振動試驗機的控制儀(振動控制儀)主要由數字分析(頻率分析)部分、數字伺服部分構成,如下圖1所示。數字分析部分執行頻率分析(正弦波振動的頻率響應分析、隨機波振動的PSD分析),數字伺服部分則根據頻率分析結果和控制目標的量級差生成驅動信號。
頻率分析比較復雜,試驗相關人員不需要詳細了解,知道有這么一回事即可。本文就數字伺服部分實施的一般控制原理進行說明。
圖1中,數字伺服部分生成的驅動信號D(ω),通過電力增幅器放大,驅動加振機。通過計算加振系的傳遞函數Z(ω),驅動信號D(ω)使控制點加速度量級C(ω)和控制目標R(ω)一致。傳遞函數Z(ω)即驅動信號D(ω)和控制點加速度量級C(ω)的比【Z(ω)=D(ω)/C(ω)】,通常,加振實施前使用低量級的隨機加振,振動控制儀自動取得。加振系線性場合,為了控制點的加速度C(ω)和目標值R(ω)一致,驅動信號D(ω)可通過下式求出,
加振系非線性場合,實際加振時控制儀的傳遞函數Z(ω)是變化的,驅動信號會根據控制點加速度量級C(ω)和控制目標R(ω)而產生差值。為了補償這個差值,需要逐次分析控制點的加速度量級,為了接近控制目標需要不斷的修正驅動信號。驅動信號的修正量ΔD(ω)可通過下式計算,
這個修正量ΔD(ω)跟控制點加速度量級和控制目標R(ω)的差ΔR(ω)成線性關系,線性系數即加振系的傳遞函數Z(ω)。所以,傳遞函數Z(ω)是控制中最重要的一個參數,修正次數少的情況下更接近控制點的加速度目標值,就需要取得高精度的傳遞函數Z(ω)。
傳遞函數Z(ω)在試驗體的共振頻率附近會產生大的高峰值和低谷值,非線性的原因是傳遞函數的變化率在共振頻率附近比較大,如圖3,驅動信號的修正量也跟著變大,從而導致控制的跟蹤性不足,控制結果和目標值無法一致,產生大的差異。此現象在隨機振動時加振量級上升時(比如-6dB→-3dB→0dB)以及非定值加振正弦振動時容易出現。圖4是300Hz附近有共振頻率的試驗體正弦波振動的控制結果。試驗體共振頻率附近,控制系統的追蹤性不足,導致一時的控制過沖(overshoot)發生。
針對上述加振系統的非線性需要改善控制的跟蹤性不足,使各驅動信號更新循環時的傳遞函數Z(ω)變化盡可能的小。隨機波加振量級上升時,可以將上升量的刻度盡量細分變小,從而相對性的減小傳遞函數Z(ω)的變化。正弦波加振時,同樣可以使用針對階段式加大量級逐次修正傳遞函數的設備,即細分上升刻度達到改善。無上述設備的時候,也可以通過設定較慢的掃頻速度,即單位時間內驅動信號修正量變小來改善控制的跟蹤性。但是,需要注意的是,此方法會導致試驗體上的振動負荷循環數增加。
本文主要簡單說明振動控制儀內部的控制原理,即為了使控制加速度和目標加速度一致,通過改變驅動信號得到,驅動信號的變化需要根據帶有試驗體加振系統的傳遞函數進行。由于試驗體共振頻率(共振點)的影響,導致傳遞函數變化大,驅動信號無法跟蹤變化的情況下會導致控制過沖發生。最后,介紹兩種可解決過沖問題的方法。
此文對從事多年振動試驗的人員會有一定的幫助,對于初入者比較難理解,建議理解傳遞函數的概念即可。
