作者：James Zhuge, Ph.D., Crystal Instruments (美國晶鉆儀器公司)
振動控制器簡介
振動測試系統被廣泛用于航空、航天、電子、汽車等領域的可靠性試驗。數字式振動控制器(振動臺控制儀)是一個可以為振動臺提供閉環控制能力的計算機系統，是整個振動測試系統中的組成部分，本文主要從硬件架構角度描述70年代以來美國振動控制儀的演化過程。
值得附帶提出的是，早在80年代初，浙江大學的動態測試國家研究室和蘇州實驗儀器廠（蘇試）就開始研發中國自己的振動控制器(振動臺控制儀)，浙大的楊世超教授是這個領域的先驅。而現在，蘇試是中國該領域一家上市公司。
數字振動控制器產生電子信號驅動功率放大器，功率放大器再輸出電流信號以驅動液壓或電磁振動臺，而作用于被測設備(UUT)上的振動響應反饋到振動控制器系統作為反饋控制信號。在閉環控制環境下，控制信號必須在時域和頻域都遵循某種預先設定的特性，這些特性可以按照不同的工業或者軍事標準定義為：正弦Sine、隨機Random、正弦+隨機SoR、隨機+隨機RoR、經典沖擊、沖擊響應譜SRS、路譜仿真等。
大多數情況下，單軸的振動臺對結構進行激勵，在一些高端測試中需要使用多個振動臺形成多軸多自由度的激勵，在多個振動臺同時使用的情況下，控制系統需要具有多輸入/多輸出(MIMO)的互通道信號計算能力。用于多軸振動控制系統的技術比單軸系統要復雜的多，在本文中主要討論單軸振動控制系統的情況。
控制信號要參考一個或多個從試件獲得的測量信號，當發現控制信號與測試目標模型有偏差時，將調整驅動信號使控制信號趨近目標模型，控制系統實時、連續地對振動臺進行動力修正以達到精確的控制，安全性檢測通過一個分布式的不依賴于PC計算機的運算處理結構來進行。
下圖說明了閉環控制的過程，傳感器(如加速度計)用于測量試件的振動響應形成被控制信號。
隨機控制器將連續輸出一個隨機信號(驅動信號)，其功率譜密度為預定義的頻譜形狀，這個預定義了形狀的功率譜稱為目標譜。正弦控制器將連續以某個確定的電壓值輸出一個掃頻正弦信號，所以控制信號是類正弦信號，并且遵循預定義的幅值譜。經典沖擊控制器在時間域中定義需要的控制目標模型。SRS控制在沖擊響應譜中定義目標模型。路譜仿真控制器將一個長時間的時域信號定義為目標模型。正弦加隨機或隨機加隨機也稱為混合模式控制，把隨機和其它控制模式結合在一起，其測試設置也更為復雜。
據估計市場上近乎100%的控制器都要求具有隨機和正弦控制功能，大約50%要求有經典沖擊功能。混合功能和SRS、瞬態歷程及路譜仿真需求相對較少，只在一些特殊測試中需要。即使只有一個激勵源，從試件上進行多點測量也是需要的，多點測量可用于如下一些需要：
當使用多點輸入作為控制通道時，用戶可以選擇不同的控制策略參數，如平均、最大或最小。如平均控制策略以全部測量通道的和為控制通道，并且平均結果在頻域可以以不同的權重比進行。
第一代控制器-獨立式
美國最早的數字振動控制器是在20世紀70年代由一些HP的工程師研發的。他們在早期最成功的信號分析儀HP5451上測試了多種控制算法。HP5451是基于小型機HP2100的一臺設備，其內存和計算能力都很有限，工程師們使用了多種巧秒的辦法取得了達到幾千赫茲的實時帶寬。Ron Potter和?Peter Moseley兩位為這一早期的控制器作出了重大的貢獻。
HP5451動態分析系統
在HP公司以HP5451成功地測試了這一算法后，HP5427作為一款商業化的產品在上世紀80年代出現。它由一些可堆疊的機箱組成，有專業的顯示器和控制面板。HP5427是一款非常成功的產品，卻由于惠普公司戰略的調整而最終被放棄。
在上世紀70年代早期，另兩位發明者，Edwin Sloane 和?Charles Heizman在一家名為Time Data的公司工作，取出得了一項隨機振動控制的專利權。Time Data后來被GenRad公司收購后，發布了他們的獨立式控制系統。GR25xx幾乎是上世紀70年代后期最成功的控制器。下面是GenRad 振動控制器系統的照片：
