嚴(yán)俠，李曉林，王玨

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621900)

多軸隨機振動控制系統(tǒng)開發(fā)

嚴(yán)俠，李曉林，王玨

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621900)

設(shè)計出多軸隨機振動控制算法。以NI的PXIRT系統(tǒng)為硬件平臺，利用LabVIEW軟件開發(fā)工具，進行多軸隨機振動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)，所設(shè)計的多軸振動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)六維的隨機振動控制，其動態(tài)范圍達到75 dB。同時在6 t、8 t雙振動臺和某型三軸自由度液壓振動臺上進行連臺控制調(diào)試?？刂平Y(jié)果表明:經(jīng)過多幀均衡后，各方向上控制容差均在±3 dB以內(nèi)。

多維振動控制;隨機振動;環(huán)境模擬

多軸振動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于多軸振動環(huán)境模擬、武器飛行環(huán)境模擬、機載環(huán)境模擬、車輛運輸模擬、海浪模擬、地震模擬等方面，而其中多軸隨機振動環(huán)境模擬應(yīng)用尤為廣泛。以往由于試驗技術(shù)和設(shè)備的限制，常以3個正交軸依次進行的單軸振動試驗來近似等效多軸振動試驗，隨著人們認識的深入，已逐漸意識到二者并不能簡單地等效，多軸振動可能激發(fā)出單軸振動無法激發(fā)的故障模式，使得通過單軸振動試驗的產(chǎn)品在真實的振動環(huán)境中可能出現(xiàn)故障。另外隨著試驗技術(shù)的不斷發(fā)展，多軸液壓振動臺［1］、多軸電動振動臺［2］在國內(nèi)相繼建立，而多軸振動控制器發(fā)展卻相對滯后，目前主要依賴于國際SD公司的JUGAR MIMO控制器以及LMS公司多維隨機振動控制器［3－4］，國內(nèi)至今仍無成熟的多軸控制器產(chǎn)品推出。同時，這些國際上的控制器在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其功能和技術(shù)上仍有一些不夠完善的地方，并且算法不對外開放，功能固定，也使得在某些方面的應(yīng)用不能滿足用戶需求 (如SD控制器不具備多通道譜平均控制)。通過開展多軸隨機振動控制技術(shù)研究，將有助于提高國內(nèi)在多維振動控制技術(shù)領(lǐng)域的水平，提升國內(nèi)振動控制器的自主研發(fā)能力。

多軸隨機振動控制系統(tǒng)是通過設(shè)定參考譜矩陣，通過參考譜與控制點反饋加速度PSD譜比較，不斷修正驅(qū)動譜輸出，以使得振動臺控制點信號譜矩陣逼近參考譜矩陣。多軸隨機振動控制方法類似于單軸隨機振動控制［5］，但算法上更加復(fù)雜，除需要解決隨機驅(qū)動信號搭接［6］問題、功率譜密度均衡、反饋修正外，還需要解決系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣估計以及求逆問題。作者所開發(fā)的多軸隨機振動控制器能夠完成六維的隨機振動，經(jīng)多幀均衡后，控制平穩(wěn)，其控制技術(shù)接近國外多軸隨機控制器水平，可應(yīng)用于多軸振動臺的隨機振動控制。

1 多軸隨機振動控制算法研究

1.1 多輸入多輸出 (MIMO)系統(tǒng)理論簡述

為了進行多軸隨機振動控制算法研究，有必要對多輸入多輸出系統(tǒng)理論進行簡述。

MIMO系統(tǒng)按傳遞函數(shù)矩陣描述如下

式中:Y(ω)∈C表示系統(tǒng) l個輸出，U(ω)∈C表示系統(tǒng)m個輸入;H(ω)∈Cl×m表示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣。

隨機振動試驗中，系統(tǒng)按輸入輸出功率譜密度關(guān)系表示如下

式中:Sujyi表示i坐標(biāo)激勵、j坐標(biāo)響應(yīng)之間的互譜;Sujuj表示j坐標(biāo)激勵的自譜。

如果，傳遞函數(shù)矩陣H(ω)在頻率點ω上存在奇異，其傳遞函數(shù)逆矩陣則采用摩爾－彭諾斯逆H+來代替。

隨機振動控制中，用戶首先定義參考譜，其控制算法需要計算出驅(qū)動信號激勵系統(tǒng)振動。這里定義參考譜矩陣為(ω)，根據(jù)式 (3)相應(yīng)的輸入譜矩陣可以按如下公式計算得到:

這里，僅計算出驅(qū)動譜矩陣是不夠的，必須要求解出驅(qū)動的時間歷程信號。采用的計算方法如下:

