外，针对不同控制维数可以设置不同的初始相位，形成多种组合方式下的正弦振动或运动，同时采用了FFT和滤波器组合的幅值识别技术，半正弦窗平稳启频技术，多维驱动幅值在线更新方法，以及加速度、位移混合控制方法，将可获得满意的试验效果，同时本发明系统简洁、模块少、易于安装、维修方便。

Description

一种多维正弦振动控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种以液压或电动振动台、激振系统及激振器为控制对象的多维正弦振动控制方法及控制装置。

背景技术

正弦振动试验是检验产品可靠性，暴露结构材料和工艺缺陷，分析机械振动特性所必要的措施，也是解决各种机械和结构振动问题的一个重要手段。同时正弦振动试验也是模拟具有正弦性质特征如旋转机械、直升机旋翼、高铁机车受电弓、舰船海上低频等的重要振动模拟试验。早期受理论、技术和设备限制，只能开展单振动台单轴向振动试验，无法真实模拟产品实际使用过程中的多维振动环境，随着振动模拟试验技术的发展，一维振动模拟试验已经不再能够满足振动试验技术发展要求，多维振动试验已越来越被受人们的重视。多维正弦振动试验技术的应用也是十分的广泛，如受电弓模拟是两个自由度的正弦振动，海上低频为两自由度的正弦振动，以及多自由度转台为正弦转动等。另外，对于一些结构比较复杂、体积较大、质量较大的试件，单台振动试验设备不能提供足够的激振力，需采用双台或多台组合并推开展正弦振动时也需要采用多维正弦振动控制技术，以满足试件的振动试验要求。

目前，国内在多轴振动台研制技术方面有了一定的发展，相继于2005年由哈工大和中国工程物理研究院联合研制了2m×4m的三轴六自由度液压振动台，于2010年苏试试验公司建立了三轴电动振动台及双台组合并推等。近年来，国内包括航天希尔、苏试及东凌等电动振动台制造厂家，均具备构建多轴向电动振动台和多电动振动台组合并推的能力，中物院、哈工大则具备建立各种结构多维液压振动台及激振系统的能力，多轴振动台的研制技术已经较为成熟。然而多维正弦振动控制器国内至今没有推出成熟产品，其控制器都是采用国外进口控制器，如国际上SD和LMS公司的控制器。国外控制器由于封装了控制软件，其核心算法不对外开放且功能固定，在许多应用方面让用户使用感到困难(如系统本底噪声要求限制过严，预试验低频位移过大，高频启动出现过冲等问题)。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种多维正弦振动控制方法及控制装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种多维正弦振动控制方法，包括以下步骤：

(1)系统参数设定：所述系统参数包括频率、控制维数、控制通道、运行计划和安全参数；

(2)系统自检：检测系统的本底噪声、判断系统是否开环并预估最大驱动信号；

(3)系统辨识：进行系统传递函数估计，并传递函数矩阵辨识；

(4)正弦振动启频：采用半正弦窗的方法启频到实验量级；

(5)正弦扫频：扫频方式包括滤波器方法和FFT幅值识别方式；

(6)扫频结束后完成并停止试验。

具体地，上述步骤(4)中的所述半正弦窗方法为在一定启频时间内，频率停留在开始频率上，经过启频时间后，开始量级驱动到达扫频启动所需量级，扫频开始，在启频的过程中，正弦振动控制系统处于闭环状态。

具体地，上述步骤(5)中当正弦信号频率低于60Hz时，正弦扫频采用所述FFT幅值识别方式，所述FFT幅值识别方式通过整周期截取正弦信号，并以一个整周期为单元进行FFT分析。

具体地，上述步骤(5)当正弦信号频率高于60Hz时，正弦扫频采用所述滤波器方法，所述滤波器方法采用定采样采集响应信号值，经过低通滤波器滤除高频后识别出信号的幅值。

进一步，上述步骤(5)中在正弦扫频过程中，发送驱动信号至正弦振动控制系统后，并采集其响应信号，进行幅值识别后，引入传递函数矩阵的幅值修正与控制算法，对驱动幅值信号进行到修正后更新为新的驱动幅值信号D_A(k)为：

D_A(k)＝D_A(k-1)+H^-1Q(R_A(k)-Y_A(k-1))

式中：H——振动台及试件的频响函数矩阵；

H^-1——为H的逆矩阵，即解耦补偿矩阵；

Y_A(k-1)——表示各个通道的正弦响应信号幅值；

D_A(k-1)——表示上一步的驱动信号幅值；

Q——表示修正系数矩阵。

优选地，在步骤(5)所述的正弦扫频过程中，采用加速度和位移混合控制，当振动频率在低频段时，采用位移信号进行幅值识别，当振动频率在高频段时，采用加速度信号进行幅值识别。

