本文討論了使用晶鉆儀器振動控制器的多激勵單軸(MESA)控制的用途和獨特特性。
MESA是一種多激勵裝置,所有激振器沿單軸布置。目標是將多個激振器的激勵力和尺寸能力結合起來,以測試長或大型被測裝置。MIL-STD-810G方法527討論了涉及單個和多個激振器測試配置的術語。
以下部分將詳細介紹MIMO(多輸入多輸出)和臺面振動控制。MEMA(多激勵多軸)振動控制完成了這三個步驟。
MIMO振動測試系統為控制器提供了最完整的數學描述。每種振動控制類型都有獨特的問題需要解決。
振動測試使用多個激振器而不是單個激振器的原因:
- 與單自由度振動測試相比,三自由度或多自由度振動測試為被測單元提供了更真實的模擬。
- 大型結構測試,在沒有大量固定裝置的情況下,單臺振動臺無法激發。
- 使用單個振動臺進行的大型結構試驗不能提供足夠的力。
- 需要同時多軸激勵的測試(僅限平移)。
- 需要同時多軸激勵和旋轉(6自由度)的試驗。
- 當單自由度測試不足以適當分配振動能量以滿足規范要求時,建議進行多自由度測試。
使用MESA(多激振器單軸)振動控制的原因:
- 對于一個非常大的結構,測試單個振動臺并不能提供足夠的力。使用兩個或多個振動臺來實現單一振動臺激勵所追求的相同目標。
MIMO和MESA振動控制之間的主要區別:
- MIMO振動控制要求控制多個相同或不同的目標譜,而在MESA中只需要一個目標譜。
- MIMO振動控制通常在不同軸之間具有良好的機械解耦,而在臺面振動控制中,兩個或多個振動臺之間的耦合通常更難解決。
多輸入多輸出(MIMO)振動控制
通常,MIMO振動控制用于MEMA振動臺系統。
振動臺內部有一個解耦器,可以進行三軸平移運動。MEMA系統需要一個MIMO振動控制器來實現控制。以下三軸振動臺系統的照片顯示了三個相互垂直的振動臺。該振動臺系統能夠沿X、Y和Z方向同時提供振動。
三個定向振動臺可以沿每個軸單獨或一起移動。這允許同時進行X、Y和Z軸測試。
6自由度系統是另一個MEMA系統。
上圖顯示了一個包含八個振動臺的六自由度振動臺系統。四個振動臺垂直布置,兩個振動臺分別沿縱向和橫向布置。從激勵的角度來看,這個系統是超定的。有八個驅動自由度,而振動臺的六個自由度將由八個振動臺驅動。通過MIMO振動控制,可以控制振動臺系統進行相應的振動測試,即隨機、正弦、路譜仿真等。
在典型的MIMO振動測試設置中,定義了多個目標譜。每個目標譜都有一個相應的控制信號。每個控制信號來自多個輸入通道的加權和。
以下屏幕截圖顯示了隨機振動測試中的三個控制信號和三個目標譜。
晶鉆儀器MIMO振動控制器采用傳遞函數矩陣和相位控制來實現控制性能。
多激振器單軸(MESA)振動控制
下圖顯示了一個雙振動臺垂直配置,可以使用MESA振動控制進行控制。
請注意,被測單元被嚴格安裝在振動臺的頂部。
另一種雙振動臺:
被測單元安裝在雙振動臺的頂部,以物理方式允許異相運動。
雙振動臺系統通常配置為垂直、水平推壓或水平推拉。
MESA振動控制的一個獨特功能是能夠設置多個控制通道并使用加權平均控制策略。試驗期間,平均控制信號只會遵循一個參考曲線。
MESA振動控制的挑戰與策略
在臺面振動測試裝置中,以下機械部件的組合在振動臺之間建立了很強的相關性:
- 擴展臺面
- 滑動臺
- 固定裝置
- UUT(被測單元)
隨著受測試單元的重量和尺寸增加,測試設備也隨之增加。擴展臺面或滑動臺隨著尺寸的增大而降低其較低的共振頻率。嚴格的測試標準可能仍然要求較高的頻率為2000 Hz。
結構和測試系統的共振和反共振給振動測試的控制帶來了極大的困難。共振可以通過相應的低驅動電壓直觀地控制,因為它們在不同的位置重合,諧波引起的響應除外。另一方面,當使用單通道控制策略時,可能無法控制反共振點。反共振頻率下的單控制通道響應過低。這將導致超高驅動電壓補償響應水平,最終超過驅動極限。加權平均值將解決這個問題,因為反共振頻率會隨著位置的變化而變化。使用平均控制策略,谷值被平均化。這將導致所需的驅動電壓在驅動極限內。
晶鉆儀器 MESA控制器采用以下策略:
- 多個驅動器和一個控制目標譜-驅動器可以在考慮或不考慮相位的情況下進行調整。
- 振動臺上多個控制傳感器的加權平均控制——可以通過動態測試和環境測試前選擇控制傳感器的位置。
- 最小能量控制算法優化驅動器-避免驅動器在特定共振頻率下發生沖突。
- 來自多個控制點的相位優化-嘗試將振動臺上的運動均勻性保持在盡可能高的頻率。
這種方法將創造最佳的控制性能,即使在具有許多高共振和反共振的頻率范圍內。
MESA振動控制系統(VCS)解決方案
MESA振動控制提供隨機、正弦和SoR振動控制。
臺面振動控制僅定義了一個參考目標譜。加權平均控制策略通常與MESA VCS相關。
以下控制模式可用:
- 相同幅值/相位;
- 不同相位;
- 不同的幅值/相位。
在MESA振動控制中,使用最小能量法處理多個驅動,并在加權平均控制上實現控制。最重要的是,相位優化有助于進一步微調驅動器,以實現最終控制。
下面的屏幕截圖是在雙振動臺垂直設置下的MESA隨機控制結果。兩個通道的平均控制信號很好地跟蹤曲線。驅動器通過不同的幅值和相位進行調整,以實現這一偉大的控制。
MESA正弦控制也在相同的雙振動臺設置上執行。與MIMO正弦雙振動臺控制測試的結果相比,所實現的控制是極好的。
另一個MESA振動控制測試是MESA正弦+隨機。下面的屏幕截圖顯示了正弦音調和寬帶隨機在雙振動臺垂直設置的強大控制下。測試也在不同的幅值和相位模式下運行。
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