用于多维随机振动试验的控制装置和控制方法

摘要

本发明公布了一种用于多维随机振动试验的控制装置和控制方法，所述装置包括：PC或工控计算机和VXI测控系统，所述PC或工控计算机包括显示交互模块和计算控制模块。所述方法包括：设置多维随机振动试验条件、控制点参考谱矩阵；计算控制模块计算频域驱动信号；生成连续的时域随机驱动信号，驱动控制对象振动；形成控制谱矩阵；在每个控制频率点上计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵；判断误差矩阵阈值；对谱修正矩阵进行迭代修正；将修正后的矩阵L进行新的随机驱动信号计算。本发明具有高性能的动态信号采集处理和任意波形生成的功能，稳定性、可靠性和开放性高，可保证振动响应信号采集和驱动信号发送的精度及实时性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于多轴向多振动台随机振动试验的振动控制装置，和相应的振动控制方法。

背景技术

振动环境试验技术在航空、航天、军事装备、各国民经济行业等诸多领域的实际工程中有着广泛应用，随着各行业对产品性能及可靠性要求的不断提高，对振动试验的模拟要求也越来越高。宽带随机振动试验能够在短时间内激发试件多个模态同时参与振动，可以比较真实的模拟试件在实际随机振动环境中可能出现的故障，成为振动环境试验的有效手段。

多维随机振动试验控制装置是进行随机振动环境模拟的核心设备，不同于传统单轴向单振动台随机振动试验，多维随机振动试验能实现不同轴向多振动台同时激振，提供更真实的应力分布，所模拟的振动环境与实际更为符合，因此成为目前振动环境试验技术新的发展趋势。

多维随机振动试验控制目标是实现控制点响应谱矩阵对试验条件参考谱矩阵的再现，不仅要控制信号的自谱，还需控制控制点之间的互谱关系(相干系数和相位差)。目前广泛使用的控制算法是差分控制算法为主，该算法以差分误差为前提，但在实际应用中会出现差分修正使得谱矩阵Cholesky分解的下三角阵对角元素出现负值，这是物理不可实现的。或者只针对控制点的自谱进行修正，而忽略对互谱元素的控制。

参考文献：

[1]Smallwood D O.Multiple shaker random vibration control -an update[C]//Proceedings of the Institute of Environmental Sciences and Technology.1999：212-221

[2]贺旭东，陈怀海，申凡等.双振动台随机振动综合控制研究[J].振动工程学报，2006，19(2)：145-149.

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服当前现有多维随机振动试验控制算法中存在谱矩阵修正过程中出现对角元负值的现象，以及自谱元素和互谱元素不能同时控制的问题。本发明提供一种用于多维随机振动试验的控制装置和控制方法，实现多维随机振动试验控制点响应信号自谱和互谱同时得到控制，并提高控制谱收敛的速度和精度。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明用于多维随机振动试验的控制装置包括：PC或工控计算机和VXI测控系统，所述PC或工控计算机包括显示交互模块①和计算控制模块②，所述VXI测控系统包括信号采集处理模块③和信号输出模块④，PC或工控计算机和VXI测控系统的数据传输和指令通讯用IEEE-1394接口或以太网卡实现。

用于多维随机振动试验的控制装置的控制方法包括如下步骤：

1)显示交互模块①设置多维随机振动试验条件，试验条件包括试验控制频带、谱线数和控制点参考谱矩阵；控制点参考谱矩阵为S_RR，并由计算控制模块②对参考谱矩阵S_RR进行Cholesky分解，表示为：

$S_{\mathrm{RR}}=L_R{L}_R^H$

其中控制点参考谱矩阵S_RR对角元表示控制点的自谱，非对角元表示控制点之间的互谱；

2)计算控制模块②计算频域驱动信号：

D＝ALX

其中D为频域驱动信号；A为控制对象⑤频响矩阵的逆阵，控制对象⑤的频响矩阵可通过H₁估计方法离线测试得到；L为谱修正矩阵，初始的L从步骤1)中的L_R复制；X为随机相位对角矩阵，对角元是θ_i为服从-π：π均匀分布的随机相位，N是矩阵的维数；

3)计算控制模块②将步骤2)得到的频域驱动信号用时域随机化的方法生成连续的时域随机驱动信号，将时域随机驱动信号经由信号输出模块④驱动控制对象⑤振动；

4)信号采集处理模块③采集控制对象⑤控制点的振动响应信号，并用周期图法估计信号的功率谱，形成控制谱矩阵S_yy，同时由计算控制模块②对控制谱矩阵S_yy进行Cholesky分解，表示为：

$S_{\mathrm{yy}}=L_s{L}_s^H$

5)在每个控制频率点上计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵：

$E=L_R{L}_s^{-1}$

6)判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤7，否则退出修正算法；

7)用矩阵幂次运算，对谱修正矩阵L进行迭代修正，表示为：

L^(k+1)＝E^εL^(k)

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L⁽⁰⁾＝L_R；ε为幂次修正系数，取0＜ε≤1；

8)将修正后的矩阵L，代回步骤2)进行新的随机驱动信号计算。

本发明所述的试验控制装置采用VXI测控系统作为数采硬件平台，具有高性能的动态信号采集处理和任意波形生成的功能，稳定性、可靠性和开放性高，可保证振动响应信号采集和驱动信号发送的精度及实时性。本试验控制装置可用于振动台、激振器和压电作动器等设备的控制，完成结构的多维随机振动试验控制。

