本發(fā)明涉及一種以菱形框式壓電陶瓷激振部件為單元的多個部件并聯(lián)組合構(gòu)成的激振系統(tǒng)為控制對象的控制方法及控制裝置，屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

采用彈簧鋼菱形框結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷激振器，以其輕質(zhì)、小巧、推力大，工作頻率高等特點，成為了一種新型的激振裝置。由于其自身輕質(zhì)、小巧，很容易實現(xiàn)多激振器組合，構(gòu)成并聯(lián)激振系統(tǒng)。并聯(lián)激振系統(tǒng)尤其適用于離心機(jī)上安裝的激振系統(tǒng)，實現(xiàn)武器和航天系統(tǒng)在飛行過程經(jīng)歷的高頻振動與過載復(fù)合環(huán)境的模擬。

中國國外少數(shù)發(fā)達(dá)國家在二十世紀(jì)八十年代建立了振動離心復(fù)合試驗裝置，中國國內(nèi)發(fā)展較晚。例如，專利公布號為“CN 104019830 A”、名稱為“一種標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合加速度輸出裝置”的發(fā)明專利，提出一種采用電磁振動臺與離心機(jī)結(jié)合的復(fù)合加速度輸出裝置，但負(fù)載能力較小，主要用于慣性器件的校準(zhǔn)檢測。授權(quán)公告號為“CN 102506897”、名稱為“線振動與過載組合測試方法及其裝置”的發(fā)明專利，采用圓盤式離心機(jī)和高速旋轉(zhuǎn)平臺來組成振動-過載復(fù)合試驗裝置；申請公布號為“CN 103091118 A”、名稱為“過載復(fù)合環(huán)境測試試驗臺”的發(fā)明專利，采用在過載臺上加裝兩個直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)上各安裝一個隨動臺的結(jié)構(gòu)方式，創(chuàng)造了在實驗室中模擬對象在真實環(huán)境中的各種動態(tài)運(yùn)動情況的新方法。此外，授權(quán)公告號為“CN 201777393 U”、名稱為“多參數(shù)復(fù)合環(huán)境試驗裝置”的實用新型專利，申請公布號為“CN 103091118 A”、名稱為“過載復(fù)合環(huán)境測試實驗臺”的發(fā)明專利，申請公布號為“CN103148869 A”、名稱為“一種大過載與線振動復(fù)合測試設(shè)備”的發(fā)明專利，都是有關(guān)復(fù)合環(huán)境試驗的裝置。然而這些發(fā)明創(chuàng)造均不能夠?qū)崿F(xiàn)部件級產(chǎn)品的高頻振動與過載復(fù)合環(huán)境模擬，另一方面激振系統(tǒng)的體積較大和復(fù)雜程度較大，會大大增加用于承載激振系統(tǒng)的離心機(jī)容量，也會使得系統(tǒng)的設(shè)計與安裝更加復(fù)雜?，F(xiàn)目前，離心機(jī)上振動臺主要為電液式或電動式；其中，電液振動臺上離心機(jī)技術(shù)較為成熟，但電液式振動臺工作頻率低，無法滿足高頻振動的要求，而電動式振動臺上離心機(jī)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，需考慮系統(tǒng)隔振、動圈定中、冷卻等諸多問題，技術(shù)至今仍不成熟。另外，中國國內(nèi)關(guān)于高頻壓電陶瓷激振系統(tǒng)控制方面的文獻(xiàn)尚無，相關(guān)的控制裝置的產(chǎn)品及樣機(jī)也未見推出。

另外，經(jīng)搜索專利文獻(xiàn)資料，未見其他公開的關(guān)于高頻壓電陶瓷激振系統(tǒng)控制方法及控制裝置的相關(guān)文獻(xiàn)，更未見相關(guān)產(chǎn)品在應(yīng)用中使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)的控制方法及控制裝置。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：

一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)的控制方法，用于對MIMO振動控制器的多個自由度輸出信號進(jìn)行處理，包括以下步驟：

(1)設(shè)計自由度合成矩陣與自由度分解矩陣：根據(jù)多個壓電式激振器激振點的空間幾何位置和運(yùn)動學(xué)關(guān)系，設(shè)計運(yùn)動自由度與激振器驅(qū)動的自由度合成矩陣與自由度分解矩陣，激振器的數(shù)量與自由度維數(shù)相同；

(2)在控制方法中引入分解矩陣，將MIMO振動控制器的自由度輸出信號與自由度分解矩陣相乘，得到各個激振器的驅(qū)動信號；

(3)將得到各個激振器的驅(qū)動信號通過正值處理和濾波處理后獲得最終的壓電激振器有效驅(qū)動信號，并將該驅(qū)動信號發(fā)送至壓電陶瓷功率放大器，從而實現(xiàn)多壓電激振器的激振；

