多軸隨機振動控制系統開發

嚴俠，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開發

嚴俠，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)

設計出多軸隨機振動控制算法。以NI的PXIRT系統為硬件平臺，利用LabVIEW軟件開發工具，進行多軸隨機振動控制系統的軟件開發，所設計的多軸振動控制系統，能夠實現六維的隨機振動控制，其動態范圍達到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試。控制結果表明:經過多幀均衡后，各方向上控制容差均在±3 dB以內。

多維振動控制;隨機振動;環境模擬

多軸振動控制技術廣泛應用于多軸振動環境模擬、武器飛行環境模擬、機載環境模擬、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境模擬應用尤為廣泛。以往由于試驗技術和設備的限制，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，多軸振動可能激發出單軸振動無法激發的故障模式，使得通過單軸振動試驗的產品在真實的振動環境中可能出現故障。另外隨著試驗技術的不斷發展，多軸液壓振動臺［1］、多軸電動振動臺［2］在國內相繼建立，而多軸振動控制器發展卻相對滯后，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］，國內至今仍無成熟的多軸控制器產品推出。同時，這些國際上的控制器在實際應用中發現其功能和技術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研究，將有助于提高國內在多維振動控制技術領域的水平，提升國內振動控制器的自主研發能力。

多軸隨機振動控制系統是通過設定參考譜矩陣，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］，但算法上更加復雜，除需要解決隨機驅動信號搭接［6］問題、功率譜密度均衡、反饋修正外，還需要解決系統傳遞函數矩陣估計以及求逆問題。作者所開發的多軸隨機振動控制器能夠完成六維的隨機振動，經多幀均衡后，控制平穩，其控制技術接近國外多軸隨機控制器水平，可應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理論進行簡述。

MIMO系統按傳遞函數矩陣描述如下

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

隨機振動試驗中，系統按輸入輸出功率譜密度關系表示如下

式中:Sujyi表示i坐標激勵、j坐標響應之間的互譜;Sujuj表示j坐標激勵的自譜。

如果，傳遞函數矩陣H(ω)在頻率點ω上存在奇異，其傳遞函數逆矩陣則采用摩爾－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動信號激勵系統振動。這里定義參考譜矩陣為(ω)，根據式 (3)相應的輸入譜矩陣可以按如下公式計算得到:

這里，僅計算出驅動譜矩陣是不夠的，必須要求解出驅動的時間歷程信號。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置相乘。式中:L(ω)是一個復下三角矩陣。根據式 (6)、式(7)可以計算得到驅動信號的傅里葉譜。

然后，將得到的驅動頻譜作傅氏逆變換，便可以得到驅動的時間歷程信號。

1.2 多軸隨機振動控制算法設計

根據MIMO隨機振動控制系統理論，可以設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，進行系統傳遞函數矩陣估計。這里按式 (5)進行系統傳遞函數矩陣估計;

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

(4)在頻域內產生幅值譜為1、相位隨機的白噪聲信號W(ω);

(5)在頻域內更新計算驅動譜U(ω);

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

(7)驅動信號激振系統;

(8)測量加速度響應yk，估計輸出譜矩陣^Syy(ω)譜;

(9)譜誤差計算，進一步反饋更新驅動譜U(ω)。

2 多軸隨機振動控制系統設計

2.1 系統硬件配置

根據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建系統的硬件，設計驅動通道為6路，測量通道為8路差分。系統將根據被控振動臺的幾何關系，通過轉移輸出矩陣，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。即采用PXI-8110 RT系統，并配置數據采集卡PXI-6254，PXI-6733各1塊。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 軟件組成與功能

控制系統軟件功能模塊結構圖如圖2所示。其軟件的主要功能包括:參數設置、參考譜設置、系統自檢、傳遞函數矩陣辨識及求逆、隨機振動運行、數據顯示與分析等。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 實時系統中的狀態圖流程

多軸振動控制系統核心算法是在實時系統中實現的。根據系統的工作流程及安全保護要求，系統的狀態圖流程如圖4所示，首先系統進入初始狀態，完成系統參數載入，并等待開始指令;當接收到開始指令，則進入運行流程，首先進行數采卡初始化設置，系統自檢;然后進入到系統辨識狀態，最后進入隨機振動控制運行狀態，選擇系統停機則退出隨機振動程序。

圖4 實時系統的狀態圖流程

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。隨機振動控制系統中的故障主要包括開環、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。在實時系統的每個控制循環中，將進行實時故障的邏輯判斷，當試驗系統出現故障時，控制器將即時停機，以保障試驗設備及產品的安全。

3 系統調試及試驗

在完成了多軸隨機振動控制系統開發后，首先進行系統的自閉環測試，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 系統的自閉環測試

這里設置參考譜為國標中的振動控制器驗收標準譜，設置參考譜動態范圍為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。系統的自閉環控制結果的控制曲線均在±3 dB容差以內。

圖5 系統自閉環控制曲線

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x向111.7 mV/g，y向110.54 mV/g。系統0 dB控制曲線如圖6、7所示。該系統控制平穩，控制曲線均在±3 dB容差以內。

圖6 系統0 dB連6 t、8 t雙臺控制曲線1

圖7 系統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0 dB控制曲線如圖8所示。在多幀均衡后，該系統控制平穩，控制曲線均在±3 dB容差以內，僅繞z向出現局部超差 (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 結論

分析與設計多軸隨機振動控制算法，利用Lab-VIEW軟件開發工具，開發出了多軸隨機振動控制系統。該系統自閉環控制能夠達到75 dB動態范圍。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，經多幀均衡后，控制曲線平穩，容差均在±3 dB以內。該控制系統兼顧了低頻臺和高頻臺的應用，其控制效果均滿意，可以應用于多軸隨機振動試驗領域。

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

【2】PEETERSB，DEBILLE J.MIMO Random Vibration Control Algorithm and Simulation［C］//Proceedings of the 72ndShock and Vibration Symposium，Destin，FL，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］.地震學報，1998(3):327－331.

【5】嚴俠，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.隨機振動控制驅動信號的三幀搭接方法［J］.西南交通大學學報，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

國家國防科技工業局消化吸收再創新資助項目(［2009］172)

嚴俠 (1977—)，碩士，高級工程師，現主要從事振動環境試驗技術、振動控制技術研究及振動試驗設備研發工作。E－mail:yanxianuaa@126.com。