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基于虛擬儀器的多點(diǎn)隨機振動(dòng)試驗控制系統的設計
應用領(lǐng)域：研發(fā)
挑戰：設計并實(shí)現多點(diǎn)隨機振動(dòng)試驗控制系統。
應用方案：使用NI公司的LabWindows/CVI軟件配合動(dòng)態(tài)信號分析卡NI-4551和動(dòng)態(tài)數據采集卡NI-4472以及其他硬件快速開(kāi)發(fā)一個(gè)基于PC的多點(diǎn)隨機振動(dòng)試驗控制系統。
使用的產(chǎn)品：LabWindows/CVI，NIPCI-4551，BNC-2140，NIPCI-4472。
介紹
多點(diǎn)激勵振動(dòng)試驗控制技術(shù)是對大型復雜試件開(kāi)展可靠性和環(huán)境試驗的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品可靠性的考核有著(zhù)重要的意義。本文將給出多點(diǎn)隨機振動(dòng)試驗的控制方案和控制系統的設計方案，在LabWindows/CVI平臺上結合NIPCI-4551和NIPCI-4472板卡開(kāi)發(fā)一個(gè)雙振動(dòng)臺隨機振動(dòng)控制系統，并進(jìn)行了實(shí)際連臺試驗。試驗結果表明：在一定試驗條件下，本文給出的控制方案是可行的，且所設計的控制系統具有較好的控制結果，達到了試驗規范要求。
引言
隨著(zhù)對產(chǎn)品設備安全性、可靠性和環(huán)境適應性要求的不斷提高，推動(dòng)了考核產(chǎn)品耐振動(dòng)應力的振動(dòng)試驗技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)被試產(chǎn)品覆蓋面也進(jìn)一步擴寬，從元器件到部件、組合件乃至整機都要求進(jìn)行振動(dòng)試驗，以便在更高層次上充分暴露大系統可能存在的薄弱環(huán)節和設計缺陷。
隨著(zhù)被試產(chǎn)品結構復雜化，體積大型化及產(chǎn)品重型化，單點(diǎn)激勵振動(dòng)試驗已不能提供足夠的推力或是達到特定的運動(dòng)水平來(lái)較真實(shí)地模擬產(chǎn)品實(shí)際工作環(huán)境，并達到規定的試驗要求。而國軍標、美軍標及其它許多國際標準對振動(dòng)試驗中的被試產(chǎn)品所施加應力都有嚴格要求，應使其盡量符合實(shí)際的產(chǎn)品工作環(huán)境，因此，對于無(wú)法用單點(diǎn)激勵來(lái)形成的振動(dòng)環(huán)境，則需要通過(guò)多點(diǎn)激勵振動(dòng)來(lái)解決。而目前在國內，多點(diǎn)激勵振動(dòng)控制技術(shù)還處于起步階段，多點(diǎn)振動(dòng)控制系統更是沒(méi)有研制出來(lái)。本文將介紹多點(diǎn)隨機振動(dòng)試驗控制技術(shù)和基于虛擬儀器技術(shù)的控制系統的設計開(kāi)發(fā)，并對實(shí)際連臺試驗結果進(jìn)行分析討論，希望能夠為多點(diǎn)激勵振動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)一步研究奠定一個(gè)良好的基礎。
系統設計
1、系統組成
系統由控制計算機、NIPCI-4551、NIPCI-4472、BNC-2140、功率放大器、電荷放大器、傳感器、激振器、試件、夾具及連接電纜等組成（見(jiàn)圖1）。系統使用儀器設備見(jiàn)表1。其基本工作原理為：控制計算機生成驅動(dòng)信號由PCI-4551卡輸出經(jīng)功率放大器放大后給激振器來(lái)產(chǎn)生隨機振動(dòng)，同時(shí)由安裝在試件（或夾具）上的加速度傳感器拾振，經(jīng)電荷放大器后通過(guò)PCI-4472采集輸入到控制計算機，從而形成閉環(huán)控制。在實(shí)際試驗過(guò)程中，由于外界干擾或系統特性的影響，控制過(guò)程應反復進(jìn)行，以使控制點(diǎn)處的振動(dòng)能夠達到并保持試驗規范要求。
圖1 系統組成框圖
表1 系統儀器設備使用列表
儀 器 名 稱(chēng)
型 號
使 用 數 量
激 振 器
JZT-2
2個(gè)
功率放大器
TS5870
2個(gè)
電荷放大器
YE5857
2個(gè)
傳 感 器
CA-YD-106
2個(gè)
DAQ板卡
NI PCI-4551
1塊
DAQ板卡
NI PCI-4472
1塊
控制計算機
PIV 2.0G
1臺
2、控制方案
隨機振動(dòng)試驗目的是要求控制點(diǎn)的響應譜與參考譜在誤差容許范圍內保持一致。多點(diǎn)激勵隨機振動(dòng)控制方案如圖2所示�？刂品桨傅牡谝徊绞怯蓞⒖甲V密度陣來(lái)得到下三角陣[Z]的初始值；第二步估計被控系統的頻響特性矩陣[H]，對被控系統進(jìn)行解耦得到解耦矩陣[A]，即控制器；第三步是利用[Z]的初始值，系統的解耦矩陣[A]及獨立（不相關(guān)）白噪聲頻譜向量{W}開(kāi)始試驗。閉環(huán)控制的基本原理是白噪聲源{W}通過(guò)下三角陣[Z]得到{X}，然后經(jīng)過(guò)解耦矩陣[A]得到驅動(dòng)信號頻譜向量{D}，對其進(jìn)行逆FFT變換得到時(shí)域驅動(dòng)信號ddhxvffh，用驅動(dòng)信號激勵被控系統得到時(shí)域響應信號{c}，計算響應譜密度陣，利用和來(lái)修正下三角陣[Z]從而實(shí)現閉環(huán)控制。在進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，如果驅動(dòng)譜密度矩陣是非奇異的，則可以利用驅動(dòng)譜密度矩陣和響應譜密度矩陣來(lái)修正被控系統的頻響特性矩陣[H]和解耦矩陣[A]。如果驅動(dòng)譜密度陣是奇異的，則無(wú)法修正，不過(guò)可以根據控制誤差大小來(lái)對解耦矩陣進(jìn)行逐步部分修正。
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