CN106527292B - 多压电陶瓷激振器并联组合系统的控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多压电陶瓷激振器并联组合系统的控制方法，包括以下步骤：设计自由度合成矩阵与自由度分解矩阵；在控制方法中引入分解矩阵，得到各个激振器的驱动信号；将得到各个激振器的驱动信号通过正值处理和滤波处理后获得最终的压电激振器有效驱动信号；利用MIMO振动控制器的功能，设置各个自由度的控制参考谱。本发明还公开了一种多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置，包括机箱和设于所述机箱中的第一模拟输入卡、第二模拟输入卡、第一模拟输出卡、第二模拟输出卡、FPGA单板机控制卡、直流电源卡。本发明通过引入运动自由度合成与分解矩阵，驱动信号正值处理和滤波处理，实现了多压电陶瓷激振器并联组合系统的振动试验稳定控制。

Description

多压电陶瓷激振器并联组合系统的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种以菱形框式压电陶瓷激振部件为单元的多个部件并联组合构成的激振系统为控制对象的控制方法及控制装置，属于自动控制技术领域。

背景技术

采用弹簧钢菱形框结构的压电陶瓷激振器，以其轻质、小巧、推力大，工作频率高等特点，成为了一种新型的激振装置。由于其自身轻质、小巧，很容易实现多激振器组合，构成并联激振系统。并联激振系统尤其适用于离心机上安装的激振系统，实现武器和航天系统在飞行过程经历的高频振动与过载复合环境的模拟。

中国国外少数发达国家在二十世纪八十年代建立了振动离心复合试验装置，中国国内发展较晚。例如，专利公布号为“CN 104019830 A”、名称为“一种标准的复合加速度输出装置”的发明专利，提出一种采用电磁振动台与离心机结合的复合加速度输出装置，但负载能力较小，主要用于惯性器件的校准检测。授权公告号为“CN 102506897”、名称为“线振动与过载组合测试方法及其装置”的发明专利，采用圆盘式离心机和高速旋转平台来组成振动-过载复合试验装置；申请公布号为“CN 103091118 A”、名称为“过载复合环境测试试验台”的发明专利，采用在过载台上加装两个直线运动机构，直线运动机构上各安装一个随动台的结构方式，创造了在实验室中模拟对象在真实环境中的各种动态运动情况的新方法。此外，授权公告号为“CN 201777393 U”、名称为“多参数复合环境试验装置”的实用新型专利，申请公布号为“CN 103091118 A”、名称为“过载复合环境测试实验台”的发明专利，申请公布号为“CN103148869A”、名称为“一种大过载与线振动复合测试设备”的发明专利，都是有关复合环境试验的装置。然而这些发明创造均不能够实现部件级产品的高频振动与过载复合环境模拟，另一方面激振系统的体积较大和复杂程度较大，会大大增加用于承载激振系统的离心机容量，也会使得系统的设计与安装更加复杂。现目前，离心机上振动台主要为电液式或电动式；其中，电液振动台上离心机技术较为成熟，但电液式振动台工作频率低，无法满足高频振动的要求，而电动式振动台上离心机技术相当复杂，需考虑系统隔振、动圈定中、冷却等诸多问题，技术至今仍不成熟。另外，中国国内关于高频压电陶瓷激振系统控制方面的文献尚无，相关的控制装置的产品及样机也未见推出。

另外，经搜索专利文献资料，未见其他公开的关于高频压电陶瓷激振系统控制方法及控制装置的相关文献，更未见相关产品在应用中使用。

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压电陶瓷激振器并联组合系统的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：

一种多压电陶瓷激振器并联组合系统的控制方法，用于对MIMO振动控制器的多个自由度输出信号进行处理，包括以下步骤：

(1)设计自由度合成矩阵与自由度分解矩阵：根据多个压电式激振器激振点的空间几何位置和运动学关系，设计运动自由度与激振器驱动的自由度合成矩阵与自由度分解矩阵，激振器的数量与自由度维数相同；

(2)在控制方法中引入分解矩阵，将MIMO振动控制器的自由度输出信号与自由度分解矩阵相乘，得到各个激振器的驱动信号；

(3)将得到各个激振器的驱动信号通过正值处理和滤波处理后获得最终的压电激振器有效驱动信号，并将该驱动信号发送至压电陶瓷功率放大器，从而实现多压电激振器的激振；

(4)利用MIMO振动控制器的功能，设置各个自由度的控制参考谱，对于主振自由度方向，设置相应量级的控制参考谱；对于非主振自由度方向，则设置小量的控制参考谱，以约束非主振方向上的振动。MIMO振动控制器即多输入多输出振动控制器。

