CN204788867U - 一种多自由度正弦振动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于环境可靠性试验技术领域，涉及一种多自由度正弦振动控制器。技术方案：包括控制计算机、主控板、前端板、总连接线和供电模块；主控板包括通讯模块、总线模块和运算模块，总连接线连接主控板和前端板，前端板包括正弦扫频信号生成模块和控制信号采集处理模块；正弦扫频信号生成模块包括依次连接的数据收发装置、正弦信号发生器、数模转换器和低通滤波器，控制信号采集处理模块包括数据收发装置、高速缓存单元、模数转换器和信号调理单元。技术效果：加入了前馈修正向量，提高了控制精度；通过改变不同控制频率下正弦信号发生器中正弦查询表存储的整周期正弦信号数据点数，减少了高频段控制计算时间及控制误差，提高了控制速度。

Description

一种多自由度正弦振动控制器

技术领域

本实用新型属于结构强度与环境可靠性试验技术领域，具体涉及一种多自由度正弦振动控制器。

背景技术

振动环境模拟试验是考核产品在寿命周期内对所历经振动环境适应性的重要试验手段，试验所模拟的振动环境主要包括随机振动和正弦振动两种。真实振动环境是多自由度激励的，而传统正弦振动环境模拟试验只提供单自由度激励。然而产品在多自由度激励下得到的振动响应与在单自由度激励下所得到的不一样，利用多自由度正弦振动试验来模拟实际多自由度正弦振动环境往往无法满足对产品的环境适应性考核的需要。因此，进行多自由度正弦振动控制技术研究以及研发出多自由度正弦振动试验系统，是十分必要的。

国内外关于多自由度振动控制方面的研究还处于起步阶段，缺少成型的商业化产品问世。根据现有的公开资料，多自由度正弦振动控制系统主要由三部分组成：振动台、功率放大器和振动控制器。其中多自由度振动控制器为多自由度振动控制系统的关键设备。多自由度正弦振动控制系统工作原理为：在测试得到系统的传递函数的基础上，根据预先设定的参考谱生成时域正弦扫频信号，驱动振动台激励试件，同时采集振动台面控制点的响应信号作为控制谱，计算控制谱与参考谱进行比较，然后对驱动正弦扫频信号的幅值和相位进行修正，最后使控制谱与参考谱在允许的容差范围内趋于一致，从而实现控制点按照设定的参考谱进行控制。由于不可避免的测量误差和系统的非线性因素，导致计算控制谱与参考谱必然存在误差，且现有多自由度正弦振动控制系统中计算控制谱与参考谱误差较大。因此，需要提供一种多自由度正弦控制器，以减小计算控制谱与参考谱误差，提高精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有多自由度正弦控制系统精度差的技术问题，提供一种多自由度正弦振动控制器。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

本实用新型还提供了一种多自由度正弦控制器，包括控制计算机、主控板、前端板、总连接线和供电模块；主控板包括通讯模块、总线模块和运算模块，通讯模块是主控板与控制计算机的接口，包括网络接口、串行接口和USB接口；运算模块为CPU，与通讯模块连接，具有计算功能；总线模块与CPU连接，包括数据总线和控制总线，通过总连接线完成与前端板的数据和指令交互；总连接线连接主控板和前端板；前端板包括并联的正弦扫频信号生成模块和控制信号采集处理模块；正弦扫频信号生成模块包括依次连接的数据收发装置、正弦信号发生器、数模转换器和低通滤波器，控制信号采集处理模块包括数据收发装置、高速缓存单元、模数转换器和信号调理单元，信号调理单元包括电荷放大器、电压放大器和抗混滤波器；供电模块包括电源控制装置和供电装置，供电装置可以是外电供电或锂电池供电，两种供电方式通过电源控制装置实现无缝切换。

所述正弦信号发生器采用AD9850频率合成器。

所述抗混滤波器采用8阶椭圆滤波器。

所述高速缓存为64字节双口RAM。

本实用新型的有益效果在于：

本多自由度正弦振动控制方法在误差控制修正步骤中，改变了现有技术仅考虑实时反馈向量的做法，加入了前馈修正向量提高了控制精度。此外，本多自由度正弦振动控制方法通过改变不同控制频率下正弦信号发发生器中正弦查询表存储的整周期正弦信号数据点数，从而减少高频段控制计算时间及由此带来的控制误差，提高了控制过程的速度。

