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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
NI PCI-4551
1塊
DAQ板卡
NI PCI-4472
1塊
控制計算機
PIV 2.0G
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yekeq2o，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。
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