一种多维正弦振动控制装置，包括上位机、PXI实时控制器、数据采集卡、加速度传感器和位移传感器，所述上位机与所述PXI实时控制器电连接，所述PXI实时控制器的信号输入端通过所述数据采集卡与所述加速度传感器和所述位移传感器连接，所述加速度传感器和所述位移传感器对振动台及试件进行幅值采集。

进一步，还包括信号接口箱，所述信号接口箱用于连接所述数据采集卡和外部硬件信号的输入和输出。

本发明的有益效果在于：

本发明多维正弦振动控制方法及控制装置不仅控制稳定，且具有1～6维的正弦振动控制能力，适用于多维正弦振动控制或正弦试验。另外，针对不同控制维数可以设置不同的初始相位，形成多种组合方式下的正弦振动或运动，同时采用了FFT和滤波器组合的幅值识别技术，半正弦窗平稳启频技术，多维驱动幅值在线更新方法，以及加速度、位移混合控制方法，将可获得满意的试验效果，同时本发明系统简洁、模块少、易于安装、维修方便。

附图说明

图1是本发明所述多维正弦振动控制装置的结构框图；

图2是本发明所述多维正弦振动控制方法的流程示意图；

图3是本发明所述多维正弦振动控制方法的工作原理框图；

图4是本发明所述幅值修正与控制算法的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种多维正弦振动控制装置，包括上位机、PXI实时控制器、数据采集卡、信号接口箱、加速度传感器和位移传感器，上位机与PXI实时控制器电连接，PXI实时控制器的信号输入端通过数据采集卡与加速度传感器和位移传感器连接，加速度传感器和位移传感器对振动台及试件进行幅值采集，信号接口箱用于连接数据采集卡和外部硬件信号的输入和输出。

上位机为普通计算机安装多维正弦振动控制软件，下位机为PXI实时控制器并嵌入具有高速运算能力的FPGA数据采集卡，该卡包含了模拟输出通道8路和模拟差分输入通道8路。

FPGA数据采集卡用于采集加速度传感器或位移传感器信号，并传输到计算机中参与算法修正，加速度传感器或位移传感器将被控对象的的多通道测量信号通过自由度合成矩阵转换为自由度合成信号，通过多维正弦振动控制驱动更新算法将获得多自由度驱动信号，并由FPGA数据采集卡将驱动信号发送至被控对象。

如图2所示，一种多维正弦振动控制方法，包括以下步骤：

系统参数设定：系统参数包括频率、控制维数、控制通道、运行计划和安全参数；

系统自检：检测系统的本底噪声、判断系统是否开环并预估最大驱动信号；

系统辨识：进行系统传递函数估计，并传递函数矩阵辨识；

正弦振动启频：采用半正弦窗的方法启频到实验量级；

设扫频开始量级为L1，在时间T(s)内，频率停留在开始频率上，参考量级设定为L1(sinθ)³，θ在T(s)的时间内从0变化到π/2。启频所需时间为T(s)，经过T(s)后，驱动到达扫频启动所需量级扫频开始，并且在启频的过程中，正弦振动控制处于闭环状态，振动台对象受控，采用半正弦窗方法，扫频无论从低频还是高频启动，启频时间都需T(s)，可解决高频启动速度过快问题，使启频更平稳。

正弦扫频：扫频方式包括滤波器方法和FFT幅值识别方式；

当正弦信号频率低于60Hz时，正弦扫频采用FFT幅值识别方式，FFT幅值识别方式通过整周期截取正弦信号，并以一个整周期为单元进行FFT分析。当正弦信号频率高于60Hz时，正弦扫频采用滤波器方法，滤波器方法采用定采样采集响应信号值，经过低通滤波器滤除高频后识别出信号的幅值。

在正弦扫频过程中，发送驱动信号至正弦振动控制系统(即被控对象)后，并采集其响应信号，进行幅值识别后，引入传递函数矩阵的幅值修正与控制算法(如图4所示)，对驱动幅值信号进行到修正后更新为新的驱动幅值信号D_A(k)为：

D_A(k)＝D_A(k-1)+H^-1Q(R_A(k)-Y_A(k-1))