GenRad 2506
后來GenRad的振動控制部門成為了Spectral Dynamics公司的一部份，Marcos Underwood博士是GenRad控制器的總工。在算法研發上，他專注于用“誤差”控制取代HP采用的比例控制。Tony Keller也同樣早期為控制器的研發做出了巨大的貢獻。DEC公司的PDP系列小型機是振動控制器的硬件平臺。
在上世紀80年代早期，LMS與HP合作，為HP的新硬件系統（Paragon）提供了全部的振動控制軟件，LMS與HP的關系就有如微軟公司與IBM的PC的關系。最終相比只提供硬件的IBM和HP，LMS和微軟證明了軟件銷售更為重要。
早期的另一些廠商如Ling Electronics、MB Dynamics、Schlumberger等。由于都采用專用的硬件設備，早期的VCS系統售價在8~20萬美元間，并且操作時需要非常仔細，然而得益于上世紀80年代航天、汽車和軍事工業對結構測試的巨大需求，振動控制行業誕生了。很多今天使用的控制算法都是在當時產生的。規定大多數復雜的環境測試標準（包含了振動測試）的軍標810標準，也是在那一時期建立起來的。
第二代振動控制器—基于PC的控制器
在上世紀90年代，IBM PC機在工業上得以應用。許多公司開始采用PC機進行數據采集和動態信號分析。Sri Welaratna 和?Dave Snyder兩位原惠普公司的專家創建了Data Physics公司。Lansmont公司一項目與Data Physics的合作開發計劃，開發基于PC機的數字式振動控制系統，最終造就了Lansmont公司的TTVI和DP公司的DP540控制器。這些早期的基于DOS操作系統的控制器具有在那個時代難得的圖形用戶界面。DP540采用了多塊ISA總線的插入式DSP卡，每塊卡有多個DSP處理器及A/D，D/A轉換芯片。這一產品取得了巨大的成功。
Data Physics DP540
按照與DP540和DP550（Windows版的DP540）同樣的思路，其它一些廠家也發布了他們的基于PC的振動控制器，如SD公司的Puma，UniDyn公司的DVC，Unholtz-Dickie公司的VWin等。
第二代振動控制器的產生得益于PC機和專用DSP處理器的發展，大大提高了其性能和易用性，同時成本卻下降了。PC機的引入，使得顯示、報告功能、連接性和系統性能極大地提高了。價格的持續下降使振動控制器系統能用于更多的商業應用中，如電子產品和包裝測試領域。在系統價格下降的同時，振動控制器產品的市場規模卻年復一年地在增長。
第二代振動控制器系統的缺點主要在于，系統過于依賴PC機的性能。這主要是由于其控制回路要通過PC CPU的安裝在PC中的插卡。很多控制器使用ISA總線，其控制回路時間受限于PC ISA總線的中斷和傳輸帶寬。除了PC結構，LMS和M+P仍然依賴于HP的硬件來構建其軟件系統，并采用UNIX操作系統，其產品包括Paragon 和?VXI 系統。他們主要面向那些在測試過程中需要大量同步數據采集的高端用戶。
第三代振動控制器，PC 作為外圍控制端的控制器
在上世紀90年代 Dactron 公司以開發新一代的振動控制器，Zhuge博士認為原有的系統存在技術上的缺陷，并且發現了改進的切入點。雖然這一代產品仍然使用PC機，但PC作用已經是外圍設備了，因為在這種新的控制器中，控制回路已經不再經過PC機了。采用這一策略后實現了更加快速的回路控制時間。同時由于采用了浮點DSP處理器，在這一控制器中還實現了多種新的算法。
LASER是一個采用了多個浮點DSP處理器、24位∑-⊿型A/D轉換芯片，以及PCI、USB總線等技術的振動控制器產品。應用軟件系統采用微軟MFC開發。新框架及新技術使得系統具有許多功能的同時仍然保持了易用性。Dactron公司的LASER系列產品取得了巨大的成功，數千臺Dactron公司的LASER系統已經安裝在世界各地。2001年LDS公司收購了Dactron，LDS是當時世界上最大的電磁振動臺生產商，現在LDS已成為丹麥 B&K 公司的一部份。
