DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)(一)
摘要：本文全面介紹了力創(chuàng)公司開發(fā)的DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能、設(shè)計數(shù)學(xué)模型、電氣控制模型、軟件模型和試驗項目。
一、 概述
隨著我國國防建設(shè)、重點型號建設(shè)、大型工程、列車提速、汽車工業(yè)的發(fā)展，以及大型娛樂器材和場館工程的建造，用于飛行器、交通工具、建筑構(gòu)件等方面的多點結(jié)構(gòu)疲勞試驗、服役狀態(tài)模擬試驗應(yīng)運(yùn)而生，支撐和保障這些系統(tǒng)正常、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)，得到了廣泛使用和長足的發(fā)展。
近年來，各種基于高度集成設(shè)計的計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用到了多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗系統(tǒng)的控制方面，使得試驗系統(tǒng)的測量控制精度、試驗數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理、操作等方面提高到了一個新的水平，尤其以應(yīng)用DSP（Digital Signal Processing）數(shù)字信號處理技術(shù)，通過上位計算機(jī)主從式管理的控制系統(tǒng)，更顯其以數(shù)字形式對試驗實時信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理的卓越性能。這也是國內(nèi)外試驗控制專家爭鋒的一個技術(shù)高點。
飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等的多點加載結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的主要是通過試驗確定其疲勞壽命，找到應(yīng)力集中的危險部位，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和相應(yīng)的工藝強(qiáng)化處理。在試驗中，為實現(xiàn)這一目的，必須要求多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗系統(tǒng)能夠模擬、再現(xiàn)試驗部件（有時可能是全機(jī)、整車）工程服役中的受力、變形、速度、慣性、環(huán)境狀況。汽車、橋梁構(gòu)件等與路面或接觸點的作用情況多為集中載荷，基本上可以完全再現(xiàn)其真實的服役狀態(tài)，并且受力點與變形點相對比較集中、容易確定。飛行中的飛機(jī)所受到的氣動力分布于整個飛機(jī)表面，浪涌時近海岸防護(hù)大堤所受到的海水動力分布于整個大堤，公路、鐵路路基和周圍建筑的地基等所受到的土壤擾動力分布，使得樁基三維受到振動載荷，試驗中，難以真實再現(xiàn)這些分布載荷的作用及其影響。于是試驗工程上采用近似方法，即將分布載荷"等效"集中到試驗件的某些關(guān)鍵部位，通過施加以一定的程序方式控制的多點載荷達(dá)到測試目的。
飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件等被看成是一個復(fù)雜的剛體，對多個關(guān)鍵試驗部位各點施加作用力的過程不可能是孤立進(jìn)行的，由于剛體在受載時的變形，引起試驗件多個部位的測試工稱量（如變形、力、速度、裂紋萌生與擴(kuò)展等）聯(lián)動反應(yīng)，因此，整個疲勞試驗系統(tǒng)既要具備獨立加載試驗控制的可靠性能，也要有自適應(yīng)能力很強(qiáng)的多點協(xié)調(diào)加載功能，這一切決定了試驗系統(tǒng)性能的優(yōu)劣和試驗結(jié)果的科學(xué)性。
DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)（以下簡稱DSP Trier 6200系列控制系統(tǒng)），是力創(chuàng)公司的工程技術(shù)人員多年精心研發(fā)的全數(shù)字式微機(jī)控制電液伺服多通道疲勞試驗控制系統(tǒng)，獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利技術(shù)（專利號：0326278812）保護(hù)，是我國工程技術(shù)人員在大型高精尖試驗技術(shù)領(lǐng)域取得的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列試驗控制器之一，已經(jīng)在飛機(jī)制造、汽車試驗、巖土工程等科研院所的重點大型試驗項目的多軸動態(tài)試驗實時控制系統(tǒng)中得到廣泛使用。
隨著我國國防建設(shè)、重點型號建設(shè)、大型工程、列車提速、汽車工業(yè)的發(fā)展，以及大型娛樂器材和場館工程的建造，用于飛行器、交通工具、建筑構(gòu)件等方面的多點結(jié)構(gòu)疲勞試驗、服役狀態(tài)模擬試驗應(yīng)運(yùn)而生，支撐和保障這些系統(tǒng)正常、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)，得到了廣泛使用和長足的發(fā)展。
