一种多维振动控制器制造技术

本发明专利技术提出了一种多维振动控制器，其基于PXIExpress总线架构，包括上位机和下位机，所述下位机包括PXIe总线机箱、X86控制器、多个AD信号采集板以及多个DA信号输出板，x86控制器用于振动控制算法的实时计算、时域数据存储以及PXIe总线的通信控制，多个AD信号采集板和多个DA信号输出板作为PXIe系统的外设板，每个外设板中均包含有对应的模数/数模转换电路。所述的振动控制算法包括MIMO系统辨识与可控性评估、MIMO谱矩阵正定性检查、自由度控制策略、驱动修正方法和谱矩阵迭代控制算法，可以实现控制点布置与驱动点布置的解耦，可根据自身需求调整控制策略以及增加了系统可控性的评价手段。手段。手段。

【技术实现步骤摘要】
一种多维振动控制器


[0001]本专利技术属于环境试验和可靠性试验领域，特别涉及一种以液压或电动振动台及激振器为控制对象的多维振动控制装置及其控制方法。

技术介绍

[0002]振动环境试验是鉴定产品硬件在真实使用环境下可靠性的有效方法，该项技术能够使得一些通常条件下难以实现或者实验成本昂贵的环境振动试验变得可以低成本重复再现。
[0003]振动环境试验按照激励方式可分为，单维振动和多维振动。然而，随着对环境测试要求的提高，传统的单轴单激励振动系统已经不能提供足够的推力，或是不能达到特定的运动需求来较真实的模拟实际工作环境，因此，现有技术中更多的是采用多轴向激励振动系统以提高振动测试水平。
[0004]在多维振动控制器中，控制器具备采集和输出多通道信号的能力，输入信号连接传感器，测量振动台的加速度信号；输出控制信号经过功率放大器驱动振动台，控制器通过网络和操作计算机相连接，将数据传输至操作计算机，由操作计算机显示并提供用户操作接口。多维振动控制器解决了振动试验中遇到的推力不足、控制自由度不够的问题，更真实的模拟了产品实际的运动状态，在试验室中提供了可重复的振动信号。
[0005]然而，现有的多维振动控制器，存在诸多问题，如信号采集和存储能力弱，不支持多种类型信号输入，控制策略单一，无法实现控制点布置与驱动点布置的解耦等，缺少评估手段。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提出了一种多维振动控制器，其基于PXIExpress总线架构，其能实现模拟信号输入输出、实时控制计算、时域数据存储、数据上传，并可以实现控制点布置与驱动点布置的解耦，可根据自身需求调整控制策略以及增加了系统可控性的评价手段。
[0007]为了实现上述目的，根据本专利技术一方面，提出了一种多维振动控制器，其基于PXIExpress总线架构，包括上位机和下位机，所述上位机和下位机之间采用以太网的通信；所述上位机内嵌操作软件，所述下位机包括PXIe总线机箱、X86控制器、多个AD信号采集板以及多个DA信号输出板，x86控制器用于振动控制算法的实时计算、时域数据存储以及PXIe总线的通信控制，多个AD信号采集板和多个DA信号输出板作为PXIe系统的外设板，每个外设板中均包含有对应的模数/数模转换电路。
[0008]优选地，所述的X86控制器中部署Linux
‑
RT实时操作系统，并采用OpenMP多核并行计算框架。
[0009]优选地，所述下位机通过多个AD信号采集板和多个DA信号输出板完成数据的采集和控制信号的输出，并实现控制器的闭环控制。
[0010]优选地，所述AD信号采集板包括FPGA控制器，8通道同步A/D转换器，信号调理电路，DDR内存，以及电源系统。
[0011]更进一步地，所述FPGA控制器支持PCI Express总线接口，所述信号调理电路用于抗混叠滤波和信号切换，DDR内存用于数据缓冲，电源系统将总线提供的12V电源转化为5V、
±
15V和24V电压输出。
[0012]优选地，所述的DA信号输出板，包括8通道同步D/A转换器、模拟抗镜像滤波电路和输出保护电路。
[0013]更进一步地，所述DA信号输出板的8通道DA转换器最高采样率为216Ksps，精度为32位。
[0014]优选地，所述的振动控制算法包括MIMO系统辨识与可控性评估、谱矩阵正定性检查、自由度控制策略、驱动修正方法、谱矩阵迭代控制算法5个部分。
[0015]更进一步地，所述的MIMO系统辨识包括：频响函数矩阵或阻抗矩阵辨识、重相干矩阵辨识、偏相干矩阵辨识、CMIF(复模态指示函数)曲线辨识。
[0016]更进一步地，所述的可控性评估，采用重相干函数判断或者重相干函数结合偏向干函数和CMIF曲线综合判断。具体地，所述的可控性评估，以重相干函数判断为主、偏向干函数和CMIF曲线判断为辅，重相干函数满足要求即可进行试验，也可根据偏向干函数和CMIF曲线进行辅助判断。
[0017]具体地，所述的可控性评估中，在MIMO条件下，使用重相干函数来判断频响函数的质量，当重相干函数大于设置的重相干门槛值时，该频响函数即被认定为有效。
[0018]具体地，重相干的意义为C
i
由驱动所引起的部分，C
i
即第i个响应，所述的重相干函数的计算方法如下：
[0019][0020]其中，C
i
即第i个响应；d为驱动；代表控制点第i个响应的自谱密度；S
dd
代表驱动自谱密度矩阵；代表响应点i和各个驱动d的互谱密度，n表示第n个驱动；
[0021]所述的偏相干函数，即驱动和响应信号去掉某个驱动信号的线性影响的剩余部分的相干性，因此，响应C
i
与驱动d
j
的偏向干函数的计算方法如下：
[0022][0023]其中，S
Ci
·