首先，通過對參考譜矩陣進行Cholesky三角分解，由于參考譜矩陣是對稱正定矩陣 (某些方向設(shè)置為小量而不是零，以保證矩陣的正定性)，存在一個下三角矩陣與它的共軛轉(zhuǎn)置相乘。式中:L(ω)是一個復(fù)下三角矩陣。根據(jù)式 (6)、式(7)可以計算得到驅(qū)動信號的傅里葉譜。

然后，將得到的驅(qū)動頻譜作傅氏逆變換，便可以得到驅(qū)動的時間歷程信號。

1.2 多軸隨機振動控制算法設(shè)計

根據(jù)MIMO隨機振動控制系統(tǒng)理論，可以設(shè)計出多軸隨機振動控制算法，其流程圖如圖1所示。

圖1 多軸隨機振動控制算法流程圖

算法步驟如下:

(1)根據(jù)定義的參考譜矩陣，進行Cholesky三角分解，計算得到下三角矩陣L(ω);

(2)進行低量級隨機振動試驗，利用寬帶隨機輸入輸出信號，進行系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣估計。這里按式 (5)進行系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣估計;

(3)采用平均技術(shù)，平滑處理系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣H(ω)，同時采用摩爾－彭諾斯逆H+(ω)來計算傳遞函數(shù)逆矩陣;

(4)在頻域內(nèi)產(chǎn)生幅值譜為1、相位隨機的白噪聲信號W(ω);

(5)在頻域內(nèi)更新計算驅(qū)動譜U(ω);

(6)傅氏逆變換得到時域驅(qū)動信號uk，并進行幀搭接將偽隨機信號轉(zhuǎn)變成真隨機信號;

(7)驅(qū)動信號激振系統(tǒng);

(8)測量加速度響應(yīng)yk，估計輸出譜矩陣^Syy(ω)譜;

(9)譜誤差計算，進一步反饋更新驅(qū)動譜U(ω)。

2 多軸隨機振動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)多軸隨機振動控制算法，以六自由度振動臺為典型被控對象來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件，設(shè)計驅(qū)動通道為6路，測量通道為8路差分。系統(tǒng)將根據(jù)被控振動臺的幾何關(guān)系，通過轉(zhuǎn)移輸出矩陣，將多個測量通道組合為自由度控制信號。考慮控制系統(tǒng)實時性要求和運算中大量的矩陣處理，作者采用了目前較為先進的PXI總線系統(tǒng)。即采用PXI-8110 RT系統(tǒng)，并配置數(shù)據(jù)采集卡PXI-6254，PXI-6733各1塊。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 軟件組成與功能

控制系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其軟件的主要功能包括:參數(shù)設(shè)置、參考譜設(shè)置、系統(tǒng)自檢、傳遞函數(shù)矩陣辨識及求逆、隨機振動運行、數(shù)據(jù)顯示與分析等。多軸隨機振動控制器實物如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件功能模塊圖

圖3 多軸振動控制器實物

2.2.2 實時系統(tǒng)中的狀態(tài)圖流程

多軸振動控制系統(tǒng)核心算法是在實時系統(tǒng)中實現(xiàn)的。根據(jù)系統(tǒng)的工作流程及安全保護要求，系統(tǒng)的狀態(tài)圖流程如圖4所示，首先系統(tǒng)進入初始狀態(tài)，完成系統(tǒng)參數(shù)載入，并等待開始指令;當(dāng)接收到開始指令，則進入運行流程，首先進行數(shù)采卡初始化設(shè)置，系統(tǒng)自檢;然后進入到系統(tǒng)辨識狀態(tài)，最后進入隨機振動控制運行狀態(tài)，選擇系統(tǒng)停機則退出隨機振動程序。

圖4 實時系統(tǒng)的狀態(tài)圖流程

在隨機控制及自檢中，故障檢測與處理是一個很重要的功能。隨機振動控制系統(tǒng)中的故障主要包括開環(huán)、自檢最大電壓、均方根值高、最大電壓、控制信號丟失、超限停機等。在實時系統(tǒng)的每個控制循環(huán)中，將進行實時故障的邏輯判斷，當(dāng)試驗系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，控制器將即時停機，以保障試驗設(shè)備及產(chǎn)品的安全。

3 系統(tǒng)調(diào)試及試驗

在完成了多軸隨機振動控制系統(tǒng)開發(fā)后，首先進行系統(tǒng)的自閉環(huán)測試，然后以6 t、8 t雙電動振動臺和某型三軸六自由度液壓振動臺為受控對象，進行連臺多軸隨機振動試驗。