附图说明

图1为多自由度正弦振动控制系统组成示意图；

图2为本实用新型的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

本实施例提供了一种多自由度正弦振动控制器，是多自由度正弦振动控制系统的核心部分，与控制计算机、功率放大器、振动台系统、加速度传感器及相关附件电缆组成一个完整的多自由度正弦振动控制系统，如图1所示。

多自由度正弦振动控制器的组成如图2所示，包括控制计算机、主控板、前端板、总连接线和供电模块；

其中控制计算机是普通PC机；

主控板包括通讯模块、总线模块和运算模块，通讯模块是主控板与控制计算机的接口，包括网络接口、RS422串行接口和USB接口；运算模块即为CPU，与通讯模块连接，CPU采用TMS320C6000系列DSP，型号为TMS320C6713，具有计算功能；总线模块与CPU连接，包括数据总线和控制总线，通过总连接线完成与前端板的数据和指令交互；

总连接线用于主控板和前端板的数据传输；

前端板主要完成正弦扫频信号的生成和控制信号的采集。前端板包括并联的正弦扫频信号生成模块和控制信号采集处理模块；正弦扫频信号生成模块包括依次连接的数据收发装置、正弦信号发生器、数模转换器和低通滤波器，控制信号采集处理模块包括数据收发装置、高速缓存单元、模数转换器和信号调理单元，信号调理单元包括电荷放大器、电压放大器和抗混滤波器；能够将振动加速度信号的电荷信号转换为电压信号，再由电压放大器将电压信号放大，经过抗混滤波器的低通滤波作用，得到振动加速度传感器采集的多自由度模拟振动信号；再通过A/D转换器将多自由度模拟振动信号转换为多自由度数字振动信号；

前端板的正弦信号发生器、D\A转换器和低通滤波器完成生成指定的正弦扫频信号的功能，正弦信号发生器采用AD9850频率合成器，D/A模数转换器主要采用AD5547型芯片实现，低通滤波器采用物理电路实现；抗混滤波器采用8阶椭圆滤波器，A/D转换器主要采用AD7671型芯片实现，高速缓存为64字节双口RAM。

供电模块包括电源控制装置和供电装置，供电装置可以是外电供电，也可以是锂电池供电，两种供电方式通过电源控制装置实现无缝切换。

每一次闭环回路控制过程的数据流转关系如图1箭头所示。控制计算机提供人机交互功能，通过发送参数命令控制多自由度正弦振动控制器。多自由度正弦振动控制器根据控制计算机发送的指令将生成的正弦扫频信号依次通过D/A转换器、低通滤波器、功率放大器将信号作用于振动台，加速度传感器通过回采振动台控制点的加速度信号，依次通过抗混滤波器、电荷放大器、电压放大器、A/D转换器等模块，将采集的数字信号输入到多自由度正弦振动控制器中，多自由度正弦振动控制器通过离线前馈-实时反馈控制算法进行计算，根据控制算法计算的结果生成新的指令发送正弦扫频信号驱动振动台，这样就完成了一次闭环回路的控制工作。

上述多自由度正弦振动控制器的使用方法依次包括如下步骤：

步骤1.试验参数设定

步骤1.1根据试验要求设定控制自由度数量；

步骤1.2依据试验要求中的正弦扫频试验参考谱读取控制频率点的频率范围、参考幅值和参考相位，以控制频率点的频率范围作为正弦扫频信号的频率范围，依据试验要求确定扫频类型和扫频速率，从而确定正弦扫频信号的扫频参数，扫频参数包括频率范围、扫频类型和扫频速率；

步骤2.发送振动台系统的频响函数输入信号

控制计算机发送测试传递函数指令，测试传递函数指令包括步骤1.1设定的控制自由度数量以及步骤1.2确定的正弦扫频信号的扫频参数；

测试传递函数指令通过主控板的网口通信模块发送到CPU，再由CPU通过数据总线和总连接线发送到前端板的数据收发装置，然后再发送到正弦信号发生器；

正弦信号发生器输出小量级的多路正弦扫频信号作为频响函数输入信号，频响函数输入信号经过数模转换器(D/A转换器)和低通滤波器，然后输出到图1中的功率放大器，驱动振动台系统，使振动台系统按照频响函数输入信号产生多个控制自由度的振动；