LDS-Dactron LASER
在Dactron公司發布了LASER和Comet后，許多其它公司包括VRC和DP也發布控制回路獨立于PC的第三代振動控制器系統。
第四代振動控制器—完全網絡化的控制器
2010年，美國晶鉆儀器公司 (Crystal Instruments)?發布了Spider-81，最新一代的振動控制系統。Spider-81充分采用了最新的硬件設計，信號處理算法和新的軟件技術。
Spider-81 數字式振動控制器
Spider-81是第一個基于網絡并支持IEEE 1588時間同步技術的振動控制系統。其基本模塊可設置為4或8通道，且附加通道數可擴展了1024個。它提供了非常高的靈活性、測試精度和易用性。Spider-81配置了一個通道、明亮的LCD顯示，數字I/O接口，內置備用電池和前面板控制鍵。Spider-81使用以太網接口。
作為第4代控制器Spider-81具有以下一些特點：
以數字信號處理器為主控的結構
與傳統控制器過重依賴于外部計算機進行實時操作不同，Spider是第一個將時間同步以太網連接與嵌入式DSP直接直接集成在一起的控制器。這一策略極大地增強了控制性能、系統可靠性和異常保護能力，使得系統可以配置極大的通道數卻不影響系統性能。
最新的硬件設計
Spider-81模塊裝備有電壓主、電荷和IEPE輸入通道，可適用于沖擊、振動和聲學測試及其它通用的電壓信號測量。其內部閃存可以同時儲存數百個通道的測試配置數據和實時分析數據。多個輸出通道提供了各種與輸入采樣頻率同步的信號波形。配備了一個能夠顯示測試狀態信息的液晶顯示屏。每臺設備提供10個監測連接來讀取模擬輸入和輸出信號，前面板上還有多個操作按鍵。通過內置的獨立數字I/O和RS485串行端口可以連接到其他硬件。有一個緊急中止按鈕可以在危急情況下中斷測試。
簡潔方便的網絡連接
以太網連接方式使得Spider-81在物理距離上可以與PC機離開較遠，這種分布式的結構方式大大減少了噪聲和系統中的電子干擾。通過網絡一臺PC機可以監視和控制多臺控制器。由于控制過程和數據記錄都在控制器內部執行，網絡連接方式并不會影響控制性能。通過無線網絡路由器，PC還可以方便地采用WiFi方式連接遠程的Spider設備。
?多模塊間的時間同步技術
Spider-81采用了IEEE1588時間同步技術，在同一個局域網上的Spider模塊可以達到100ns的時間同步精度，即可以保證20KHz分析頻寬下，通道間相位誤差不大于±1度。采用這一技術和高速以太網使得分布于網絡上的模塊，可以象一臺集中式設備一樣進行操作。
?黑匣子模式:脫離PC工作
Spider-81可以脫離PC機，以黑匣子模式進行工作。在這種模式下PC機在系統開始測試前，對設備進行配置，并將配置參數下載到設備上，Spider獨立完成測試后，再與PC聯機，PC可下載測試結果數據。在測試運行期間，控制器按預定的流程工作，并且用戶可以通過前面板按鍵、遠程手柄以及支持WiFi的PDA，如iPad等設備進行控制。
帶LCD顯示
每臺Spider-81前面板都配置一塊明亮的LCD顯示屏，以實時顯示系統狀態和測試信息，如控制量RMS值、當前掃頻頻率等。
高可靠性設計
Spider-81是第一臺設計有災難保護功能的振動控制系統，甚至在網絡斷網或電源中斷的情況下也具有保護功能。先進的安全控制回路在幾毫秒內就可以檢測到傳感器掉線。Spider-81硬件經過了嚴格的環境測試，包括EMI、溫度、跌落沖擊、正弦與隨機振動等。系統設計可以經受長期惡劣的工作環境而可靠地運行。采用浮地設計也減少了安裝時的路接地問題。
高精度的輸入設計
通過獨特的技術，Spider-81是第一臺能夠達到150dB輸入動態范圍的振動控制器。每個輸入通道在一個量程下就可以測試最小6μV 最大 20 V的電壓信號，這就完全使得不再需要象傳統控制器那樣，在測試時對輸入通道設置不同的輸入量程。
