DSP Trier 6200系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統(一)
摘要：本文全面介紹了力創(chuàng)公司開發(fā)的DSP Trier 6200系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統的強大功能、設計數學模型、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、重點型號建設、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、建筑構件等方面的多點結構疲勞試驗、服役狀態(tài)模擬試驗應運而生，支撐和保障這些系統正常、可靠、穩(wěn)定運行的多通道協調加載疲勞試驗控制系統，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計的計算機控制技術應用到了多通道協調加載疲勞試驗系統的控制方面，使得試驗系統的測量控制精度、試驗數據處理、系統管理、操作等方面提高到了一個新的水平，尤其以應用DSP（Digital Signal Processing）數字信號處理技術，通過上位計算機主從式管理的控制系統，更顯其以數字形式對試驗實時信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理的卓越性能。這也是國內外試驗控制專家爭鋒的一個技術高點。
飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等的多點加載結構疲勞試驗的目的主要是通過試驗確定其疲勞壽命，找到應力集中的危險部位，進行優(yōu)化設計和相應的工藝強化處理。在試驗中，為實現這一目的，必須要求多通道協調加載疲勞試驗系統能夠模擬、再現試驗部件（有時可能是全機、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。飛行中的飛機所受到的氣動力分布于整個飛機表面，浪涌時近海岸防護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鍵部位，通過施加以一定的程序方式控制的多點載荷達到測試目的。
飛機、汽車、建筑物、橋梁構件等被看成是一個復雜的剛體，對多個關鍵試驗部位各點施加作用力的過程不可能是孤立進行的，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、裂紋萌生與擴展等）聯動反應，因此，整個疲勞試驗系統既要具備獨立加載試驗控制的可靠性能，也要有自適應能力很強的多點協調加載功能，這一切決定了試驗系統性能的優(yōu)劣和試驗結果的科學性。
DSP Trier 6200系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統（以下簡稱DSP Trier 6200系列控制系統），是力創(chuàng)公司的工程技術人員多年精心研發(fā)的全數字式微機控制電液伺服多通道疲勞試驗控制系統，獲得國家知識產權局的專利技術（專利號：0326278812）保護，是我國工程技術人員在大型高精尖試驗技術領域取得的具有自主知識產權的系列試驗控制器之一，已經在飛機制造、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)試驗實時控制系統中得到廣泛使用。
隨著我國國防建設、重點型號建設、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、建筑構件等方面的多點結構疲勞試驗、服役狀態(tài)模擬試驗應運而生，支撐和保障這些系統正常、可靠、穩(wěn)定運行的多通道協調加載疲勞試驗控制系統，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計的計算機控制技術應用到了多通道協調加載疲勞試驗系統的控制方面，使得試驗系統的測量控制精度、試驗數據處理、系統管理、操作等方面提高到了一個新的水平，尤其以應用DSP（Digital Signal Processing）數字信號處理技術，通過上位計算機主從式管理的控制系統，更顯其以數字形式對試驗實時信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理的卓越性能。這也是國內外試驗控制專家爭鋒的一個技術高點。
飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等的多點加載結構疲勞試驗的目的主要是通過試驗確定其疲勞壽命，找到應力集中的危險部位，進行優(yōu)化設計和相應的工藝強化處理。在試驗中，為實現這一目的，必須要求多通道協調加載疲勞試驗系統能夠模擬、再現試驗部件（有時可能是全機、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。飛行中的飛機所受到的氣動力分布于整個飛機表面，浪涌時近海岸防護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鍵部位，通過施加以一定的程序方式控制的多點載荷達到測試目的。
飛機、汽車、建筑物、橋梁構件等被看成是一個復雜的剛體，對多個關鍵試驗部位各點施加作用力的過程不可能是孤立進行的，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、裂紋萌生與擴展等）聯動反應，因此，整個疲勞試驗系統既要具備獨立加載試驗控制的可靠性能，也要有自適應能力很強的多點協調加載功能，這一切決定了試驗系統性能的優(yōu)劣和試驗結果的科學性。
DSP Trier 6200系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統（以下簡稱DSP Trier 6200系列控制系統），是力創(chuàng)公司的工程技術人員多年精心研發(fā)的全數字式微機控制電液伺服多通道疲勞試驗控制系統，獲得國家知識產權局的專利技術（專利號：0326278812）保護，是我國工程技術人員在大型高精尖試驗技術領域取得的具有自主知識產權的系列試驗控制器之一，已經在飛機制造、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)試驗實時控制系統中得到廣泛使用。
二、 DSP Trier 6200系列控制系統的數學模型
DSP Trier 6200系列控制器驅動的電液伺服疲勞試驗系統由多個電液伺服作動器加載單元、液壓源、承載或強度框架（或地面）、多通道電氣控制系統、工控計算機等部分組成，如圖所示。
控制計算機為上位機，承擔系統協調和運算處理工作，可以按照試驗設定的載荷譜程序指令，根據某種預定置的協調加載方法實時地計算出各作動器執(zhí)行機構的指令值，發(fā)送指令到下位控制器（DSP Trier 6200系列）中對應控制模塊，進而通過伺服閥驅動作動器在工作指令的要求和限制下準確地完成試驗預期的加載動作，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系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統的加載控制機構的傳遞函數的過程推導，了解該系統的優(yōu)越性能：
