液壓振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)環(huán)境模擬的控制技術(shù)研究.pdf

1、振動(dòng)環(huán)境模擬被廣泛應(yīng)用于航空、航天和國(guó)防軍事等領(lǐng)域，目前已成為檢測(cè)和提高裝備可靠性的必備手段。通過(guò)使用特定的振動(dòng)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(chǔ)等過(guò)程中所受到的振動(dòng)激勵(lì)，可以檢測(cè)設(shè)計(jì)上的不足和缺陷，為及時(shí)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(dòng)臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)改造”為項(xiàng)目背景，對(duì)模擬隨機(jī)和正弦兩類振動(dòng)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(duì)于充分發(fā)揮液

2、壓振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)環(huán)境模擬方面的潛力具有重要的指導(dǎo)意義。
　　液壓振動(dòng)臺(tái)實(shí)時(shí)控制單元由伺服控制器和振動(dòng)控制器兩部分組成。伺服控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字閉環(huán)控制，它是實(shí)現(xiàn)各類振動(dòng)環(huán)境模擬的控制基礎(chǔ)。本文針對(duì)液壓振動(dòng)臺(tái)動(dòng)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(shí)，文中應(yīng)用根軌跡設(shè)計(jì)法對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮了伺服閥動(dòng)態(tài)特性對(duì)激振器性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
　

3、　高斯隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境是實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的一類振動(dòng)環(huán)境，功率譜密度通常作為此類振動(dòng)環(huán)境模擬的等價(jià)條件。而驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)信號(hào)必須為時(shí)域信號(hào)，因此如何完成功率譜密度至?xí)r域信號(hào)的轉(zhuǎn)換是此類振動(dòng)環(huán)境模擬的首要工作。本文首先對(duì)該類振動(dòng)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(shí)構(gòu)造的AR模型對(duì)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(duì)驅(qū)動(dòng)功率譜密度的精確時(shí)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(jiǎn)單,同時(shí)能夠保證時(shí)域驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成過(guò)程。在隨機(jī)過(guò)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(duì)驅(qū)動(dòng)功率譜進(jìn)行迭代控制?？刂泣c(diǎn)處的響應(yīng)功率譜密度估計(jì)值是迭代控制過(guò)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(hào)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)自由度密切相關(guān)。為此，通過(guò)詳細(xì)分析響應(yīng)信號(hào)功率譜密度估計(jì)時(shí)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(hào)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(shí)間，進(jìn)而提高了控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性。
　　傳統(tǒng)的頻譜均衡控制算法(無(wú)論是線性域積分控制還是對(duì)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(shí)間變得很長(zhǎng)。為了克服這種缺陷，本文提出了頻域X濾波變步長(zhǎng)LMS算法，基于此算法構(gòu)造了隨機(jī)振動(dòng)功率譜再現(xiàn)的自適應(yīng)控制律。在實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的同時(shí)，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(shí)間縮短而又不失穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，該方法相對(duì)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(dòng)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(xiǎn)頻率，還可以進(jìn)行掃頻耐久性試驗(yàn)。本文針對(duì)正弦掃頻信號(hào)實(shí)質(zhì)上為瞬態(tài)信號(hào)的本質(zhì)特性，提出了基于相位函數(shù)解析解的信號(hào)綜合算法，并基于此信號(hào)綜合算法設(shè)計(jì)了一種數(shù)字跟蹤濾波器。該信號(hào)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(hào)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(hào)在當(dāng)前頻率點(diǎn)的基頻幅度信息。直流中頻檢測(cè)器通過(guò)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(hào)的時(shí)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(wú)法解決對(duì)不同頻段和不同系統(tǒng)特性的適應(yīng)性問(wèn)題。為此，本文通過(guò)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(dòng)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(kāi)發(fā)了用于隨機(jī)振動(dòng)功率譜再現(xiàn)和正弦掃頻振動(dòng)的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并針對(duì)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