步骤3.振动加速度信号的采集和处理

加速度传感器测量振动台系统在多个控制自由度的振动加速度信号，将振动加速度信号传输到前端板，通过前端板的信号调理单元和模数转换器(A/D转换器)，存储到高速缓存单元；信号调理单元包括电荷放大器、电压放大器和抗混滤波器，能够将振动加速度信号的电荷信号转换为电压信号，再由电压放大器将电压信号放大，经过抗混滤波器的低通滤波作用，得到振动加速度传感器采集的多自由度模拟振动信号；再通过A/D转换器将多自由度模拟振动信号转换为多自由度数字振动信号；

步骤4.频响函数计算

主控板的CPU通过控制总线和总连接线读取前端板高速缓存单元中的多自由度数字振动信号(即响应信号)，计算频响函数；将频响函数输入信号和响应信号做傅立叶变换，分别得到频响函数输入信号和响应信号的频谱数据，响应信号和频响函数输入信号的比值即为频响函数；以上为预试验过程，主要是为了计算试验采用的振动台系统的频响函数；

步骤5.频响函数解耦

通过奇异值分解(SVD)算法，对步骤4计算的频响函数解耦，得到解耦补偿矩阵A和解耦后的频响函数矩阵G；

步骤6.正弦扫频信号计算

根据步骤5得到的解耦补偿矩阵A和解耦后的频响函数矩阵G以及步骤1.2读取的参考幅值Ao和参考相位Po信息，选取步骤1.2确定的频率范围的第一个频率点作为控制频率点，计算频率控制点的驱动信号的幅值Ai和相位Pi，计算公式为Pi＝Po/G,Ai＝Ao/G，幅值Ai和相位Pi用向量u^(j)，j为当前控制频率点序号，u⁽¹⁾表示第一个控制频率点的驱动扫频信号向量；将驱动信号作为正式试验正弦扫频信号；

步骤7.发送正式试验正弦扫频信号

当正式试验正弦扫频信号小于100Hz时，正弦信号发射器中的正弦查询表的正周期正弦波数据点设为1024点；当正式试验正弦扫频信号大于100Hz)时，正弦信号发射器中的正弦查询表的正周期正弦波数据点设为64点；

控制计算机发送步骤6得到的正式试验正弦扫频信号，正式试验正弦扫频信号通过主控板的网口通信模块发送到CPU，再由CPU通过数据总线和总连接线发送到前端板的数据收发装置，然后再发送到正弦信号发生器；

正弦信号发生器输出正式试验正弦扫频信号，正式试验正弦扫频信号经过数模转换器(D/A转换器)和低通滤波器，然后输出到图1中的功率放大器，驱动振动台系统，使振动台系统按照正式试验正弦扫频信号产生多个控制自由度的振动；

步骤8.振动加速度信号的采集和处理

重复步骤3，完成正式试验的振动加速度信号的采集，得到当前各频率下的多自由度数字振动信号的幅值与相位信息，存储到高速缓存单元；

步骤9.计算误差

用步骤8得到的各频率下的多自由度数字振动信号的幅值与相位减去步骤1.2读取的参考幅值Ao和参考相位Po，得到各自由度的幅值误差和相位误差，幅值误差和相位误差组合为一个矩阵，用向量e表示；

步骤10.误差控制修正

判断步骤9得到的误差e是否满足试验要求的容差σ，

步骤10.1如果满足|e|≤σ，则开始以步骤1.2的频率范围的下一个频率点作为控制频率点，重复步骤6到步骤10的过程；

步骤10.2如果不满足|e|≤σ，则计算前馈修正向量和实时反馈向量计算公式为

$U_{corr}^j=eQ{\hat{G}}^{-1},$

$U_{fb}^j=eK,$

式中，为频响函数矩阵G的逆矩阵，Q为增益矩阵，Q＝diag(q_i),0＜q_i＜1，K为修正系数矩阵；

实时反馈修正量加上步骤6计算得到的正式试验正弦扫频信号作为修正后的正弦扫频驱动信号，重复步骤7到步骤10的过程并统计迭代次数，如果迭代次数满足试验要求的数值或者|e|≤σ，则开始以步骤1.2的频率范围的下一个频率点作为控制频率点；下一个频率点的驱动扫频信号向量为