近年來，各種基于高度集成設(shè)計的計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用到了多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗系統(tǒng)的控制方面，使得試驗系統(tǒng)的測量控制精度、試驗數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理、操作等方面提高到了一個新的水平，尤其以應(yīng)用DSP（Digital Signal Processing）數(shù)字信號處理技術(shù)，通過上位計算機(jī)主從式管理的控制系統(tǒng)，更顯其以數(shù)字形式對試驗實時信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理的卓越性能。這也是國內(nèi)外試驗控制專家爭鋒的一個技術(shù)高點。
飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等的多點加載結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的主要是通過試驗確定其疲勞壽命，找到應(yīng)力集中的危險部位，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和相應(yīng)的工藝強(qiáng)化處理。在試驗中，為實現(xiàn)這一目的，必須要求多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗系統(tǒng)能夠模擬、再現(xiàn)試驗部件（有時可能是全機(jī)、整車）工程服役中的受力、變形、速度、慣性、環(huán)境狀況。汽車、橋梁構(gòu)件等與路面或接觸點的作用情況多為集中載荷，基本上可以完全再現(xiàn)其真實的服役狀態(tài)，并且受力點與變形點相對比較集中、容易確定。飛行中的飛機(jī)所受到的氣動力分布于整個飛機(jī)表面，浪涌時近海岸防護(hù)大堤所受到的海水動力分布于整個大堤，公路、鐵路路基和周圍建筑的地基等所受到的土壤擾動力分布，使得樁基三維受到振動載荷，試驗中，難以真實再現(xiàn)這些分布載荷的作用及其影響。于是試驗工程上采用近似方法，即將分布載荷"等效"集中到試驗件的某些關(guān)鍵部位，通過施加以一定的程序方式控制的多點載荷達(dá)到測試目的。
飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件等被看成是一個復(fù)雜的剛體，對多個關(guān)鍵試驗部位各點施加作用力的過程不可能是孤立進(jìn)行的，由于剛體在受載時的變形，引起試驗件多個部位的測試工稱量（如變形、力、速度、裂紋萌生與擴(kuò)展等）聯(lián)動反應(yīng)，因此，整個疲勞試驗系統(tǒng)既要具備獨立加載試驗控制的可靠性能，也要有自適應(yīng)能力很強(qiáng)的多點協(xié)調(diào)加載功能，這一切決定了試驗系統(tǒng)性能的優(yōu)劣和試驗結(jié)果的科學(xué)性。
DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)（以下簡稱DSP Trier 6200系列控制系統(tǒng)），是力創(chuàng)公司的工程技術(shù)人員多年精心研發(fā)的全數(shù)字式微機(jī)控制電液伺服多通道疲勞試驗控制系統(tǒng)，獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利技術(shù)（專利號：0326278812）保護(hù)，是我國工程技術(shù)人員在大型高精尖試驗技術(shù)領(lǐng)域取得的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列試驗控制器之一，已經(jīng)在飛機(jī)制造、汽車試驗、巖土工程等科研院所的重點大型試驗項目的多軸動態(tài)試驗實時控制系統(tǒng)中得到廣泛使用。
二、 DSP Trier 6200系列控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
DSP Trier 6200系列控制器驅(qū)動的電液伺服疲勞試驗系統(tǒng)由多個電液伺服作動器加載單元、液壓源、承載或強(qiáng)度框架（或地面）、多通道電氣控制系統(tǒng)、工控計算機(jī)等部分組成，如圖所示。
控制計算機(jī)為上位機(jī)，承擔(dān)系統(tǒng)協(xié)調(diào)和運(yùn)算處理工作，可以按照試驗設(shè)定的載荷譜程序指令，根據(jù)某種預(yù)定置的協(xié)調(diào)加載方法實時地計算出各作動器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令值，發(fā)送指令到下位控制器（DSP Trier 6200系列）中對應(yīng)控制模塊，進(jìn)而通過伺服閥驅(qū)動作動器在工作指令的要求和限制下準(zhǔn)確地完成試驗預(yù)期的加載動作，并傳遞和施加到試驗件的指定受力點或部位。
下面通過對力創(chuàng)公司研發(fā)的DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)的加載控制機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)的過程推導(dǎo)，了解該系統(tǒng)的優(yōu)越性能：
