基于虛擬儀器的多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

應(yīng)用領(lǐng)域：研發(fā)

挑戰(zhàn)：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)。

應(yīng)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(shù)據(jù)采集卡NI-4472以及其他硬件快速開發(fā)一個(gè)基于PC的多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)。

使用的產(chǎn)品：LabWindows/CVI，NI PCI-4551，BNC-2140，NI PCI-4472。

介紹

    多點(diǎn)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)控制技術(shù)是對大型復(fù)雜試件開展可靠性和環(huán)境試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品可靠性的考核有著重要的意義。本文將給出多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的控制方案和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在LabWindows/CVI平臺上結(jié)合NI PCI-4551和NI PCI-4472板卡開發(fā)一個(gè)雙振動(dòng)臺隨機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際連臺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定試驗(yàn)條件下，本文給出的控制方案是可行的，且所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有較好的控制結(jié)果，達(dá)到了試驗(yàn)規(guī)范要求。

引言
    隨著對產(chǎn)品設(shè)備安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要求的不斷提高，推動(dòng)了考核產(chǎn)品耐振動(dòng)應(yīng)力的振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)被試產(chǎn)品覆蓋面也進(jìn)一步擴(kuò)寬，從元器件到部件、組合件乃至整機(jī)都要求進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，以便在更高層次上充分暴露大系統(tǒng)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)缺陷。

   隨著被試產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，體積大型化及產(chǎn)品重型化，單點(diǎn)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)已不能提供足夠的推力或是達(dá)到特定的運(yùn)動(dòng)水平來較真實(shí)地模擬產(chǎn)品實(shí)際工作環(huán)境，并達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)要求。而國軍標(biāo)、美軍標(biāo)及其它許多國際標(biāo)準(zhǔn)對振動(dòng)試驗(yàn)中的被試產(chǎn)品所施加應(yīng)力都有嚴(yán)格要求，應(yīng)使其盡量符合實(shí)際的產(chǎn)品工作環(huán)境，因此，對于無法用單點(diǎn)激勵(lì)來形成的振動(dòng)環(huán)境，則需要通過多點(diǎn)激勵(lì)振動(dòng)來解決。而目前在國內(nèi)，多點(diǎn)激勵(lì)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(tǒng)更是沒有研制出來。本文將介紹多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制技術(shù)和基于虛擬儀器技術(shù)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，并對實(shí)際連臺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，希望能夠?yàn)槎帱c(diǎn)激勵(lì)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(chǔ)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    1、    系統(tǒng)組成

    系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、NI PCI-4551、NI PCI-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（見圖1）。系統(tǒng)使用儀器設(shè)備見表1。其基本工作原理為：控制計(jì)算機(jī)生成驅(qū)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產(chǎn)生隨機(jī)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PCI-4472采集輸入到控制計(jì)算機(jī)，從而形成閉環(huán)控制。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于外界干擾或系統(tǒng)特性的影響，控制過程應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，以使控制點(diǎn)處的振動(dòng)能夠達(dá)到并保持試驗(yàn)規(guī)范要求。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

表1 系統(tǒng)儀器設(shè)備使用列表

    2、    控制方案

    隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康氖且罂刂泣c(diǎn)的響應(yīng)譜與參考譜在誤差容許范圍內(nèi)保持一致。多點(diǎn)激勵(lì)隨機(jī)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 來得到下三角陣[Z]的初始值；第二步估計(jì)被控系統(tǒng)的頻響特性矩陣[H]，對被控系統(tǒng)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(tǒng)的解耦矩陣[A]及獨(dú)立（不相關(guān)）白噪聲頻譜向量{W}開始試驗(yàn)。閉環(huán)控制的基本原理是白噪聲源{W}通過下三角陣[Z]得到{X}，然后經(jīng)過解耦矩陣[A]得到驅(qū)動(dòng)信號頻譜向量{D}，對其進(jìn)行逆FFT變換得到時(shí)域驅(qū)動(dòng)信號9qcz949，用驅(qū)動(dòng)信號激勵(lì)被控系統(tǒng)得到時(shí)域響應(yīng)信號{c}，計(jì)算響應(yīng)譜密度陣 ，利用 和 來修正下三角陣[Z]從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)譜密度矩陣是非奇異的，則可以利用驅(qū)動(dòng)譜密度矩陣 和響應(yīng)譜密度矩陣 來修正被控系統(tǒng)的頻響特性矩陣[H]和解耦矩陣[A]。如果驅(qū)動(dòng)譜密度陣是奇異的，則無法修正，不過可以根據(jù)控制誤差大小來對解耦矩陣進(jìn)行逐步部分修正。

    3、    控制軟件設(shè)計(jì)

    控制軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。其是在LabWindows/CVI平臺上結(jié)合NI-DAQ及NI-4551和NI-4472卡開發(fā)的。LabWindows/CVI提供了控制軟件開發(fā)所需的幾個(gè)很關(guān)鍵的庫——用于驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)輸入輸出的DAQ庫和進(jìn)行信號處理的高級分析庫，且編程簡單快捷，因此采用LabWindows/CVI作為本控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺給整個(gè)控制軟件的實(shí)現(xiàn)過程帶來很大的方便。