作为优选，所述步骤(1)中，建立两个坐标系，即惯性坐标系o-xyz和动坐标系o′-x′y′z′，惯性坐标系与大地固连，坐标原点为台体处于中位时的台体几何中心所在位置，动坐标系与台体固连，并随台体运动与转动，其坐标原点为台体几何中心，两者在振动台工作零位位置重合，并且动坐标系各坐标轴的指向始终与惯性坐标系的坐标轴指向相同；

8激振器输出和8自由度输出的所述自由度合成矩阵为：

其中，l_x为X向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离，l_y为Y向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离；

8自由度输出信号U_dof为：

U_dof＝H_c·V_e

V_e为8个激振器的驱动信号；

8激振器输出和8自由度输出的自由度分解矩阵为：

作为优选，所述步骤(3)中，对各个激振器的驱动信号进行正值处理的计算公式为：

v_z(t)＝ue(t)+G·rns(ue(t-1)，…ue(t-N))

其中，G为修正系数，在正弦振动时取为1.414，在随机振动时取为1.5，rms(ue(t-1)，…ue(t-N))表示对计算得到的驱动信号进行时域均方根处理，处理方法如下：

其中，k表示当前时刻，N表示计算长度。

一种采用上述控制方法的多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置，包括机箱，还包括设于所述机箱中的第一模拟输入卡、第二模拟输入卡、第一模拟输出卡、第二模拟输出卡、FPGA单板机控制卡和直流电源卡，所述第一模拟输入卡和所述第二模拟输入卡构成8路模拟输入通道并用于接收MIMO振动控制器的8个自由度输出信号，所述第一模拟输出卡和所述第二模拟输出卡构成8路模拟输出通道并用输出驱动信号给被控对象多压电陶瓷激振器并联激振系统的压电陶瓷功率放大器，所述直流电源卡为所述FPGA单板机控制卡供电，所述FPGA单板机控制卡设有自由度分解矩阵电路、8个信号正值处理器和8个带通滤波器，所述第一模拟输入卡和所述第二模拟输入卡的输出端分别与所述自由度分解矩阵电路的输入端对应连接，所述自由度分解矩阵电路的输出端分别与8个所述信号正值处理器的输入端对应连接，8个所述信号正值处理器的输出端分别与8个所述带通滤波器的输入端对应连接，8个所述带通滤波器的输出端分别与所述第一模拟输出卡和所述第二模拟输出卡的输出端对应连接。

进一步，所述控制装置还包括设于所述机箱上的用于控制电源通断的开关按钮、用于外接交流电源的电源接口和用于与上位机通讯的以太网接口。

本发明的有益效果在于：

本发明所述控制方法通过引入运动自由度合成与分解矩阵，驱动信号正值处理和滤波处理，并利用MIMO振动控制器的多维控制技术，实现了菱形框压电陶瓷激振器并联式组合激振系统的单方向或多方向的振动试验稳定控制，且满足控制容差要求，控制频宽高达3000Hz。

本发明所述控制装置采用嵌入式FPGA单板机作为核心控制器，运算速度高达0.0625ms(即16K采样频率)闭环控制步长；提供8路差分模拟输入和8路模拟输出，直流电源供电，整个控制器集成封装在控制机箱内，机箱外围接口包括8路模拟输入BNC通道和8路模拟输出BNC通道、开关按钮及以太网口，并通过以太网口与上位机通讯，能够保证压电式激振系统的稳定控制，也实现了多压电陶瓷激振器并联式激振系统的单向或多向振动试验控制，尤其适用于离心机上或空间受限设备上的一维或多维高频振动试验应用领域。

附图说明

图1是实施例中压电激振器的空间几何分布及坐标系定义示意图；

图2是实施例中压电激振器的空间几何分布俯视图；

图3是实施例中压电激振器的空间几何分布正视图；

图4是本发明所述多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置的主视图；

图5是本发明所述多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置的后视图；

图6是本发明所述多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置的电路框图。

具体实施方式

下面以一个详细推演本发明控制方法和控制装置的实施例并结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

为了便于理解，先对本发明所述控制装置进行说明：

如图4、图5和图6所示，一种多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置，包括机箱和所述机箱中的第一模拟输入卡3、第二模拟输入卡4、第一模拟输出卡1、第二模拟输出卡2、FPGA单板机控制卡5、直流电源卡6、开关按钮9、电源接口7、以太网接口8，第一模拟输入卡3和第二模拟输入卡4构成8路模拟输入通道并用于接收MIMO振动控制器的8个自由度输出信号，第一模拟输出卡1和第二模拟输出卡2构成8路模拟输出通道并用输出驱动信号给被控对象多压电陶瓷激振器并联激振系统的压电陶瓷功率放大器，直流电源卡6为FPGA单板机控制卡5供电，FPGA单板机控制卡5上设有自由度分解矩阵电路、8个信号正值处理器和8个带通滤波器，第一模拟输入卡3和第二模拟输入卡4的输出端分别与自由度分解矩阵电路的输入端对应连接，自由度分解矩阵电路的输出端分别与8个信号正值处理器的输入端对应连接，8个信号正值处理器的输出端分别与8个带通滤波器的输入端对应连接，8个带通滤波器的输出端分别与第一模拟输出卡1和第二模拟输出卡2的输出端对应连接，开关按钮9用于控制电源通断，电源接口7用于外接交流电源，以太网接口8用于与上位机通讯。