一般地，試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）進(jìn)行多點協(xié)調(diào)疲勞加載試驗時各部分的結(jié)構(gòu)變形都應(yīng)處于彈性變形范圍之內(nèi)，因此對于圖中各種作動器的施加載荷對象（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等的局部）可以簡化為一個質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。
受載荷試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）在試驗中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形會使各加載機(jī)構(gòu)之間發(fā)生交互式干擾，因此第i個加載機(jī)構(gòu)還要受到其它加載機(jī)構(gòu)工作時產(chǎn)生的位移擾動。圖1為考慮到上述干擾因素的加載機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)框圖。
DSP Trier 6200系列控制器驅(qū)動的電液伺服疲勞試驗系統(tǒng)由多個電液伺服作動器加載單元、液壓源、承載或強(qiáng)度框架（或地面）、多通道電氣控制系統(tǒng)、工控計算機(jī)等部分組成，如圖所示。
控制計算機(jī)為上位機(jī)，承擔(dān)系統(tǒng)協(xié)調(diào)和運(yùn)算處理工作，可以按照試驗設(shè)定的載荷譜程序指令，根據(jù)某種預(yù)定置的協(xié)調(diào)加載方法實時地計算出各作動器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令值，發(fā)送指令到下位控制器（DSP Trier 6200系列）中對應(yīng)控制模塊，進(jìn)而通過伺服閥驅(qū)動作動器在工作指令的要求和限制下準(zhǔn)確地完成試驗預(yù)期的加載動作，并傳遞和施加到試驗件的指定受力點或部位。
下面通過對力創(chuàng)公司研發(fā)的DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)的加載控制機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)的過程推導(dǎo)，了解該系統(tǒng)的優(yōu)越性能：
一般地，試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）進(jìn)行多點協(xié)調(diào)疲勞加載試驗時各部分的結(jié)構(gòu)變形都應(yīng)處于彈性變形范圍之內(nèi)，因此對于圖中各種作動器的施加載荷對象（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等的局部）可以簡化為一個質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。
受載荷試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）在試驗中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形會使各加載機(jī)構(gòu)之間發(fā)生交互式干擾，因此第i個加載機(jī)構(gòu)還要受到其它加載機(jī)構(gòu)工作時產(chǎn)生的位移擾動。圖1為考慮到上述干擾因素的加載機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)框圖。
圖1 第i個加載機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)框圖
ui(s)為第i個加載機(jī)構(gòu)的輸入指令信號。
ui(s)為第i個加載機(jī)構(gòu)的輸入指令信號。
其中Wic(s)是加載機(jī)構(gòu)電氣調(diào)試控制線路的傳遞函數(shù)；KiN , KiS , TiN , TiS主要取決于伺服閥的結(jié)構(gòu)固有參數(shù)。
其中各參數(shù)主要由伺服閥和執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，Kiz為執(zhí)行機(jī)構(gòu)到加載點的結(jié)構(gòu)剛度； (s)為作用在n個加載點上的力組成的列矢量， (s)為 (s)對第i個加載點產(chǎn)生位移擾動的傳遞函數(shù)矩陣，可以表述如下：
[ri1(s) , ri2(s) , …… , rin(s)] (i = 1,2,……,n)
矩陣元素rij(s)(j=1,2,…… n)為第j個加載機(jī)構(gòu)對第i個加載點產(chǎn)生的位移擾動的產(chǎn)地函數(shù)：
mij , Bij , Kij分別為第i個加載點和第j個加載點之間的相對質(zhì)量、相對阻尼和相對剛度。