    控制軟件主要由參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入和確認(rèn)，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的運(yùn)行控制和試驗(yàn)信息及結(jié)果的顯示、存儲和打印輸出等部分組成。試驗(yàn)運(yùn)行控制部分包括系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)傳遞函數(shù)估計(jì)、閉環(huán)控制和開環(huán)試驗(yàn)部分。

    本控制軟件的關(guān)鍵是閉環(huán)控制模塊的設(shè)計(jì)。閉環(huán)控制要考慮控制的實(shí)時(shí)性，驅(qū)動(dòng)信號發(fā)送的連續(xù)性、同步性和響應(yīng)信號采集的同步性。同步性由于采集卡本身特性基本能夠滿足，連續(xù)性可以通過雙緩沖發(fā)送技術(shù)得到解決，對于閉環(huán)控制的實(shí)時(shí)性問題，解決辦法是采用多線程技術(shù)，為了確保驅(qū)動(dòng)信號的連續(xù)發(fā)送，則為其開辟一個(gè)線程，并設(shè)為主線程，配合雙緩沖技術(shù)可以達(dá)到連續(xù)發(fā)送；為響應(yīng)信號采集和處理及結(jié)果實(shí)時(shí)顯示開辟兩個(gè)線程。真隨機(jī)試驗(yàn)閉環(huán)控制流程見圖3。

    從用戶角度考慮，友好的人機(jī)界面是最重要的?？刂栖浖枰@示的數(shù)據(jù)有試驗(yàn)信息、參考譜、控制譜、驅(qū)動(dòng)譜、互譜相位及系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣等。由于其中包括文本和圖形顯示方式，所以為了便于用戶查看，采用多文檔界面（MDI）。主界面如圖4所示，其他參數(shù)設(shè)置界面及自檢界面等采用對話框形式，由于參數(shù)設(shè)置界面太多，只給出參考譜參數(shù)設(shè)置界面（見圖5）和公共參數(shù)設(shè)置界面（見圖6）。

圖 3 閉環(huán)控制流程圖圖圖4 控制軟件主界面

圖5 參考譜參數(shù)設(shè)置界面

圖6 公共參數(shù)設(shè)置界面

    結(jié)果分析

    根據(jù)上文的控制方案設(shè)計(jì)了一個(gè)兩點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際連臺試驗(yàn)，驗(yàn)證控制算法是否可行，并對結(jié)果進(jìn)行了分析討論。

    1、開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果及分析

    開環(huán)試驗(yàn)不進(jìn)行反饋修正。其試驗(yàn)結(jié)果可以用來考察解耦控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)好壞。圖7所示的就是開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：被控系統(tǒng)的共振點(diǎn)處和反共振點(diǎn)處的試驗(yàn)結(jié)果較差。這說明被控系統(tǒng)在共振點(diǎn)處，很小的驅(qū)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生很大的響應(yīng)，而且在該處同頻率的干擾或噪聲會(huì)被放大，從而不好控制；對于反共振點(diǎn)來說，為了能夠在這些頻率點(diǎn)上達(dá)到試驗(yàn)要求，則驅(qū)動(dòng)信號在對應(yīng)的頻率點(diǎn)上的能量較大。即使對本控制點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生太大的響應(yīng)，也可能通過系統(tǒng)的耦合性使其他控制點(diǎn)在對應(yīng)的頻率點(diǎn)上產(chǎn)生很大的響應(yīng)。
    
    通過以上分析可以看出：對于實(shí)際系統(tǒng)，由于存在各種干擾或噪聲，以及系統(tǒng)頻響特性估計(jì)存在誤差，所以只通過設(shè)計(jì)開環(huán)控制器（解耦矩陣）是很難達(dá)到試驗(yàn)規(guī)范要求的。因此，必須在開環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上加上反饋修正環(huán)節(jié)形成閉環(huán)控制，以此來不斷修正控制偏差，從而達(dá)到試驗(yàn)要求。

    2、閉環(huán)控制試驗(yàn)結(jié)果及分析

    圖8所示的是閉環(huán)控制試驗(yàn)結(jié)果。對比開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可以明顯地看出：在開環(huán)試驗(yàn)中超差頻段上的控制譜基本被修正到報(bào)警限范圍內(nèi)了。

通過對上述兩點(diǎn)激勵(lì)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，本文研究的控制方案是可行的，在一定的條件下可以得到較好的控制結(jié)果。

    結(jié)論

    由于LabWindows/CVI具有DAQ庫和高級信號分析庫等函數(shù)庫，再結(jié)合NI-4551和NI-4472卡的優(yōu)良性能，使得本人在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，把主要精力放在了控制方案和反饋修正算法的研究上，從而一旦確定了控制方案和算法就能很快設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)，然后進(jìn)行實(shí)際的連臺調(diào)試，驗(yàn)證控制算法的可行性，并發(fā)現(xiàn)問題改進(jìn)算法，最終得到了較好的控制效果，滿足了試驗(yàn)規(guī)范要求。因此，

    虛擬儀器技術(shù)使得儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性，而且縮短了開發(fā)周期和節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用。