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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，NIPCI-4551，BNC-2140，NIPCI-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NIPCI-4551和NIPCI-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)、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(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
儀 器 名 稱
型 號
使 用 數(shù) 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(jì)算機(jī)
PIV 2.0G
1臺
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371fxlpdd5n，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。
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