图1中的第一模拟输入卡3和第二模拟输入卡4与图6中的多路信号输入接线端对应，图1中的第一模拟输出卡1和第二模拟输出卡2与图6中的多路信号输出接线端对应。

结合图4-图6，一种多压电陶瓷激振器并联组合系统的控制方法，用于对MIMO振动控制器的多个自由度输出信号进行处理，包括以下步骤：

(1)设计自由度合成矩阵与自由度分解矩阵：根据多个压电式激振器激振点的空间几何位置和运动学关系，设计运动自由度与激振器驱动的自由度合成矩阵与自由度分解矩阵，激振器的数量与自由度维数相同；

本步骤的具体方法为：

为清楚地描述负载(台体与被试件)的运动情况，需要建立两个坐标系，惯性坐标系o-xyz和动坐标系o′-x′y′z′，惯性坐标系与大地固连，坐标原点为台体处于中位时的台体几何中心所在位置，其各坐标轴指向如图1所示；动坐标系与台体固连，并随台体运动与转动，其坐标原点为台体几何中心，两者在振动台工作零位位置重合，并且动坐标系各坐标轴的指向始终与惯性坐标系的坐标轴指向相同。图2和图3给出了压电激振器空间几何分布俯视图与正视图，忽略试件的偏心位置，X向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离为l_x，Y向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离为l_y。

根据激振器的空间几何分布和运动学关系，8个激振器输出与6自由度输出的运动关系式如下：

式中：V_e是8个激振器的输出信号，V_e＝[v_x1，v_x2，v_y1，v_y2，v_z1，v_z2，v_z3，v_z4]^T，是6自由度合成输出信号，/> 是6×8的自由度合成矩阵，具体如下：

由于为6×8的自由度合成矩阵为二次静不定矩阵，只有伪逆矩阵，且对应的自由度分解矩阵是不唯一的。因此，需要将6自由度运动扩展为8自由度运动，振动台体在激振过程中，还存在两个自由度的运动趋势，即激振器z₂，z₃向下趋势时而z₁，z₄有向上运动趋势，振动台体产生一种“马鞍”形运动趋势。同时，x₁，y₂有缩回趋势而x₂，y₁有伸出运动趋势时，振动台体产生的一种“菱形”运动趋势。因此，在6自由度中增加两个扭曲自由度，此时形成的8激振器输出和8自由度输出的所述自由度合成矩阵为：

其中，l_x为X向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离，l_y为Y向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离；

8自由度输出信号U_dof为：

U_dof＝H_c·V_e

V_e为8个激振器的驱动信号；

8激振器输出和8自由度输出的自由度分解矩阵为：

(2)在控制方法中引入分解矩阵，将MIMO振动控制器的自由度输出信号与自由度分解矩阵H_f相乘，得到各个激振器的驱动信号；试验中要将控制自由度数与组合式压电陶瓷激振器个数设置为相同。

(3)将得到各个激振器的驱动信号通过正值处理和滤波处理后获得最终的压电激振器有效驱动信号，并将该驱动信号发送至压电陶瓷功率放大器，从而实现多压电激振器的激振；

根据压电陶瓷的工作原理可知，压电陶瓷只接收正向电压，电压与压电陶瓷的伸长位移成正比关系，当接收负向电压时，压电陶瓷不工作。因此，这里需要对常规的驱动信号进行正值处理。当接收的电压正向增大时，压电陶瓷的位移正向增加，当接收的正向电压减小时，则利用菱形框弹簧钢的回弹力和电压减小量共同作用使压电陶瓷的位移缩小。

对各个激振器的驱动信号进行正值处理的计算公式为：

v_z(t)＝ue(t)+G·rns(ue(t-1)，…ue(t-N))

其中，G为修正系数，在正弦振动时取为1.414，在随机振动时取为1.5，rms(ue(t-1)，…ue(t-N))表示对计算得到的驱动信号进行时域均方根处理，处理方法如下：

其中，k表示当前时刻，N表示计算长度，一般取N＝2000。

滤波时，根据压电陶瓷激振器的频率特性和激振系统的工作频率设计各个激振器的滤波器参数。主要参数包括滤波器类型、滤波器阶数、滤波器的上限频率和下限频率等。主要参数分别设置如下：

