基于虛擬儀器的多點隨機振動試驗控制系統(tǒng)的設計

應用領域：研發(fā)

挑戰(zhàn)：設計并實現(xiàn)多點隨機振動試驗控制系統(tǒng)。

應用方案：使用NI公司的LabWindows/CVI軟件配合動態(tài)信號分析卡NI-4551和動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡NI-4472以及其他硬件快速開發(fā)一個基于PC的多點隨機振動試驗控制系統(tǒng)。

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

介紹

多點激勵振動試驗控制技術是對大型復雜試件開展可靠性和環(huán)境試驗的關鍵技術，對產(chǎn)品可靠性的考核有著重要的意義。本文將給出多點隨機振動試驗的控制方案和控制系統(tǒng)的設計方案，在LabWindows/CVI平臺上結(jié)合NIPCI-4551和NIPCI-4472板卡開發(fā)一個雙振動臺隨機振動控制系統(tǒng)，并進行了實際連臺試驗。試驗結(jié)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(tǒng)具有較好的控制結(jié)果，達到了試驗規(guī)范要求。

引言
隨著對產(chǎn)品設備安全性、可靠性和環(huán)境適應性要求的不斷提高，推動了考核產(chǎn)品耐振動應力的振動試驗技術的發(fā)展，同時被試產(chǎn)品覆蓋面也進一步擴寬，從元器件到部件、組合件乃至整機都要求進行振動試驗，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)和設計缺陷。

隨著被試產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜化，體積大型化及產(chǎn)品重型化，單點激勵振動試驗已不能提供足夠的推力或是達到特定的運動水平來較真實地模擬產(chǎn)品實際工作環(huán)境，并達到規(guī)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，應使其盡量符合實際的產(chǎn)品工作環(huán)境，因此，對于無法用單點激勵來形成的振動環(huán)境，則需要通過多點激勵振動來解決。而目前在國內(nèi)，多點激勵振動控制技術還處于起步階段，多點振動控制系統(tǒng)更是沒有研制出來。本文將介紹多點隨機振動試驗控制技術和基于虛擬儀器技術的控制系統(tǒng)的設計開發(fā)，并對實際連臺試驗結(jié)果進行分析討論，希望能夠為多點激勵振動控制技術的進一步研究奠定一個良好的基礎。
系統(tǒng)設計

1、系統(tǒng)組成

系統(tǒng)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（見圖1）。系統(tǒng)使用儀器設備見表1。其基本工作原理為：控制計算機生成驅(qū)動信號由PCI-4551卡輸出經(jīng)功率放大器放大后給激振器來產(chǎn)生隨機振動，同時由安裝在試件（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采集輸入到控制計算機，從而形成閉環(huán)控制。在實際試驗過程中，由于外界干擾或系統(tǒng)特性的影響，控制過程應反復進行，以使控制點處的振動能夠達到并保持試驗規(guī)范要求。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

表1 系統(tǒng)儀器設備使用列表

2、控制方案

隨機振動試驗目的是要求控制點的響應譜與參考譜在誤差容許范圍內(nèi)保持一致。多點激勵隨機振動控制方案如圖2所示。控制方案的第一步是由參考譜密度陣來得到下三角陣[Z]的初始值；第二步估計被控系統(tǒng)的頻響特性矩陣[H]，對被控系統(tǒng)進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]及獨立（不相關）白噪聲頻譜向量{W}開始試驗。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)動信號頻譜向量{D}，對其進行逆FFT變換得到時域驅(qū)動信號z0ojb9e，用驅(qū)動信號激勵被控系統(tǒng)得到時域響應信號{c}，計算響應譜密度陣，利用和來修正下三角陣[Z]從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。在進行閉環(huán)控制時，如果驅(qū)動譜密度矩陣是非奇異的，則可以利用驅(qū)動譜密度矩陣和響應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行逐步部分修正。

3、控制軟件設計

控制軟件是整個控制系統(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)所需的幾個很關鍵的庫――用于驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)輸入輸出的DAQ庫和進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)平臺給整個控制軟件的實現(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，隨機振動試驗的運行控制和試驗信息及結(jié)果的顯示、存儲和打印輸出等部分組成。試驗運行控制部分包括系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)傳遞函數(shù)估計、閉環(huán)控制和開環(huán)試驗部分。

本控制軟件的關鍵是閉環(huán)控制模塊的設計。閉環(huán)控制要考慮控制的實時性，驅(qū)動信號發(fā)送的連續(xù)性、同步性和響應信號采集的同步性。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)送技術得到解決，對于閉環(huán)控制的實時性問題，解決辦法是采用多線程技術，為了確保驅(qū)動信號的連續(xù)發(fā)送，則為其開辟一個線程，并設為主線程，配合雙緩沖技術可以達到連續(xù)發(fā)送；為響應信號采集和處理及結(jié)果實時顯示開辟兩個線程。真隨機試驗閉環(huán)控制流程見圖3。

從用戶角度考慮，友好的人機界面是最重要的?？刂栖浖枰@示的數(shù)據(jù)有試驗信息、參考譜、控制譜、驅(qū)動譜、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)設置界面及自檢界面等采用對話框形式，由于參數(shù)設置界面太多，只給出參考譜參數(shù)設置界面（見圖5）和公共參數(shù)設置界面（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)設置界面

圖6公共參數(shù)設置界面

結(jié)果分析

根據(jù)上文的控制方案設計了一個兩點隨機振動控制系統(tǒng)，并進行了實際連臺試驗，驗證控制算法是否可行，并對結(jié)果進行了分析討論。

1、開環(huán)試驗結(jié)果及分析

開環(huán)試驗不進行反饋修正。其試驗結(jié)果可以用來考察解耦控制環(huán)節(jié)的設計好壞。圖7所示的就是開環(huán)試驗結(jié)果。從圖中可以看出：被控系統(tǒng)的共振點處和反共振點處的試驗結(jié)果較差。這說明被控系統(tǒng)在共振點處，很小的驅(qū)動都會產(chǎn)生很大的響應，而且在該處同頻率的干擾或噪聲會被放大，從而不好控制；對于反共振點來說，為了能夠在這些頻率點上達到試驗要求，則驅(qū)動信號在對應的頻率點上的能量較大。即使對本控制點不會產(chǎn)生太大的響應，也可能通過系統(tǒng)的耦合性使其他控制點在對應的頻率點上產(chǎn)生很大的響應。

通過以上分析可以看出：對于實際系統(tǒng)，由于存在各種干擾或噪聲，以及系統(tǒng)頻響特性估計存在誤差，所以只通過設計開環(huán)控制器（解耦矩陣）是很難達到試驗規(guī)范要求的。因此，必須在開環(huán)試驗的基礎上加上反饋修正環(huán)節(jié)形成閉環(huán)控制，以此來不斷修正控制偏差，從而達到試驗要求。

2、閉環(huán)控制試驗結(jié)果及分析

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

通過對上述兩點激勵隨機振動試驗結(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，使得本人在設計開發(fā)時，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計出控制系統(tǒng)，然后進行實際的連臺調(diào)試，驗證控制算法的可行性，并發(fā)現(xiàn)問題改進算法，最終得到了較好的控制效果，滿足了試驗規(guī)范要求。因此，

虛擬儀器技術使得儀器設備的設計開發(fā)具有很強的靈活性和擴展性，而且縮短了開發(fā)周期和節(jié)省了開發(fā)費用。