優異的控制性能
通過改進的控制算法和高效的DSP結構，大大減少正弦和隨機控制的反饋回路時間。更快的反饋回路時間能夠提高搜索和駐留能力，以及對高Q值結構的控制性能。這也提供了更快的反應，更好的安全保障。
易于使用
Spider-81進一步改善了用戶的界面等級。更多的圖形指導、向導和工具的加入，使設置方便快捷。全新排列的接口使其更合理，更好用。“異常執行規則”、“終止靈敏度”和其他新接口的功能，使得操作更簡單。數據庫管理功能，更容易在大量的測試項目中通過關鍵字來進行搜索。
和模態分析，信號處理結合Spider-81集成了模態分析以及通用的信號分析功能，包括時間流記錄，瞬態捕捉，FFT，自功率譜和傳遞函數分析。多個Spider-80 DSA模塊能夠和一個Spider-81的振動控制器模塊組成一個集成系統進行工作。Spider-81具有長時間信號記錄功能，對于關鍵的測試任務每個通道都可以采集時域數據并保存在內置的閃存中。
四代振動控制器的結構比較
四代振動控制器的結構不同
四代振動控制系統的結構比較
PC扮演的角色
第一代控制器不使用PC機，而采用專用的小型機，控制回路在小型機中。到第二代，PC是控制回路的一部份，數據通過PC的總線傳遞，這樣的主要問題是任何PC性能上的影響都會干擾控制回路。在第三代，PC的作用主要是一個操作終端了。
在第四代控制器，高速數據通訊和精確時間同步都依賴于LAN。PC成為了LAN上的操作終端之一。用戶可以選擇以不同的方式，如無線、遠程手柄、PDA或其它等，來操作控制器。雖然也有一些前期的控制器帶有網絡接口，但其不是針對高速網絡來優化設計的，而且也不支持亞微秒的時間同步精度。
全網絡型控制器比前幾代產品提供了更多的優點，用戶可以將控制器放置在離振動臺較近的位置，而操作可以在遠離數百米遠的控制室內進行。PC可以作為設置和操作的終端，但在實驗過程中也可以支持遠程控制手柄或PDA設備進行操作。
實時計算性能
第一代振動控制器系統并不是真正的實時系統。實時性是指每一個輸入的采樣信號點都參與創建下一幀驅動輸出信號。小型機的CPU在計算系統的傳遞函數時，其實忽略了許多幀的輸入數據，其控制回路時間以秒計。
第二代振動控制器是實時系統。所有的采樣點都用于計算驅動信號了。回路時間也小于1秒，利益于PC機的使用，用戶界面大大改善，并降低了系統造價。
第三代振動控制器可稱為“超實時”系統。它擁有用采樣數據同時進行多任務的能力。如在Dactron的隨機控制器中，在不同的頻率段內，可同時運行多個控制回路。極端的情況如：正弦+隨機控制器中，二個隨機控制內核、12個正弦控制內核可同時運行，其控制回路時間也縮短到ms級。
第一和第二代通用控制器的出現是為了適應被試驗物品(試件)的機械特性測試的要求。在一些應用中要求控制系統能夠提供5KHz的實時控制帶寬和高過70dB的控制動態范圍，這是第一、二代控制器滿足不了的，第三代控制器的出現改變了這一情況。得益于浮點DSP處理器和∑-⊿型AD轉換器，
算法改進
依靠更先進的處理器，在這較新的控制器中，許多新的軟件算法也得以實現。舉例如下：
在Dactron的控制器中，采用了一個先進的濾波器技術，使得隨機控制器在低頻段可能獲得較很高的頻率分辨率，這一技術被稱為多分辨率控制。
在Vibration Research的控制器中，峭度控制被集成到隨機控制中，使得信號可以具有非高斯特性，從而更加接近從實際道路上記錄的信號。
在Spectral Dynamics的控制器中，正弦控制器實現了一個形狀更好的濾波器，相比采用矩形窗進行頻譜分析的產品，其提供的通帶特性非常平坦。
結論
在過去的40年里，振動控制器已經發展了四代產品，它們是第一代獨立式、第二代基于PC的控制器、第三代PC依賴式和第四代全網絡模式。其中第四代產品全網絡式基于以太網和IEEE1588時間同步技術，它提供了比前輩產品優越的靈活性、可靠性、可配置性和延伸性。