1)采用频率设置为16000Hz；

2)滤波器类型为切比雪夫，带通；

3)滤波器阶数设置为3阶；

4)滤波器的上限频率为2000Hz和下限频率为100Hz。

另外，若与上位机联网，则可通过上位机设置通道参数、滤波参数、正值参数及自由度分解矩阵设置。通道参数包括通道选择、信号衰减系数及限制参数；滤波参数包括采样频率、滤波器阶数及频率上、下限频率等。

(4)利用MIMO振动控制器的功能，设置各个自由度的控制参考谱，对于主振自由度方向，设置相应量级的控制参考谱；对于非主振自由度方向，则设置小量的控制参考谱，以约束非主振方向上的振动。具体来说，将采集到的各个激振器的加速度信号与自由度合成矩阵H_c相乘，获得的信号作为控制器反馈量，设置主振方向为对应的控制谱，其余方向则设置为小量，以保证并驱控制后，在主振方向上激振，而其他方向上的振动约束至小量，从而有效地实现了多压电陶瓷激振器并联激振系统的单向或多向振动。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种多压电陶瓷激振器并联组合系统的控制方法，用于对MIMO振动控制器的多个自由度输出信号进行处理，其特征在于：包括以下步骤：

(1)设计自由度合成矩阵与自由度分解矩阵：根据多个压电式激振器激振点的空间几何位置和运动学关系，设计运动自由度与激振器驱动的自由度合成矩阵与自由度分解矩阵，激振器的数量与自由度维数相同；

(2)在控制方法中引入分解矩阵，将MIMO振动控制器的自由度输出信号与自由度分解矩阵相乘，得到各个激振器的驱动信号；

(3)将得到各个激振器的驱动信号通过正值处理和滤波处理后获得最终的压电激振器有效驱动信号，并将该驱动信号发送至压电陶瓷功率放大器，从而实现多压电激振器的激振；

(4)利用MIMO振动控制器的功能，设置各个自由度的控制参考谱，对于主振自由度方向，设置相应量级的控制参考谱；对于非主振自由度方向，则设置小量的控制参考谱，以约束非主振方向上的振动；

所述步骤(1)中，建立两个坐标系，即惯性坐标系o-xyz和动坐标系o′-x′y′z′，惯性坐标系与大地固连，坐标原点为台体处于中位时的台体几何中心所在位置，动坐标系与台体固连，并随台体运动与转动，其坐标原点为台体几何中心，两者在振动台工作零位位置重合，并且动坐标系各坐标轴的指向始终与惯性坐标系的坐标轴指向相同；

8激振器输出和8自由度输出的所述自由度合成矩阵为：

其中，l_x为X向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离，l_y为Y向压电激振器与质心即几何中心轴线的距离；

8自由度输出信号U_dof为：

U_dof＝H_c·V_e

V_e为8个激振器的驱动信号；

8激振器输出和8自由度输出的自由度分解矩阵为：

所述步骤(3)中，对各个激振器的驱动信号进行正值处理的计算公式为：

v_z(t)＝ue(t)+G·rms(ue(t-1)，…ue(t-N))

其中，G为修正系数，在正弦振动时取为1.414，在随机振动时取为1.5，rms(ue(t-1)，…ue(t-N))表示对计算得到的驱动信号进行时域均方根处理，处理方法如下：

其中，k表示当前时刻，N表示计算长度。

2.一种采用如权利要求1所述控制方法的多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置，包括机箱，其特征在于：还包括设于所述机箱中的第一模拟输入卡、第二模拟输入卡、第一模拟输出卡、第二模拟输出卡、FPGA单板机控制卡和直流电源卡，所述第一模拟输入卡和所述第二模拟输入卡构成8路模拟输入通道并用于接收MIMO振动控制器的8个自由度输出信号，所述第一模拟输出卡和所述第二模拟输出卡构成8路模拟输出通道并用输出驱动信号给被控对象多压电陶瓷激振器并联激振系统的压电陶瓷功率放大器，所述直流电源卡为所述FPGA单板机控制卡供电，所述FPGA单板机控制卡设有自由度分解矩阵电路、8个信号正值处理器和8个带通滤波器，所述第一模拟输入卡和所述第二模拟输入卡的输出端分别与所述自由度分解矩阵电路的输入端对应连接，所述自由度分解矩阵电路的输出端分别与8个所述信号正值处理器的输入端对应连接，8个所述信号正值处理器的输出端分别与8个所述带通滤波器的输入端对应连接，8个所述带通滤波器的输出端分别与所述第一模拟输出卡和所述第二模拟输出卡的输出端对应连接。

3.根据权利要求2所述的多压电陶瓷激振器并联组合系统控制装置，其特征在于：还包括设于所述机箱上的用于控制电源通断的开关按钮、用于外接交流电源的电源接口和用于与上位机通讯的以太网接口。