3.1 系統(tǒng)的自閉環(huán)測試

這里設(shè)置參考譜為國標(biāo)中的振動控制器驗收標(biāo)準(zhǔn)譜，設(shè)置參考譜動態(tài)范圍為75 dB，工作頻率范圍為10～2 000 Hz，控制譜線為800線，采樣頻率為8 000 Hz，其0 dB的控制曲線如圖5所示。系統(tǒng)的自閉環(huán)控制結(jié)果的控制曲線均在±3 dB容差以內(nèi)。

圖5 系統(tǒng)自閉環(huán)控制曲線

3.2 連6 t、8 t雙振動臺試驗

以某型6 t、8 t雙電動振動臺為控制對象，進行二維的隨機振動試驗，選擇控制參數(shù)為控制譜線400線，采樣頻率為10 000 Hz，頻率范圍為10～2 000 Hz，隨機控制參考均方根為x向2.127 g，y向1.941 g。加速度傳感器靈敏度系數(shù)x向111.7 mV/g，y向110.54 mV/g。系統(tǒng)0 dB控制曲線如圖6、7所示。該系統(tǒng)控制平穩(wěn)，控制曲線均在±3 dB容差以內(nèi)。

圖6 系統(tǒng)0 dB連6 t、8 t雙臺控制曲線1

圖7 系統(tǒng)0 dB連6 t、8 t雙臺控制曲線2

3.3 連三軸六自由度液壓振動臺試驗

以某型三軸六自由度液壓振動臺為控制對象，進行六維隨機振動試驗，選擇控制譜線400線，采樣頻率為640 Hz，頻率范圍為0.4～80 Hz。系統(tǒng)0 dB控制曲線如圖8所示。在多幀均衡后，該系統(tǒng)控制平穩(wěn)，控制曲線均在±3 dB容差以內(nèi)，僅繞z向出現(xiàn)局部超差 (振動臺自身特性引起的)。

圖8 0 dB連三軸六自由度液壓振動臺控制曲線

4 結(jié)論

分析與設(shè)計多軸隨機振動控制算法，利用Lab-VIEW軟件開發(fā)工具，開發(fā)出了多軸隨機振動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)自閉環(huán)控制能夠達到75 dB動態(tài)范圍。同時通過連6 t、8 t雙振動臺和三軸六自由度液壓振動臺試驗，經(jīng)多幀均衡后，控制曲線平穩(wěn)，容差均在±3 dB以內(nèi)。該控制系統(tǒng)兼顧了低頻臺和高頻臺的應(yīng)用，其控制效果均滿意，可以應(yīng)用于多軸隨機振動試驗領(lǐng)域。

【1】邱漢平.多軸振動臺試驗系統(tǒng)取得重大進展［J］.航天器環(huán)境工程，2009(1):43－46.

【2】PEETERSB，DEBILLE J.MIMO Random Vibration Control Algorithm and Simulation［C］//Proceedings of the 72ndShock and Vibration Symposium，Destin，F(xiàn)L，USA，2001.

【3】PEETERSBart，DEBILLE Jan.Multi-Axial Random Vibration Testing:A Six Degree-Of-Freedom［C］//proceeding of the 21stAerospace Testing Seminar，Manhattan Beach，CA，USA，2003.

【4】韓俊偉，李玉亭，胡寶生.大型三向六自由度地震模擬振動臺［J］.地震學(xué)報，1998(3):327－331.

【5】嚴(yán)俠，牛寶良.隨機振動控制算法研究與仿真分析［J］.中國工程物理研究院科技年報，2005:108－109.

【6】牛寶良.隨機振動控制驅(qū)動信號的三幀搭接方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2005(S1):141－145.

Development of Multi-aixs Random Vibration Control System

YAN Xia，LIXiaolin，WANG Jue
(Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621900，China)

Themulti-axis random vibration control algorithm was designed.Based on the NIPXI real time hardware system，the multi-axis random vibration control system was developed by using LabVIEW software tool.Its dynamic range can be up to 75 dB and it can be applied for the six dimension vibration test.Meantime ithas been successfully applied to control the 6 t，8 t double electricshake table and the three axis-six DOF hydraulic shaking table.The random test result shows that the control quality is satisfied and the control spectrums are within ±3 dB in each dimension.

Multi-dimension vibration control;Random vibration;Environment simulation

TM921.5

A

1001－3881(2013)9－094－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.026

2012－09－03

國家國防科技工業(yè)局消化吸收再創(chuàng)新資助項目(［2009］172)

嚴(yán)俠 (1977—)，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事振動環(huán)境試驗技術(shù)、振動控制技術(shù)研究及振動試驗設(shè)備研發(fā)工作。E－mail:yanxianuaa@126.com。