(4)利用MIMO振動控制器的功能，設(shè)置各個自由度的控制參考譜，對于主振自由度方向，設(shè)置相應(yīng)量級的控制參考譜；對于非主振自由度方向，則設(shè)置小量的控制參考譜，以約束非主振方向上的振動。MIMO振動控制器即多輸入多輸出振動控制器。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中，建立兩個坐標(biāo)系，即慣性坐標(biāo)系o-xyz和動坐標(biāo)系o′-x′y′z′，慣性坐標(biāo)系與大地固連，坐標(biāo)原點為臺體處于中位時的臺體幾何中心所在位置，動坐標(biāo)系與臺體固連，并隨臺體運(yùn)動與轉(zhuǎn)動，其坐標(biāo)原點為臺體幾何中心，兩者在振動臺工作零位位置重合，并且動坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的指向始終與慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向相同；

8激振器輸出和8自由度輸出的所述自由度合成矩陣為：

其中，l_x為X向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離，l_y為Y向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離；

8自由度輸出信號U_dof為：

U_dof＝H_c·V_e

V_e為8個激振器的驅(qū)動信號；

8激振器輸出和8自由度輸出的自由度分解矩陣為：

作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，對各個激振器的驅(qū)動信號進(jìn)行正值處理的計算公式為：

u_z(t)＝u(t)+K·rms(u(t-1),…u(t-N))

其中，K為修正系數(shù)，在正弦振動時取為1.414，在隨機(jī)振動時取為1.5，rms(u)表示對計算得到的驅(qū)動信號進(jìn)行時域均方根處理，處理方法如下：

其中，k表示當(dāng)前時刻，N表示計算長度。

一種采用上述控制方法的多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置，包括機(jī)箱，還包括設(shè)于所述機(jī)箱中的第一模擬輸入卡、第二模擬輸入卡、第一模擬輸出卡、第二模擬輸出卡、FPGA單板機(jī)控制卡和直流電源卡，所述第一模擬輸入卡和所述第二模擬輸入卡構(gòu)成8路模擬輸入通道并用于接收MIMO振動控制器的8個自由度輸出信號，所述第一模擬輸出卡和所述第二模擬輸出卡構(gòu)成8路模擬輸出通道并用輸出驅(qū)動信號給被控對象多壓電陶瓷激振器并聯(lián)激振系統(tǒng)的壓電陶瓷功率放大器，所述直流電源卡為所述FPGA單板機(jī)控制卡供電，所述FPGA單板機(jī)控制卡設(shè)有自由度分解矩陣電路、8個信號正值處理器和8個帶通濾波器，所述第一模擬輸入卡和所述第二模擬輸入卡的輸出端分別與所述自由度分解矩陣電路的輸入端對應(yīng)連接，所述自由度分解矩陣電路的輸出端分別與8個所述信號正值處理器的輸入端對應(yīng)連接，8個所述信號正值處理器的輸出端分別與8個所述帶通濾波器的輸入端對應(yīng)連接，8個所述帶通濾波器的輸出端分別與所述第一模擬輸出卡和所述第二模擬輸出卡的輸出端對應(yīng)連接。

進(jìn)一步，所述控制裝置還包括設(shè)于所述機(jī)箱上的用于控制電源通斷的開關(guān)按鈕、用于外接交流電源的電源接口和用于與上位機(jī)通訊的以太網(wǎng)接口。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明所述控制方法通過引入運(yùn)動自由度合成與分解矩陣，驅(qū)動信號正值處理和濾波處理，并利用MIMO振動控制器的多維控制技術(shù)，實現(xiàn)了菱形框壓電陶瓷激振器并聯(lián)式組合激振系統(tǒng)的單方向或多方向的振動試驗穩(wěn)定控制，且滿足控制容差要求，控制頻寬高達(dá)3000Hz。

本發(fā)明所述控制裝置采用嵌入式FPGA單板機(jī)作為核心控制器，運(yùn)算速度高達(dá)0.0625ms(即16K采樣頻率)閉環(huán)控制步長；提供8路差分模擬輸入和8路模擬輸出，直流電源供電，整個控制器集成封裝在控制機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱外圍接口包括8路模擬輸入BNC通道和8路模擬輸出BNC通道、開關(guān)按鈕及以太網(wǎng)口，并通過以太網(wǎng)口與上位機(jī)通訊，能夠保證壓電式激振系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，也實現(xiàn)了多壓電陶瓷激振器并聯(lián)式激振系統(tǒng)的單向或多向振動試驗控制，尤其適用于離心機(jī)上或空間受限設(shè)備上的一維或多維高頻振動試驗應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是實施例中壓電激振器的空間幾何分布及坐標(biāo)系定義示意圖；

