基于虚拟仪器的多点随机振动试验控制系统的设计（2） 控制系统, 仪器

yuyang911220

2、    控制方案
    随机振动试验目的是要求控制点的响应谱与参考谱在误差容许范围内保持一致。多点激励随机振动控制方案如图2所示。控制方案的第一步是由参考谱密度阵 来得到下三角阵[Z]的初始值；第二步估计被控系统的频响特性矩阵[H]，对被控系统进行解耦得到解耦矩阵[A]，即控制器；第三步是利用[Z]的初始值，系统的解耦矩阵[A]及独立（不相关）白噪声频谱向量{W}开始试验。闭环控制的基本原理是白噪声源{W}通过下三角阵[Z]得到{X}，然后经过解耦矩阵[A]得到驱动信号频谱向量{D}，对其进行逆FFT变换得到时域驱动信号{d}，用驱动信号激励被控系统得到时域响应信号{c}，计算响应谱密度阵 ，利用 和 来修正下三角阵[Z]从而实现闭环控制。在进行闭环控制时，如果驱动谱密度矩阵是非奇异的，则可以利用驱动谱密度矩阵 和响应谱密度矩阵 来修正被控系统的频响特性矩阵[H]和解耦矩阵[A]。如果驱动谱密度阵是奇异的，则无法修正，不过可以根据控制误差大小来对解耦矩阵进行逐步部分修正。

    3、    控制软件设计
    控制软件是整个控制系统的核心部分。其是在LabWindows/CVI平台上结合NI-DAQ及NI-4551和NI-4472卡开发的。LabWindows/CVI提供了控制软件开发所需的几个很关键的库——用于驱动数据采集卡完成数据输入输出的DAQ库和进行信号处理的高级分析库，且编程简单快捷，因此采用LabWindows/CVI作为本控制系统的软件开发平台给整个控制软件的实现过程带来很大的方便。

    控制软件主要由参数数据的输入和确认，随机振动试验的运行控制和试验信息及结果的显示、存储和打印输出等部分组成。试验运行控制部分包括系统自检、系统传递函数估计、闭环控制和开环试验部分。
    本控制软件的关键是闭环控制模块的设计。闭环控制要考虑控制的实时性，驱动信号发送的连续性、同步性和响应信号采集的同步性。同步性由于采集卡本身特性基本能够满足，连续性可以通过双缓冲发送技术得到解决，对于闭环控制的实时性问题，解决办法是采用多线程技术，为了确保驱动信号的连续发送，则为其开辟一个线程，并设为主线程，配合双缓冲技术可以达到连续发送；为响应信号采集和处理及结果实时显示开辟两个线程。真随机试验闭环控制流程见图3。
    从用户角度考虑，友好的人机界面是最重要的。控制软件需要显示的数据有试验信息、参考谱、控制谱、驱动谱、互谱相位及系统传递函数矩阵等。由于其中包括文本和图形显示方式，所以为了便于用户查看，采用多文档界面（MDI）。主界面如图4所示，其他参数设置界面及自检界面等采用对话框形式，由于参数设置界面太多，只给出参考谱参数设置界面（见图5）和公共参数设置界面（见图6）。
图 3 闭环控制流程图图图4 控制软件主界面
图5 参考谱参数设置界面
图6 公共参数设置界面
    结果分析
    根据上文的控制方案设计了一个两点随机振动控制系统，并进行了实际连台试验，验证控制算法是否可行，并对结果进行了分析讨论。
    1、开环试验结果及分析
    开环试验不进行反馈修正。其试验结果可以用来考察解耦控制环节的设计好坏。图7所示的就是开环试验结果。从图中可以看出：被控系统的共振点处和反共振点处的试验结果较差。这说明被控系统在共振点处，很小的驱动都会产生很大的响应，而且在该处同频率的干扰或噪声会被放大，从而不好控制；对于反共振点来说，为了能够在这些频率点上达到试验要求，则驱动信号在对应的频率点上的能量较大。即使对本控制点不会产生太大的响应，也可能通过系统的耦合性使其他控制点在对应的频率点上产生很大的响应。
     
    通过以上分析可以看出：对于实际系统，由于存在各种干扰或噪声，以及系统频响特性估计存在误差，所以只通过设计开环控制器（解耦矩阵）是很难达到试验规范要求的。因此，必须在开环试验的基础上加上反馈修正环节形成闭环控制，以此来不断修正控制偏差，从而达到试验要求。

    2、闭环控制试验结果及分析
    图8所示的是闭环控制试验结果。对比开环试验结果可以明显地看出：在开环试验中超差频段上的控制谱基本被修正到报警限范围内了。

通过对上述两点激励随机振动试验结果的分析可知，本文研究的控制方案是可行的，在一定的条件下可以得到较好的控制结果。
    结论
    由于LabWindows/CVI具有DAQ库和高级信号分析库等函数库，再结合NI-4551和NI-4472卡的优良性能，使得本人在设计开发时，把主要精力放在了控制方案和反馈修正算法的研究上，从而一旦确定了控制方案和算法就能很快设计出控制系统，然后进行实际的连台调试，验证控制算法的可行性，并发现问题改进算法，最终得到了较好的控制效果，满足了试验规范要求。因此，

    虚拟仪器技术使得仪器设备的设计开发具有很强的灵活性和扩展性，而且缩短了开发周期和节省了开发费用。