多输入多输出振动试验控制系统的理论、算法及实现

论文摘要

采用多点激励的振动试验能够比单点激励更真实地模拟结构在实际工作下的振动环境,更好地保障其在实际使用过程中的可靠性和安全性,这是振动试验技术的新发展。本文以多输入多输出线性控制系统理论为基础,以多点随机振动和多点正弦振动试验为应用背景,对多振动台随机激励和多点正弦激励的振动试验控制系统进行了深入的理论分析、算法模拟和试验研究。对时域随机信号的生成方法进行了深入地研究。提出了基于时域随机化技术的改进方法。采用连续均匀分布的随机相位代替原来以寄存器移位方式生成的离散随机相位,这不但提高了信号的生成质量,而且使编程过程更简单。提出了一种利用FIR滤波器生成随机驱动信号的新方法。将谱矩阵用Cholesky分解,对分解所得的下三角阵元素进行FIR滤波器设计,并耦合滤波独立白噪声序列得到满足相干要求的多维时域随机信号。提出了一种用谱矩阵的正定性作为其是否物理可实现的判定条件。这对给定的谱矩阵的物理可实现性判断提供了依据。对双振动台随机振动控制系统的理论和控制算法进行了深入地研究和探索。提出了谱修正的比例均方根算法。该算法能够快速平稳地使控制谱得到收敛,并且谱的均衡过程平滑、快捷、稳定。提出了用最优条件数选取主控矩阵的方法。该法具有最优的数值稳定性,能够解决多点加权控制谱的实现问题。结合谱的比例均方根修正算法,首次实现了多点最大值、多点最小值和多点加权平均的综合谱控制。研究了多点正弦激励振动试验控制系统的相关理论和控制算法。提出了多输入多输出正弦振动响应幅值和相位协调控制方法,以及在多点正弦振动响应得到控制下同步测取系统频响矩阵的方法。该方法根据振动方程求极小最小解作为对频响矩阵的估计,克服了多点正弦激励下频响函数测试中的奇异性问题。推导出了对于具有不确定性摄动系统迭代收敛的必要条件。该条件为上述算法的实现提供了理论依据和保障。完成了双振动台随机振动和多点正弦振动控制系统的开发工作。系统基于工业控制PC机,采用VXI和高精度的DAQ板为信号采集和发送的硬件平台,整体构架先进,可扩充性强。采用VC++为软件开发语言,用多线程编程技术,控制系统具有良好的交互性能和安全保护措施。在编程过程中,引入了Intel公司针对奔腾处理器优化的数字信号处理程序库（SPL）,使信号处理速度大幅度提高,有效地减少了控制回路时间。对所开发的双振动台随机振动和多点正弦振动控制系统进行了大量的实验和应用性研究。首先,在实验室针对不同小型试件进行了长期的实验,对所提的各种理论和算法进行了大量的实验验证和修正;其次,在工程现场进行了多次实际大型工程试件试验,进一步完善了所开发的控制系统的各项功能;最后,该控制系统被成功应用于某国防项目的型号研制中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展情况
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 课题研究总体思路和本文主要内容
• 第二章 时域宽带随机信号的生成方法研究
• 2.1 白噪声信号生成方法
• 2.2 工程随机驱动信号的生成
• 2.2.1 时域随机化技术及其改进方法
• 2.2.2 利用FIR 滤波器生成随机信号的方法
• 2.3 多点随机振动控制中的互谱矩阵研究
• 2.3.1 参考谱矩阵设置及其可物理实现的判据
• 2.3.2 谱矩阵的Cholesky 分解
• 2.3.3 利用FIR 滤波器生成有相干要求的多维随机信号
• 2.3.4 数值仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 双振动台随机振动综合控制系统理论研究
• 3.1 基本公式
• 3.2 双振动台随机驱动信号的生成
• 3.3 方形控制算法
• 3.3.1 Smallwood 差分控制算法
• 3.3.2 比例均方根修正算法
• 3.4 矩形控制算法
• 3.4.1 多点加权综合控制谱
• 3.4.2 基于最优条件数的主控矩阵选取
• 3.4.3 数值算例
• 3.5 本章小结
• 第四章 双振动台随机振动综合控制系统的实现及试验研究
• 4.1 双振动台随机振动控制系统的技术指标和实施方案
• 4.2 双振动台随机振动原型控制系统研制
• 4.2.1 硬件配置
• 4.2.2 软件系统框图
• 4.3 双振动台随机振动原型控制系统试验验证
• 4.3.1 试验仪器设备
• 4.3.2 试验数据记录
• 4.3.3 试验结果分析
• 4.4 工程实用化控制系统研制
• 4.4.1 硬件组成
• 4.4.2 软件开发
• 4.5 关键技术难点
• 4.5.1 快速信号处理编程问题
• 4.5.2 多线程编程技术
• 4.6 双振动台随机振动综合控制试验验证
• 4.6.1 测试试验方案
• 4.6.2 激振点和控制点位置
• 4.6.3 控制方式和试验条件
• 4.6.4 测试数据和结果
• 4.6.5 测试结论
• 4.7 双振动台随机振动综合控制系统的主要指标
• 4.8 本章小结
• 第五章 多点正弦协调激振控制系统理论研究
• 5.1 多点正弦振动响应信号处理
• 5.1.1 加速度信号归一化
• 5.1.2 频率分辨率和泄漏
• 5.2 响应控制算法
• 5.3 响应控制下的频响矩阵测试
• 5.3.1 理论分析
• 5.3.2 频响矩阵测试精度
• 5.3.3 多点正弦振动响应控制下频响矩阵测试流程
• 5.4 仿真算例
• 5.5 本章小结
• 第六章 五点正弦协调激振控制系统的实现及应用
• 6.1 硬件配置
• 6.2 软件设计
• 6.2.1 软件模块
• 6.2.2 控制系统软件界面
• 6.3 试验验证
• 6.3.1 试验方案（I）
• 6.3.2 试验方案（II）
• 6.3.3 试验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结和研究成果应用情况
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 攻读博士学位期间获得的科研成果