本发明所提供的多维随机振动试验控制方法能保证谱矩阵在迭代过程中不会出现谱矩阵对角元负值的现象，实现对控制谱矩阵自谱和互谱元素的同时修正。

附图说明

图1为多维随机振动试验控制装置的结构组成框图。

图2为基于矩阵幂次运算的多维随机振动试验控制方法流程图。

图3为本发明实施实例所设置的试验条件，其中图3(a)为X轴向和Y轴向的控制点自谱参考谱曲线，图3(b)为Z轴向的控制点自谱参考谱曲线。

图4为本发明实施实例三轴向随机振动试验自谱控制效果图，其中图4(a)为X轴向控制点自谱控制曲线，图4(b)为Y轴向控制点自谱控制曲线，图4(c)为Z轴向控制点自谱控制曲线。

图5为本发明实施实例三轴向随机振动试验互谱控制效果图，其中图5(a)为X轴向和Y轴向控制点互谱相干系数和相位差控制曲线，图5(b)为X轴向和Z轴向控制点互谱相干系数和相位差控制曲线，图5(c)为Y轴向和Z轴向控制点互谱相干系数和相位差控制曲线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施实例对本发明作进一步的说明。

图1所示是本发明所述的多维随机振动试验控制装置的结构组成框图。显示交互模块①和计算控制模块②由PC或工控计算机组成，计算机在本试验控制装置中起上位机的作用。显示交互模块①主要提供人机交互界面和数据曲线显示功能，计算控制模块②包含了本发明所述的基于矩阵幂次运算的多维随机振动试验控制算法，这两个模块通过软件开发，由计算机控制软件集成实现。

信号采集处理模块③和信号输出模块④由VXI测控系统组成，作为数采硬件平台在控制装置中起下位机的作用。在本实例中信号采集处理模块③采用美国VTI Instruments公司生产的16通道24位1024.4kSa/s带DSP和IEPE调理的VT1436数字化仪，信号输出模块④采用美国VTI Instruments公司生产的4通道VT1434A任意波形发生器，VT1436和VT1434A装在该公司生产的E8408A 4槽便携式VXI主机箱内，同时采用该公司生产的EX2500 LXI-VXI零槽控制器与上位控制计算机用以太网卡接口进行通讯。总而言之，美国VTIInstruments公司生成的E8408A VXI机箱、EX2500零槽控制器、VT1436数字化仪和VT1434A任意波形发生器构成本实例中的VXI测控系统。

控制对象⑤由振动台、振动台功放和传感器组成。本实例中采用日本Shink公司生产的G-6080-3HT-020三轴向振动台和与之匹配的振动台功放，实现空间三个正交轴向XYZ同时激振，传感器采用PCB三轴向加速度传感器，测试振动台台面三个方向的加速度振动响应信号。

图2所示是在上述试验控制装置上应用本发明基于矩阵幂次运算多维随机振动试验控制方法的一个实例流程图。主要有如下几个步骤：

1、首先通过显示交互模块①设置多维随机振动试验的试验条件。本实例中设置试验控制频带为2000Hz，谱线数400线，X轴向和Y轴向的控制点自谱参考谱如图3(a)所示，Z轴向的控制点如图3(b)所示。图3(a)中20-100Hz斜率为3dB/Oct，100-1000Hz自谱密度为2e-7g²/Hz，1000-2000Hz斜率为-3dB/Oct，(b)图中20-200Hz斜率为3dB/Oct，200-2000Hz自谱密度为5e-8g²/Hz。控制点之间的互谱关系用相干系数和相位差定义，其中X轴向和Y轴向的控制点相干系数为0.3，相位差为-45度；X轴向和Z轴向的控制点相干系数为0.8，相位差为90度；Y轴向和Z轴向的控制点相干系数为0，相位差不做控制要求。试验控制要求是三个轴向的控制点自谱误差不超出参考谱±3dB，控制相干系数误差小于10％，相位差误差小于10度。

根据试验条件形成参考谱矩阵S_RR，并对参考谱矩阵进行Cholesky分解，记为

$S_{\mathrm{RR}}=L_R{L}_R^H$

2、测试控制对象⑤的频响函数矩阵，并计算频响函数矩阵的逆阵A。控制对象的频响函数矩阵可用H₁估计方法离线测试，也可从先前的试验数据中导入。

3、利用参考谱矩阵Cholesky分解得到的矩阵L_R和控制对象⑤频响函数矩阵的逆阵，计算频域中初始的随机驱动信号。

4、频域随机驱动信号用时域随机化的方法，生成时域连续随机驱动信号，通过信号输出模块④输出驱动控制对象⑤振动。

5、信号采集处理模块③采集控制对象⑤三个轴向上控制点的加速度传感器信号，并用周期图法估计信号的功率谱，形成控制谱矩阵S_yy，并进行Cholesky分解，表示为：

$S_{\mathrm{yy}}=L_s{L}_s^H$

6、在每个控制频率点上计算控制谱和参考谱之间的控制误差矩阵，记为

$E=L_R{L}_s^{-1}$

7、判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制条件，则进入迭代修正环节，否则退出修正算法。

8、应用基于矩阵幂次运算的多维随机振动试验控制修正方法，对谱修正矩阵L进行迭代修正，并将修正后的矩阵L代回步骤3进行新的随机驱动信号计算。在本实例中，幂次修正系数ε＝0.5。本实例三轴向随机振动试验控制效果如图4和图5所示。图4中最外侧的点划线表示参考谱的±6dB的误差限，次外侧虚线表示±3dB的误差限，中间的实线是参考谱线和自功率谱谱线，从图中可以看到，三个轴向的控制点自功率谱的谱线都在参考谱的±3dB误差限内，自功率谱的控制效果很好。图5为各轴向控制点之间互谱的控制效果，图中互谱相干系数和相位差曲线都被控制在参考值附件，控制效果很好。