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基于虛擬儀器的多點隨機振動試驗控制系統的設計
應用領域：研發挑戰：設計并實現多點隨機振動試驗控制系統。
應用方案：使用NI公司的LabWindows/CVI軟件配合動態信號分析卡NI-4551和動態數據采集卡NI-4472以及其他硬件快速開發一個基于PC的多點隨機振動試驗控制系統。
使用的產品：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境試驗的關鍵技術，對產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的設計方案，在LabWindows/CVI平臺上結合NIPCI-4551和NIPCI-4472板卡開發一個雙振動臺隨機振動控制系統，并進行了實際連臺試驗。試驗結果表明：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具有較好的控制結果，達到了試驗規范要求。
引言
隨著對產品設備安全性、可靠性和環境適應性要求的不斷提高，推動了考核產品耐振動應力的振動試驗技術的發展，同時被試產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可能存在的薄弱環節和設計缺陷。
隨著被試產品結構復雜化，體積大型化及產品重型化，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品實際工作環境，并達到規定的試驗要求。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品所施加應力都有嚴格要求，應使其盡量符合實際的產品工作環境，因此，對于無法用單點激勵來形成的振動環境，則需要通過多點激勵振動來解決。而目前在國內，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的設計開發，并對實際連臺試驗結果進行分析討論，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。
系統設計
1、系統組成
系統由控制計算機、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：控制計算機生成驅動信號由PCI-4551卡輸出經功率放大器放大后給激振器來產生隨機振動，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，從而形成閉環控制。在實際試驗過程中，由于外界干擾或系統特性的影響，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范要求。
圖1系統組成框圖
表1系統儀器設備使用列表
儀器名稱
型號
使用數量
激振器
JZT-2
2個
功率放大器
TS5870
2個
電荷放大器
YE5857
2個
傳感器
CA-YD-106
2個
DAQ板卡
NIPCI-4551
1塊
DAQ板卡
NIPCI-4472
1塊
控制計算機
PIV2.0G
1臺
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的頻響特性矩陣[H]，對被控系統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}，然后經過解耦矩陣[A]得到驅動信號頻譜向量{D}，對其進行逆FFT變換得到時域驅動信號rerbnxcy，用驅動信號激勵被控系統得到時域響應信號{c}，計算響應譜密度陣，利用和來修正下三角陣[Z]從而實現閉環控制。在進行閉環控制時，如果驅動譜密度矩陣是非奇異的，則可以利用驅動譜密度矩陣和響應譜密度矩陣來修正被控系統的頻響特性矩陣[H]和解耦矩陣[A]。如果驅動譜密度陣是奇異的，則無法修正，不過可以根據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的核心部分。其是在LabWindows/CVI平臺上結合NI-DAQ及NI-4551和NI-4472卡開發的。LabWindows/CVI提供了控制軟件開發所需的幾個很關鍵的庫——用于驅動數據采集卡完成數據輸入輸出的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作為本控制系統的軟件開發平臺給整個控制軟件的實現過程帶來很大的方便。
控制軟件主要由參數數據的輸入和確認，隨機振動試驗的運行控制和試驗信息及結果的顯示、存儲和打印輸出等部分組成。試驗運行控制部分包括系統自檢、系統傳遞函數估計、閉環控制和開環試驗部分。
本控制軟件的關鍵是閉環控制模塊的設計。閉環控制要考慮控制的實時性，驅動信號發送的連續性、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，連續性可以通過雙緩沖發送技術得到解決，對于閉環控制的實時性問題，解決辦法是采用多線程技術，為了確保驅動信號的連續發送，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發送；為響應信號采集和處理及結果實時顯示開辟兩個線程。真隨機試驗閉環控制流程見圖3。
從用戶角度考慮，友好的人機界面是最重要的。控制軟件需要顯示的數據有試驗信息、參考譜、控制譜、驅動譜、互譜相位及系統傳遞函數矩陣等。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，其他參數設置界面及自檢界面等采用對話框形式，由于參數設置界面太多，只給出參考譜參數設置界面（見圖5）和公共參數設置界面（見圖6）。
圖3閉環控制流程圖圖圖4控制軟件主界面
圖5參考譜參數設置界面
圖6公共參數設置界面
結果分析
根據上文的控制方案設計了一個兩點隨機振動控制系統，并進行了實際連臺試驗，驗證控制算法是否可行，并對結果進行了分析討論。
1、開環試驗結果及分析
開環試驗不進行反饋修正。其試驗結果可以用來考察解耦控制環節的設計好壞。圖7所示的就是開環試驗結果。從圖中可以看出：被控系統的共振點處和反共振點處的試驗結果較差。這說明被控系統在共振點處，很小的驅動都會產生很大的響應，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生太大的響應，也可能通過系統的耦合性使其他控制點在對應的頻率點上產生很大的響應。
通過以上分析可以看出：對于實際系統，由于存在各種干擾或噪聲，以及系統頻響特性估計存在誤差，所以只通過設計開環控制器（解耦矩陣）是很難達到試驗規范要求的。因此，必須在開環試驗的基礎上加上反饋修正環節形成閉環控制，以此來不斷修正控制偏差，從而達到試驗要求。
2、閉環控制試驗結果及分析
圖8所示的是閉環控制試驗結果。對比開環試驗結果可以明顯地看出：在開環試驗中超差頻段上的控制譜基本被修正到報警限范圍內了。
通過對上述兩點激勵隨機振動試驗結果的分析可知，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果。
結論
由于LabWindows/CVI具有DAQ庫和高級信號分析庫等函數庫，再結合NI-4551和NI-4472卡的優良性能，使得本人在設計開發時，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，然后進行實際的連臺調試，驗證控制算法的可行性，并發現問題改進算法，最終得到了較好的控制效果，滿足了試驗規范要求。因此，
虛擬儀器技術使得儀器設備的設計開發具有很強的靈活性和擴展性，而且縮短了開發周期和節省了開發費用。
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