圖2是實施例中壓電激振器的空間幾何分布俯視圖；

圖3是實施例中壓電激振器的空間幾何分布正視圖；

圖4是本發(fā)明所述多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置的主視圖；

圖5是本發(fā)明所述多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置的后視圖；

圖6是本發(fā)明所述多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置的電路框圖。

具體實施方式

下面以一個詳細(xì)推演本發(fā)明控制方法和控制裝置的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

實施例：

為了便于理解，先對本發(fā)明所述控制裝置進(jìn)行說明：

如圖4、圖5和圖6所示，一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)控制裝置，包括機(jī)箱和所述機(jī)箱中的第一模擬輸入卡3、第二模擬輸入卡4、第一模擬輸出卡1、第二模擬輸出卡2、FPGA單板機(jī)控制卡5、直流電源卡6、開關(guān)按鈕9、電源接口7、以太網(wǎng)接口8，第一模擬輸入卡3和第二模擬輸入卡4構(gòu)成8路模擬輸入通道并用于接收MIMO振動控制器的8個自由度輸出信號，第一模擬輸出卡1和第二模擬輸出卡2構(gòu)成8路模擬輸出通道并用輸出驅(qū)動信號給被控對象多壓電陶瓷激振器并聯(lián)激振系統(tǒng)的壓電陶瓷功率放大器，直流電源卡6為FPGA單板機(jī)控制卡5供電，F(xiàn)PGA單板機(jī)控制卡5上設(shè)有自由度分解矩陣電路、8個信號正值處理器和8個帶通濾波器，第一模擬輸入卡3和第二模擬輸入卡4的輸出端分別與自由度分解矩陣電路的輸入端對應(yīng)連接，自由度分解矩陣電路的輸出端分別與8個信號正值處理器的輸入端對應(yīng)連接，8個信號正值處理器的輸出端分別與8個帶通濾波器的輸入端對應(yīng)連接，8個帶通濾波器的輸出端分別與第一模擬輸出卡1和第二模擬輸出卡2的輸出端對應(yīng)連接，開關(guān)按鈕9用于控制電源通斷，電源接口7用于外接交流電源，以太網(wǎng)接口8用于與上位機(jī)通訊。

圖1中的第一模擬輸入卡3和第二模擬輸入卡4與圖6中的多路信號輸入接線端對應(yīng)，圖1中的第一模擬輸出卡1和第二模擬輸出卡2與圖6中的多路信號輸出接線端對應(yīng)。

結(jié)合圖4-圖6，一種多壓電陶瓷激振器并聯(lián)組合系統(tǒng)的控制方法，用于對MIMO振動控制器的多個自由度輸出信號進(jìn)行處理，包括以下步驟：

(1)設(shè)計自由度合成矩陣與自由度分解矩陣：根據(jù)多個壓電式激振器激振點的空間幾何位置和運(yùn)動學(xué)關(guān)系，設(shè)計運(yùn)動自由度與激振器驅(qū)動的自由度合成矩陣與自由度分解矩陣，激振器的數(shù)量與自由度維數(shù)相同；

本步驟的具體方法為：

為清楚地描述負(fù)載(臺體與被試件)的運(yùn)動情況，需要建立兩個坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系o-xyz和動坐標(biāo)系o′-x′y′z′，慣性坐標(biāo)系與大地固連，坐標(biāo)原點為臺體處于中位時的臺體幾何中心所在位置，其各坐標(biāo)軸指向如圖1所示；動坐標(biāo)系與臺體固連，并隨臺體運(yùn)動與轉(zhuǎn)動，其坐標(biāo)原點為臺體幾何中心，兩者在振動臺工作零位位置重合，并且動坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的指向始終與慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向相同。圖2和圖3給出了壓電激振器空間幾何分布俯視圖與正視圖，忽略試件的偏心位置，X向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離為l_x，Y向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離為l_y。

根據(jù)激振器的空間幾何分布和運(yùn)動學(xué)關(guān)系，8個激振器輸出與6自由度輸出的運(yùn)動關(guān)系式如下：

式中：V_e是8個激振器的輸出信號，V_e＝[v_x1,v_x2,v_y1,v_y2,v_z1,v_z2,v_z3,v_z4]^T，是6自由度合成輸出信號，是6×8的自由度合成矩陣，具體如下：