步骤11.完成控制过程

至步骤1.2的频率范围内所有频率点完成步骤6至步骤10的控制过程，控制计算机根据步骤8得到的各频率下的多自由度数字振动信号的幅值与相位信息，输出每个自由度的频率-幅值控制谱和频率-相位控制谱；

步骤12.判断试验结果

将步骤11得到的各自由度的频率-幅值控制谱和频率-相位控制谱与试验要求中的正弦扫频试验参考谱相比较，如果比较结果满足试验要求的容差σ，则试验成功；如果比较结果不满足试验要求的容差σ，则试验失败。

本实施例的多自由度正弦振动控制器在误差控制修正方面，改变了现有技术仅考虑实时反馈向量的做法，加入了前馈修正向量提高了控制精度。

通过误差控制修正的算法，我们可以看到整个控制流程形成一个闭环控制回路，对于响应正弦信号幅值的修正，在当前频率下计算驱动幅值与参考值相比较，对误差进行反复修正，得到满足设定误差的新的驱动值，对于下一个控制频率点下的驱动值，则用下修正后的驱动值，因此响应滞后，必然存在着误差，对幅值相位误差进行合理的修正，就能保证在一定的容差范围内保持系统稳定。从试验得到的前馈-实时反馈控制算法与实时反馈控制算法仿真对比结果可以看出，采用离线前馈-实时反馈控制算法的控制精度明显优于实时反馈控制算法，尤其是在产品的共振峰位置(由系统的非线性引起)频率部分。

在多自由度正弦振动控制器中的正弦信号发生器，将正弦查询表中表示为一个完整周期正弦波数据的点数设为可调，即发送低频(小于100Hz)正弦信号时设为1024点，发送高频(大于100Hz)设为64点。不管是64点表示的正弦波和1024点表示的正弦波，最终通过低通滤波器后变成模拟正弦信号通过功率放大器驱动振动台，因此对于生成的正弦扫频驱动信号品质没有影响。但在进行控制计算的时候，从控制通道的高速缓存单元中取一帧数据的频率与正弦信号发生器中发送频率相同，那么取任一帧数据的最后64点或1024点，就是一个完整周期的正弦波，以此作为响应的正弦信号进行计算控制。与传统的以固定采样频率取一帧或多帧数据相比，计算量小，而且减小高频段采样点数少而导致正弦信号失真带来误差，从而减少高频段控制的回路时间等优点。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种多自由度正弦控制器，其特征在于：包括控制计算机、主控板、前端板、总连接线和供电模块；

主控板包括通讯模块、总线模块和运算模块，通讯模块是主控板与控制计算机的接口，包括网络接口、串行接口和USB接口；运算模块为CPU，与通讯模块连接，具有计算功能；总线模块与CPU连接，包括数据总线和控制总线，通过总连接线完成与前端板的数据和指令交互；

总连接线连接主控板和前端板；

前端板包括并联的正弦扫频信号生成模块和控制信号采集处理模块；正弦扫频信号生成模块包括依次连接的数据收发装置、正弦信号发生器、数模转换器和低通滤波器，控制信号采集处理模块包括数据收发装置、高速缓存单元、模数转换器和信号调理单元，信号调理单元包括电荷放大器、电压放大器和抗混滤波器。

2.如权利要求1所述的一种多自由度正弦控制器，其特征在于：所述正弦信号发生器采用AD9850频率合成器。

3.如权利要求1所述的一种多自由度正弦控制器，其特征在于：所述抗混滤波器采用8阶椭圆滤波器。

4.如权利要求1所述的一种多自由度正弦控制器，其特征在于：所述高速缓存为64字节双口RAM。

5.如权利要求1所述的一种多自由度正弦控制器，其特征在于：所述供电模块包括电源控制装置和供电装置，供电装置是外电供电或锂电池供电，两种供电方式通过电源控制装置实现无缝切换。