1..j
‑
1,j+1..n
代表在响应C
i
中去掉d1、d2、
……
、d
j
‑1、d
j+1
、
……
、d
n
的影响后的互谱密度；代表控制点第i个响应的自谱密度；代表第j个驱动的自谱密度；
[0024]所述的CMIF曲线通过奇异值分解函数计算得到。
[0025]更进一步地，所述MIMO谱矩阵的正定性检查，可以采用Cholesky分解方法进行判定，可通过得到的结果来判定该矩阵是否为负定阵。
[0026]具体地，谱矩阵正定性检查方法如下：
[0027]1)确保谱矩阵为Hermitian矩阵，即将下三角向上三角进行共轭赋值；
[0028]2)对该谱矩阵进行特征值检查或cholesky分解检查；
[0029]3)如无问题，检查结束；若有问题，指出谱矩阵具体元素的错误，即相干错误或相位错误，并对其进行如下检查：
[0030]4)相干的西尔韦斯特检查以及相位的合理性检查；
[0031]5)如无问题，检查结束。
[0032]更进一步地，所述驱动修正方法包括：最大最小驱动控制方法和独立驱动控制方法。
[0033]具体地，所述最大最小驱动控制方法，是要借用频响函数，去规定参考矩阵的互谱项，使驱动谱矩阵的迹最大或最小，具体方法如下：
[0034]由于，S
yy
＝HS
xx
H
H
(n
×
n)，S
xx
＝ZS
yy
Z
H
(m
×
m)，H为频响阵，Z为阻抗阵(m
×
n)，S
yy
为响应自谱矩阵；S
xx
为驱动自谱矩阵，其分解求和P的形式如下：
[0035][0036]令F＝Z
H
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多维振动控制器，其基于PXI Express总线架构，其特征在于，控制器包括上位机和下位机，所述上位机和下位机之间采用以太网的通信；所述上位机内嵌操作软件，所述下位机包括PXIe总线机箱、x86控制器、多个AD信号采集板以及多个DA信号输出板，x86控制器用于振动控制算法的实时计算、时域数据存储以及PXIe总线的通信控制，多个AD信号采集板和多个DA信号输出板作为PXIe系统的外设板，每个外设板中均包含有对应的模数/数模转换电路。2.如权利要求1所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述的X86控制器中部署Linux
‑
RT实时操作系统，并采用OpenMP多核并行计算框架；所述下位机通过多个AD信号采集板和多个DA信号输出板完成数据的采集和控制信号的输出，并实现控制器的闭环控制。3.如权利要求1或2所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述AD信号采集板包括FPGA控制器，8通道同步A/D转换器，信号调理电路，DDR内存，以及电源系统；所述FPGA控制器支持PCI Express总线接口，所述信号调理电路用于抗混叠滤波和信号切换，DDR内存用于数据缓冲，电源系统将总线提供的12V电源转化为5V、
±
15V和24V电压输出，所述的DA信号输出板包括8通道同步D/A转换器、模拟抗镜像滤波电路和输出保护电路。4.如权利要求1所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述的振动控制算法包括MIMO系统辨识与可控性评估、MIMO谱矩阵正定性检查、自由度控制策略、驱动修正方法和谱矩阵迭代控制算法。5.如权利要求4所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述的MIMO系统辨识包括：频响函数矩阵或阻抗矩阵辨识、重相干矩阵辨识、偏相干矩阵辨识和CMIF曲线辨识；所述的可控性评估，采用重相干函数判断或者重相干函数结合偏向干函数和CMIF曲线综合判断。6.如权利要求5所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述的重相干函数的计算方法如下：其中，其中，C
i
即第i个响应；d为驱动；代表控制点第i个响应的自谱密度；S
dd
代表驱动自谱密度矩阵；代表响应点i和各个驱动d的互谱密度，n表示第n个驱动；所述的偏相干函数，即驱动和响应信号去掉某个驱动信号的线性影响的剩余部分的相干性，因此，响应C
i
与驱动d
j
的偏向干函数的计算方法如下：其中，S
Ci
·
1..j
‑
1,j+1..n
代表在响应C
i
中去掉d1、d2、
……
、d
j
‑1、d
j+1
、
……
、d
n
的影响后的互谱密度；代表控制点第i个响应的自谱密度；代表第j个驱动的自谱密度；所述的CMIF曲线通过奇异值分解函数计算得到。7.如权利要求5所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述的MIMO谱矩阵的正定性
检查，具体方法为：1)确保谱矩阵是Hermitian矩阵，即将下三角向上三角进行共轭赋值；2)对该谱矩阵进行特征值检查或cholesky分解检查；3)如无问题，检查结束；若有问题，指出谱矩阵具体的错误元素，即相干错误或相位错误，并对其进行如下检查：4)针对相位的合理性检查；5)如无问题，检查结束。8.如权利要求5所述的一种多维振动控制器，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：关越，王璟南，贺智国，崔广智，罗丹，鲁勇，
申请(专利权)人：北京强度环境研究所，
类型：发明
国别省市：