基于DSP的液压振动台功率谱复现研究

【摘要】：振动环境模拟目前被广泛用于航天航空、兵器国防及汽车等领域，成为检测和提高产品可靠性的重要方法。使用振动实验设备采用一定的控制策略可以对产品在运输和工作过程中所承受的振动环境进行精确模拟，可以及时发现产品结构设计的缺陷，进而对产品的改良具有指导意义。 本文是以哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所承接的“985工程”二期—冗余驱动的六自由度液压振动系统研究为背景，对液压振动台功率谱密度复现进行理论和实验研究。 液压振动台振动控制系统由液压伺服控制和振动控制组成。液压伺服控制是实现各种振动实验的基础；三参量控制技术是目前使用较为广泛的液压伺服控制技术。液压控制系统阻尼一般很小，通过三参量控制可以提高系统的阻尼比和系统带宽。当基础刚度与液压弹簧刚度相当的条件下，振动台液压位置系统可以近似为二自由度谐振系统，这对发挥液压振动台性能是不利的，并且三参量控制策略的功能也不能充分实现。 液压振动台功率谱密度复现主要包含功率谱密度估计、驱动谱密度修正和驱动信号生成等内容。功率谱密度估计和驱动信号的生成都可使用AR随机过程进行模拟，但是算法依赖于高精度高斯随机噪声的获得。鉴于高斯噪声获得的难度和随机过程模拟精度需要较高的阶次，这些因素将导致功率谱密度均衡时间较长。本文在功率谱密度复现流程中采用非参数化方法中的平均周期图方法来估计振动台响应加速度信号的功率谱密度，且采用谐波拟合法来获得时域驱动信号。功率谱密度均衡过程中需要用到振动系统的阻抗函数来修正驱动功率谱密度，阻抗函数辨识的愈是精确，功率谱密度复现均衡的时间愈短。子带自适应算法用来辨识系统阻抗有着收敛速率高的特点，而且信号分解的子带数愈多，算法收敛愈迅速。在功率谱密度复现系统阻抗辨识中采用子带自适应算法可以获得优越的性能。时间域的余弦调制滤波器组，可以很好的划分信号的频带而且使得不同频带的重叠较小，被广泛的应用于滤波器组理论和实践相关领域中。 基于余弦调制滤波器组的子带自适应算法是将信号分解到带宽相等的子频带内，而由小波分析近年来与滤波器组之间的关系被深刻的揭示出来，论文中将子带自适应辨识的思想扩展至将信号分解到不同带宽的子频带内。基于小波滤波器组的子带自适应算法即是该思想的具体体现，该算法既继承了子带自适应算法的优点又具有自身特点，即其辨识的结果是频率域的系统传递函数。随着小波分析理论的发展，种类繁多的小波基被创造出来，不同的小波基具有不同的正交性、对称性和消失矩等特性。小波基的正交性和对称性质对文章中提出的算法具有重要的意义，小波基的正交性保证信号分解至各个子频带的混叠较小，而小波基的对称性则保证了自适应算法过程中使用的滤波器具有线性的相位。 制约国内振动控制技术快速发展的是数字振动控制器的研制工作远跟不上振动台振动控制策略的理论研究。论文采用美国德州仪器公司（TI）的C2000系列数字信号处理器（DSP）来构建液压振动台功率谱复现的数字振动控制器。数字振动控制器采用分布计算思想将振动控制算法的计算和振动系统驱动和反馈信号的获得分别由算法计算单元与数据采集单元来实现。两个构成单元的核心处理器分别为TMS320F28335和TMS320F2812。算法计算单元和数据采集单元采用双端口RAM（Dual-port RAM,DPRAM）来实现数据共享和控制通讯，通讯信号采用DPRAM的中断逻辑。信号处理系统监控计算机和DSP系统亦采用DPRAM来共享数据，针对监控计算机一方来讲，DPRAM是通过其ISA扩展槽来扩展的。DSP系统采用C语言和汇编混合编程的方式开发控制软件，并有意使用TI公司提供的优化的数字信号处理库函数，充分利用DSP系统的计算资源从而大大提高算法执行速度；而监控单元则采用NI公司LabView图形化语言，来调用基于Windows Driver开发的读写DPRAM的动态联接库，实现计算结果的显示和控制参数的修改。 液压振动台的伺服控制系统采用基于xPc Target的快速原型技术来实现；而振动控制部分采用文中开发的信号处理系统。在此基础上实验验证了文中提出控制策略和开发的数字信号处理系统在液压振动台功率谱密度复现过程中的有效性。