一般地，試驗件（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）進行多點協調疲勞加載試驗時各部分的結構變形都應處于彈性變形范圍之內，因此對于圖中各種作動器的施加載荷對象（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等的局部）可以簡化為一個質量彈簧系統。
受載荷試驗件（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）在試驗中產生的結構變形會使各加載機構之間發(fā)生交互式干擾，因此第i個加載機構還要受到其它加載機構工作時產生的位移擾動。圖1為考慮到上述干擾因素的加載機構傳遞函數框圖。
DSP Trier 6200系列控制器驅動的電液伺服疲勞試驗系統由多個電液伺服作動器加載單元、液壓源、承載或強度框架（或地面）、多通道電氣控制系統、工控計算機等部分組成，如圖所示。
控制計算機為上位機，承擔系統協調和運算處理工作，可以按照試驗設定的載荷譜程序指令，根據某種預定置的協調加載方法實時地計算出各作動器執(zhí)行機構的指令值，發(fā)送指令到下位控制器（DSP Trier 6200系列）中對應控制模塊，進而通過伺服閥驅動作動器在工作指令的要求和限制下準確地完成試驗預期的加載動作，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系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統的加載控制機構的傳遞函數的過程推導，了解該系統的優(yōu)越性能：
一般地，試驗件（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）進行多點協調疲勞加載試驗時各部分的結構變形都應處于彈性變形范圍之內，因此對于圖中各種作動器的施加載荷對象（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等的局部）可以簡化為一個質量彈簧系統。
受載荷試驗件（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）在試驗中產生的結構變形會使各加載機構之間發(fā)生交互式干擾，因此第i個加載機構還要受到其它加載機構工作時產生的位移擾動。圖1為考慮到上述干擾因素的加載機構傳遞函數框圖。
圖1 第i個加載機構傳遞函數框圖
ui(s)為第i個加載機構的輸入指令信號。
ui(s)為第i個加載機構的輸入指令信號。
其中Wic(s)是加載機構電氣調試控制線路的傳遞函數；KiN , KiS , TiN , TiS主要取決于伺服閥的結構固有參數。
其中各參數主要由伺服閥和執(zhí)行元件的結構參數所決定，Kiz為執(zhí)行機構到加載點的結構剛度； (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個加載點產生位移擾動的傳遞函數矩陣，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個加載機構對第i個加載點產生的位移擾動的產地函數：
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量、相對阻尼和相對剛度。
一般情況下，試驗件（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）進行多點協調疲勞加載試驗時，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的增益遠遠大于1，因此，力創(chuàng)公司在為湖南工業(yè)大學橋建結構試驗室提供的DSP Trier 6206系列（6通道）控制系統項目中，其加載框架機構的剛度設計為1.12x109N/m，通過剛性伺服補償程序，使得試驗加載系統完全可適應于各種工況要求下的試驗。
為了簡化分析，圖1的傳遞函數框圖可以簡化為圖2所示的示意結構。
圖2 加載機構傳遞函數簡化框圖
簡化后的代數表達式為：
i = 1,2,……,n (1)
用矩陣方式表述的上述代數方程組，即可得到加載機構的傳遞函數矩陣模型：
(2)
式中： 為單元矩陣，也叫做單位矩陣；
為 的逆矩陣；
其中各參數主要由伺服閥和執(zhí)行元件的結構參數所決定，Kiz為執(zhí)行機構到加載點的結構剛度； (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個加載點產生位移擾動的傳遞函數矩陣，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個加載機構對第i個加載點產生的位移擾動的產地函數：
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量、相對阻尼和相對剛度。
一般情況下，試驗件（如飛機、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）進行多點協調疲勞加載試驗時，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的增益遠遠大于1，因此，力創(chuàng)公司在為湖南工業(yè)大學橋建結構試驗室提供的DSP Trier 6206系列（6通道）控制系統項目中，其加載框架機構的剛度設計為1.12x109N/m，通過剛性伺服補償程序，使得試驗加載系統完全可適應于各種工況要求下的試驗。
為了簡化分析，圖1的傳遞函數框圖可以簡化為圖2所示的示意結構。
圖2 加載機構傳遞函數簡化框圖
簡化后的代數表達式為：
i = 1,2,……,n (1)
用矩陣方式表述的上述代數方程組，即可得到加載機構的傳遞函數矩陣模型：
(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的多點協調加載疲勞試驗系統的組成，上位控制計算機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的預設值進行運算、比較、統計，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)送到相應作動器的執(zhí)行和反饋元件上，及時糾正且延續(xù)進行系統性試驗，直到完成試驗設定任務。
如果不考慮計算機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系列微機控制電液伺服多通道協調加載疲勞試驗控制系統的方程式，即簡化為：
（3）
式中： 為試驗系統的控制矩陣；
為試驗系統的反饋矩陣；
為試驗控制系統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、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）試驗的DSP Trier 6200系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統的傳遞函數矩陣，可以通過方程式（2） 和方程式（3）聯立求得，即為：
（4）
（3）
式中： 為試驗系統的控制矩陣；
為試驗系統的反饋矩陣；
為試驗控制系統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、汽車、建筑物、橋梁構件、海防人防地基模型等）試驗的DSP Trier 6200系列多通道協調加載疲勞試驗控制系統的傳遞函數矩陣，可以通過方程式（2） 和方程式（3）聯立求得，即為：
（4）
（未完待續(xù)）