式中：H——振动台及试件的频响函数矩阵；

H^-1——为H的逆矩阵，即解耦补偿矩阵；

Y_A(k-1)——表示各个通道的正弦响应信号幅值；

D_A(k-1)——表示上一步的驱动信号幅值；

Q——表示修正系数矩阵。

在正弦扫频过程中，采用加速度和位移混合控制，当振动频率在低频段时，采用位移信号进行幅值识别，当振动频率在高频段时，采用加速度信号进行幅值识别。根据振动的物理关系，在低频段，如2Hz以下，振动信号为加速度小、位移大，若此时仅采用加速度控制，其加速度信号将很小接近本底，将无法准确的识别出正弦信号的幅值，而通过加速度、位移混合控制方法，将有效改善低频的正弦控制效果。因此在低频处采用位移信号进行幅值识别，在高频段采用加速度幅值识别。然后在控制中，将位移幅值再转换为加速度幅值，这样将可以获得较好的控制效果。

扫频结束后完成并停止试验。

本发明多维正弦振动控制方法及控制装置的工作原理如下：

如图3所示，通过上位机向其内部的软件中输入各个扫频参数，然后通过对数或线性频率生成器向恒幅正弦信号发生器和参考谱幅值矩阵输出信号，恒幅正弦信号发生器接收到启频信号后，经过半正弦窗的方法进行启频后，向乘法器输出正弦信号，同时参考谱幅值矩阵向乘法器输出参考幅值矩阵，乘法器对正弦信号和参考幅值矩阵运算后，向被控对象(如多轴(双台并推)振动台及试件)输出驱动幅值信号，被控对象运动，加速度传感器或位移传感器对被控对象进行幅值识别后，将正弦响应信号幅值反馈至参考谱幅值矩阵，并经过修正系数矩阵Q和解耦补偿矩阵的修正后，向乘法器输出修正后的驱动幅值信号。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多维正弦振动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统参数设定：所述系统参数包括频率、控制维数、控制通道、运行计划和安全参数；

(2)系统自检：检测系统的本底噪声、判断系统是否开环并预估最大驱动信号；

(3)系统辨识：进行系统传递函数估计，并传递函数矩阵辨识；

(4)正弦振动启频：采用半正弦窗的方法启频到实验量级；

(5)正弦扫频：扫频方式包括滤波器方法和FFT幅值识别方式；

(6)扫频结束后完成并停止试验。

2.根据权利要求1所述的一种多维正弦振动控制方法，其特征在于：上述步骤(4)中的所述半正弦窗方法为在一定启频时间内，频率停留在开始频率上，经过启频时间后，开始量级驱动到达扫频启动所需量级，扫频开始，在启频的过程中，正弦振动控制系统处于闭环状态。

3.根据权利要求1所述的一种多维正弦振动控制方法，其特征在于：上述步骤(5)中当正弦信号频率低于60Hz时，正弦扫频采用所述FFT幅值识别方式，所述FFT幅值识别方式通过整周期截取正弦信号，并以一个整周期为单元进行FFT分析。

4.根据权利要求1所述的一种多维正弦振动控制方法，其特征在于：上述步骤(5)当正弦信号频率高于60Hz时，正弦扫频采用所述滤波器方法，所述滤波器方法采用定采样采集响应信号值，经过低通滤波器滤除高频后识别出信号的幅值。

5.根据权利要求1所述的一种多维正弦振动控制方法，其特征在于：上述步骤(5)中在正弦扫频过程中，发送驱动信号至正弦振动控制系统后，并采集其响应信号，进行幅值识别后，引入传递函数矩阵的幅值修正与控制算法，对驱动幅值信号进行到修正后更新为新的驱动幅值信号D_A(k)为：

D_A(k)＝D_A(k-1)+H^-1Q(R_A(k)-Y_A(k-1))

式中：H——振动台及试件的频响函数矩阵；

H^-1——为H的逆矩阵，即解耦补偿矩阵；

Y_A(k-1)——表示各个通道的正弦响应信号幅值；

D_A(k-1)——表示上一步的驱动信号幅值；

Q——表示修正系数矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种多维正弦振动控制方法，其特征在于：在步骤(5)所述的正弦扫频过程中，采用加速度和位移混合控制，当振动频率在低频段时，采用位移信号进行幅值识别，当振动频率在高频段时，采用加速度信号进行幅值识别。

7.一种多维正弦振动控制装置，其特征在于：包括上位机、PXI实时控制器、数据采集卡、加速度传感器和位移传感器，所述上位机与所述PXI实时控制器电连接，所述PXI实时控制器的信号输入端通过所述数据采集卡与所述加速度传感器和所述位移传感器连接，所述加速度传感器和所述位移传感器对振动台及试件进行幅值采集。

8.根据权利要求7所述的一种多维正弦振动控制装置，其特征在于：还包括信号接口箱，所述信号接口箱用于连接所述数据采集卡和外部硬件信号的输入和输出。