由于為6×8的自由度合成矩陣為二次靜不定矩陣，只有偽逆矩陣，且對應(yīng)的自由度分解矩陣是不唯一的。因此，需要將6自由度運(yùn)動擴(kuò)展為8自由度運(yùn)動，振動臺體在激振過程中，還存在兩個自由度的運(yùn)動趨勢，即激振器z₂,z₃向下趨勢時而z₁,z₄有向上運(yùn)動趨勢，振動臺體產(chǎn)生一種“馬鞍”形運(yùn)動趨勢。同時，x₁,y₂有縮回趨勢而x₂,y₁有伸出運(yùn)動趨勢時，振動臺體產(chǎn)生的一種“菱形”運(yùn)動趨勢。因此，在6自由度中增加兩個扭曲自由度，此時形成的8激振器輸出和8自由度輸出的所述自由度合成矩陣為：

其中，l_x為X向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離，l_y為Y向壓電激振器與質(zhì)心即幾何中心軸線的距離；

8自由度輸出信號U_dof為：

U_dof＝H_c·V_e

V_e為8個激振器的驅(qū)動信號；

8激振器輸出和8自由度輸出的自由度分解矩陣為：

(2)在控制方法中引入分解矩陣，將MIMO振動控制器的自由度輸出信號與自由度分解矩陣H_f相乘，得到各個激振器的驅(qū)動信號；試驗中要將控制自由度數(shù)與組合式壓電陶瓷激振器個數(shù)設(shè)置為相同。

(3)將得到各個激振器的驅(qū)動信號通過正值處理和濾波處理后獲得最終的壓電激振器有效驅(qū)動信號，并將該驅(qū)動信號發(fā)送至壓電陶瓷功率放大器，從而實現(xiàn)多壓電激振器的激振；

根據(jù)壓電陶瓷的工作原理可知，壓電陶瓷只接收正向電壓，電壓與壓電陶瓷的伸長位移成正比關(guān)系，當(dāng)接收負(fù)向電壓時，壓電陶瓷不工作。因此，這里需要對常規(guī)的驅(qū)動信號進(jìn)行正值處理。當(dāng)接收的電壓正向增大時，壓電陶瓷的位移正向增加，當(dāng)接收的正向電壓減小時，則利用菱形框彈簧鋼的回彈力和電壓減小量共同作用使壓電陶瓷的位移縮小。

對各個激振器的驅(qū)動信號進(jìn)行正值處理的計算公式為：

u_z(t)＝u(t)+K·rms(u(t-1),…u(t-N))

其中，K為修正系數(shù)，在正弦振動時取為1.414，在隨機(jī)振動時取為1.5，rms(u)表示對計算得到的驅(qū)動信號進(jìn)行時域均方根處理，處理方法如下：

其中，k表示當(dāng)前時刻，N表示計算長度，一般取N＝2000。

濾波時，根據(jù)壓電陶瓷激振器的頻率特性和激振系統(tǒng)的工作頻率設(shè)計各個激振器的濾波器參數(shù)。主要參數(shù)包括濾波器類型、濾波器階數(shù)、濾波器的上限頻率和下限頻率等。主要參數(shù)分別設(shè)置如下：

1)采用頻率設(shè)置為16000Hz；

2)濾波器類型為切比雪夫，帶通；

3)濾波器階數(shù)設(shè)置為3階；

4)濾波器的上限頻率為2000Hz和下限頻率為100Hz。

另外，若與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，則可通過上位機(jī)設(shè)置通道參數(shù)、濾波參數(shù)、正值參數(shù)及自由度分解矩陣設(shè)置。通道參數(shù)包括通道選擇、信號衰減系數(shù)及限制參數(shù)；濾波參數(shù)包括采樣頻率、濾波器階數(shù)及頻率上、下限頻率等。

(4)利用MIMO振動控制器的功能，設(shè)置各個自由度的控制參考譜，對于主振自由度方向，設(shè)置相應(yīng)量級的控制參考譜；對于非主振自由度方向，則設(shè)置小量的控制參考譜，以約束非主振方向上的振動。具體來說，將采集到的各個激振器的加速度信號與自由度合成矩陣H_c相乘，獲得的信號作為控制器反饋量，設(shè)置主振方向為對應(yīng)的控制譜，其余方向則設(shè)置為小量，以保證并驅(qū)控制后，在主振方向上激振，而其他方向上的振動約束至小量，從而有效地實現(xiàn)了多壓電陶瓷激振器并聯(lián)激振系統(tǒng)的單向或多向振動。

上述實施例只是本發(fā)明的較佳實施例，并不是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動即可在上述實施例的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。