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DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2005-11-19人氣:

     

DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗(yàn)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(yàn)控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能、設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型、電氣控制模型、軟件模型和試驗(yàn)項(xiàng)目。
  一、 概述
      隨著我國(guó)國(guó)防建設(shè)、重點(diǎn)型號(hào)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(chǎng)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(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)、服役狀態(tài)模擬試驗(yàn)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(yàn)控制系統(tǒng),得到了廣泛使用和長(zhǎng)足的發(fā)展。
      近年來,各種基于高度集成設(shè)計(jì)的計(jì)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(yàn)系統(tǒng)的控制方面,使得試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量控制精度、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理、操作等方面提高到了一個(gè)新的水平,尤其以應(yīng)用DSP(Digital Signal Processing)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),通過上位計(jì)算機(jī)主從式管理的控制系統(tǒng),更顯其以數(shù)字形式對(duì)試驗(yàn)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理的卓越性能。這也是國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)控制專家爭(zhēng)鋒的一個(gè)技術(shù)高點(diǎn)。
     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(diǎn)加載結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的主要是通過試驗(yàn)確定其疲勞壽命,找到應(yīng)力集中的危險(xiǎn)部位,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和相應(yīng)的工藝強(qiáng)化處理。在試驗(yàn)中,為實(shí)現(xiàn)這一目的,必須要求多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬、再現(xiàn)試驗(yàn)部件(有時(shí)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(diǎn)的作用情況多為集中載荷,基本上可以完全再現(xiàn)其真實(shí)的服役狀態(tài),并且受力點(diǎn)與變形點(diǎn)相對(duì)比較集中、容易確定。飛行中的飛機(jī)所受到的氣動(dòng)力分布于整個(gè)飛機(jī)表面,浪涌時(shí)近海岸防護(hù)大堤所受到的海水動(dòng)力分布于整個(gè)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(dòng)力分布,使得樁基三維受到振動(dòng)載荷,試驗(yàn)中,難以真實(shí)再現(xiàn)這些分布載荷的作用及其影響。于是試驗(yàn)工程上采用近似方法,即將分布載荷"等效"集中到試驗(yàn)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(diǎn)載荷達(dá)到測(cè)試目的。
     飛機(jī)、汽車、建筑物、橋梁構(gòu)件等被看成是一個(gè)復(fù)雜的剛體,對(duì)多個(gè)關(guān)鍵試驗(yàn)部位各點(diǎn)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(shí)的變形,引起試驗(yàn)件多個(gè)部位的測(cè)試工稱量(如變形、力、速度、裂紋萌生與擴(kuò)展等)聯(lián)動(dòng)反應(yīng),因此,整個(gè)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)既要具備獨(dú)立加載試驗(yàn)控制的可靠性能,也要有自適應(yīng)能力很強(qiáng)的多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載功能,這一切決定了試驗(yàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣和試驗(yàn)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(yàn)控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)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(yàn)控制系統(tǒng),獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利技術(shù)(專利號(hào):0326278812)保護(hù),是我國(guó)工程技術(shù)人員在大型高精尖試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域取得的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列試驗(yàn)控制器之一,已經(jīng)在飛機(jī)制造、汽車試驗(yàn)、巖土工程等科研院所的重點(diǎn)大型試驗(yàn)項(xiàng)目的多軸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)實(shí)時(shí)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(dòng)的電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)由多個(gè)電液伺服作動(dòng)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(jì)算機(jī)等部分組成,如圖所示。
控制計(jì)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(yàn)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(shí)時(shí)地計(jì)算出各作動(dòng)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(duì)應(yīng)控制模塊,進(jìn)而通過伺服閥驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器在工作指令的要求和限制下準(zhǔn)確地完成試驗(yàn)預(yù)期的加載動(dòng)作,并傳遞和施加到試驗(yàn)件的指定受力點(diǎn)或部位。
      下面通過對(duì)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(yàn)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(yàn)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(diǎn)協(xié)調(diào)疲勞加載試驗(yàn)時(shí)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(duì)于圖中各種作動(dòng)器的施加載荷對(duì)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(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。
受載荷試驗(yàn)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(yàn)中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形會(huì)使各加載機(jī)構(gòu)之間發(fā)生交互式干擾,因此第i個(gè)加載機(jī)構(gòu)還要受到其它加載機(jī)構(gòu)工作時(shí)產(chǎn)生的位移擾動(dòng)。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(gè)加載機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)框圖
ui(s)為第i個(gè)加載機(jī)構(gòu)的輸入指令信號(hào)。
      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(diǎn)的結(jié)構(gòu)剛度; (s)為作用在n個(gè)加載點(diǎn)上的力組成的列矢量, (s)為 (s)對(duì)第i個(gè)加載點(diǎn)產(chǎn)生位移擾動(dòng)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(gè)加載機(jī)構(gòu)對(duì)第i個(gè)加載點(diǎn)產(chǎn)生的位移擾動(dòng)的產(chǎn)地函數(shù):
        
mij , Bij , Kij分別為第i個(gè)加載點(diǎn)和第j個(gè)加載點(diǎn)之間的相對(duì)質(zhì)量、相對(duì)阻尼和相對(duì)剛度。
      一般情況下,試驗(yàn)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(diǎn)協(xié)調(diào)疲勞加載試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)加載頻率比較低,于是Kiz Wiz(s)在這種試驗(yàn)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(yàn)室提供的DSP Trier 6206系列(6通道)控制系統(tǒng)項(xiàng)目中,其加載框架機(jī)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)為1.12x109N/m,通過剛性伺服補(bǔ)償程序,使得試驗(yàn)加載系統(tǒng)完全可適應(yīng)于各種工況要求下的試驗(yàn)。
     為了簡(jiǎn)化分析,圖1的傳遞函數(shù)框圖可以簡(jiǎn)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(jiǎn)化框圖
簡(jiǎn)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?qǐng)D1的多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的組成,上位控制計(jì)算機(jī)在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)對(duì)來自各個(gè)作動(dòng)器傳感器(如力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等)的信號(hào)與載荷譜相應(yīng)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算、比較、統(tǒng)計(jì),按照既定的程序要求的控制規(guī)律或限制,隨時(shí)刷新,并將糾錯(cuò)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到相應(yīng)作動(dòng)器的執(zhí)行和反饋元件上,及時(shí)糾正且延續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)性試驗(yàn),直到完成試驗(yàn)設(shè)定任務(wù)。   
     如果不考慮計(jì)算機(jī)本身的離散工作方式,這一試驗(yàn)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(yàn)控制系統(tǒng)的方程式,即簡(jiǎn)化為:
                                                     (3)
式中:   為試驗(yàn)系統(tǒng)的控制矩陣;
         為試驗(yàn)系統(tǒng)的反饋矩陣;
         為試驗(yàn)控制系統(tǒng)的各個(gè)作動(dòng)器實(shí)際需要的載荷列矢量。
整個(gè)用于試驗(yàn)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(yàn)的DSP Trier 6200系列多通道協(xié)調(diào)加載疲勞試驗(yàn)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))
 

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