一般情況下，試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）進(jìn)行多點協(xié)調(diào)疲勞加載試驗時，試驗加載頻率比較低，于是Kiz Wiz(s)在這種試驗的頻率范圍內(nèi)的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因此，力創(chuàng)公司在為湖南工業(yè)大學(xué)橋建結(jié)構(gòu)試驗室提供的DSP Trier 6206系列（6通道）控制系統(tǒng)項目中，其加載框架機(jī)構(gòu)的剛度設(shè)計為1.12x109N/m，通過剛性伺服補(bǔ)償程序，使得試驗加載系統(tǒng)完全可適應(yīng)于各種工況要求下的試驗。
為了簡化分析，圖1的傳遞函數(shù)框圖可以簡化為圖2所示的示意結(jié)構(gòu)。
圖2 加載機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)簡化框圖
簡化后的代數(shù)表達(dá)式為：
i = 1,2,……,n (1)
用矩陣方式表述的上述代數(shù)方程組，即可得到加載機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)矩陣模型：
(2)
式中： 為單元矩陣，也叫做單位矩陣；
為 的逆矩陣；
其中各參數(shù)主要由伺服閥和執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，Kiz為執(zhí)行機(jī)構(gòu)到加載點的結(jié)構(gòu)剛度； (s)為作用在n個加載點上的力組成的列矢量， (s)為 (s)對第i個加載點產(chǎn)生位移擾動的傳遞函數(shù)矩陣，可以表述如下：
[ri1(s) , ri2(s) , …… , rin(s)] (i = 1,2,……,n)
矩陣元素rij(s)(j=1,2,…… n)為第j個加載機(jī)構(gòu)對第i個加載點產(chǎn)生的位移擾動的產(chǎn)地函數(shù)：
mij , Bij , Kij分別為第i個加載點和第j個加載點之間的相對質(zhì)量、相對阻尼和相對剛度。
一般情況下，試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）進(jìn)行多點協(xié)調(diào)疲勞加載試驗時，試驗加載頻率比較低，于是Kiz Wiz(s)在這種試驗的頻率范圍內(nèi)的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因此，力創(chuàng)公司在為湖南工業(yè)大學(xué)橋建結(jié)構(gòu)試驗室提供的DSP Trier 6206系列（6通道）控制系統(tǒng)項目中，其加載框架機(jī)構(gòu)的剛度設(shè)計為1.12x109N/m，通過剛性伺服補(bǔ)償程序，使得試驗加載系統(tǒng)完全可適應(yīng)于各種工況要求下的試驗。
為了簡化分析，圖1的傳遞函數(shù)框圖可以簡化為圖2所示的示意結(jié)構(gòu)。
圖2 加載機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)簡化框圖
簡化后的代數(shù)表達(dá)式為：
i = 1,2,……,n (1)
用矩陣方式表述的上述代數(shù)方程組，即可得到加載機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)矩陣模型：
(2)
式中： 為單元矩陣，也叫做單位矩陣；
為 的逆矩陣；
接下來，不妨讓我們按照圖1的多點協(xié)調(diào)加載疲勞試驗系統(tǒng)的組成，上位控制計算機(jī)在試驗過程中實時對來自各個作動器傳感器（如力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等）的信號與載荷譜相應(yīng)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算、比較、統(tǒng)計，按照既定的程序要求的控制規(guī)律或限制，隨時刷新，并將糾錯信息實時發(fā)送到相應(yīng)作動器的執(zhí)行和反饋元件上，及時糾正且延續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)性試驗，直到完成試驗設(shè)定任務(wù)。
如果不考慮計算機(jī)本身的離散工作方式，這一試驗控制過程可以用矩陣方程式表示如下，這也是DSP Trier 6200系列微機(jī)控制電液伺服多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)的方程式，即簡化為：
（3）
式中： 為試驗系統(tǒng)的控制矩陣；
為試驗系統(tǒng)的反饋矩陣；
為試驗控制系統(tǒng)的各個作動器實際需要的載荷列矢量。
整個用于試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）試驗的DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣，可以通過方程式（2） 和方程式（3）聯(lián)立求得，即為：
（4）
（3）
式中： 為試驗系統(tǒng)的控制矩陣；
為試驗系統(tǒng)的反饋矩陣；
為試驗控制系統(tǒng)的各個作動器實際需要的載荷列矢量。
整個用于試驗件（如飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件、海防人防地基模型等）試驗的DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣，可以通過方程式（2） 和方程式（3）聯(lián)立求得，即為：
（4）
（未完待續(xù)）
