液壓振動臺振動環(huán)境模擬的控制技術(shù)研究.pdf

1、振動環(huán)境模擬被廣泛應(yīng)用于航空、航天和國防軍事等領(lǐng)域，目前已成為檢測和提高裝備可靠性的必備手段。通過使用特定的振動模擬設(shè)備和控制技術(shù)模擬產(chǎn)品在使用，運(yùn)輸以及存儲等過程中所受到的振動激勵，可以檢測設(shè)計(jì)上的不足和缺陷，為及時地修正設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)電液伺服仿真及試驗(yàn)系統(tǒng)研究所承接的“單水平向液壓振動臺數(shù)控系統(tǒng)改造”為項(xiàng)目背景，對模擬隨機(jī)和正弦兩類振動環(huán)境涉及的關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，其研究成果對于充分發(fā)揮液

2、壓振動臺在振動環(huán)境模擬方面的潛力具有重要的指導(dǎo)意義。
　　液壓振動臺實(shí)時控制單元由伺服控制器和振動控制器兩部分組成。伺服控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動平臺的數(shù)字閉環(huán)控制，它是實(shí)現(xiàn)各類振動環(huán)境模擬的控制基礎(chǔ)。本文針對液壓振動臺動力機(jī)構(gòu)固有頻率比較低、阻尼比很小的特點(diǎn)，引入三參量控制策略，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和拓展系統(tǒng)頻寬。同時，文中應(yīng)用根軌跡設(shè)計(jì)法對控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮了伺服閥動態(tài)特性對激振器性能的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
　

3、　高斯隨機(jī)振動環(huán)境是實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的一類振動環(huán)境，功率譜密度通常作為此類振動環(huán)境模擬的等價條件。而驅(qū)動平臺運(yùn)動的激勵信號必須為時域信號，因此如何完成功率譜密度至?xí)r域信號的轉(zhuǎn)換是此類振動環(huán)境模擬的首要工作。本文首先對該類振動環(huán)境的數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地論述，提出了基于自回歸(Auto-Regressive,AR)參數(shù)模型和 Ziggurat高斯隨機(jī)數(shù)生成算法的數(shù)值模擬方法。實(shí)時構(gòu)造的AR模型對平穩(wěn)、各態(tài)歷經(jīng)和獨(dú)立的高斯白噪聲進(jìn)行濾波

4、，從而實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動功率譜密度的精確時域模擬。仿真結(jié)果表明這種方法不僅模擬精度高，而且計(jì)算量小，計(jì)算簡單,同時能夠保證時域驅(qū)動信號的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征要求。另外，該方法支持xPc Target快速控制原型技術(shù)，極大地簡化了驅(qū)動信號的生成過程。在隨機(jī)過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，考慮到激振器和負(fù)載特性的影響，為保證足夠的功率譜密度再現(xiàn)精度，需要對驅(qū)動功率譜進(jìn)行迭代控制。控制點(diǎn)處的響應(yīng)功率譜密度估計(jì)值是迭代控制過程中的反饋量（也稱為被控制量），其估計(jì)精度與

5、響應(yīng)信號測量的統(tǒng)計(jì)自由度密切相關(guān)。為此，通過詳細(xì)分析響應(yīng)信號功率譜密度估計(jì)時的統(tǒng)計(jì)特性，提出了一種優(yōu)化的功率譜平均方法，，該方法不僅提高了響應(yīng)信號功率譜估計(jì)的置信度和精度，而且縮短了功率譜再現(xiàn)迭代控制中的回路時間，進(jìn)而提高了控制過程的實(shí)時性。
　　傳統(tǒng)的頻譜均衡控制算法(無論是線性域積分控制還是對數(shù)域積分控制)均采用控制誤差直接補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制策略，其穩(wěn)定性受到反饋增益和外界干擾的影響。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常需要選擇較小的反饋增

6、益，但是這樣做卻導(dǎo)致均衡時間變得很長。為了克服這種缺陷，本文提出了頻域X濾波變步長LMS算法，基于此算法構(gòu)造了隨機(jī)振動功率譜再現(xiàn)的自適應(yīng)控制律。在實(shí)時閉環(huán)控制的同時，阻抗函數(shù)(系統(tǒng)頻響函數(shù)的逆)在頻域內(nèi)被不斷修正，改善的阻抗函數(shù)可以允許更高的反饋增益，從而使均衡時間縮短而又不失穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，該方法相對傳統(tǒng)的頻譜均衡算法具有更好的穩(wěn)定性、更快的收斂速度和更高的控制精度。
　　正弦掃頻振動試驗(yàn)既可以確定樣品的共振頻率和導(dǎo)致樣品

7、失效的危險頻率，還可以進(jìn)行掃頻耐久性試驗(yàn)。本文針對正弦掃頻信號實(shí)質(zhì)上為瞬態(tài)信號的本質(zhì)特性，提出了基于相位函數(shù)解析解的信號綜合算法，并基于此信號綜合算法設(shè)計(jì)了一種數(shù)字跟蹤濾波器。該信號綜合算法不僅可以提高輸出波形的精度，而且可以與外差操作緊密結(jié)合，將響應(yīng)信號在當(dāng)前頻率點(diǎn)的頻譜平移至直流分量附近，該直流分量包含響應(yīng)信號在當(dāng)前頻率點(diǎn)的基頻幅度信息。直流中頻檢測器通過選擇適當(dāng)?shù)牡屯V波器釋放出直流分量，即可實(shí)現(xiàn)跟蹤濾波處理。仿真表明這種數(shù)字跟蹤

8、濾波器特別適合于正弦掃頻信號的時變譜分析。另外，傳統(tǒng)的幅度控制算法采用固定的壓縮比，它無法解決對不同頻段和不同系統(tǒng)特性的適應(yīng)性問題。為此，本文通過引入優(yōu)化概念，設(shè)計(jì)了一種分頻段變壓縮比積分控制器，提高了的正弦掃頻振動控制的精度。仿真結(jié)果驗(yàn)證了這種控制技術(shù)的優(yōu)越性。
　　基于xPc Target快速控制原型技術(shù)開發(fā)了用于隨機(jī)振動功率譜再現(xiàn)和正弦掃頻振動的多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并針對各種控制策略進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明