DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统(一)
摘要：本文全面介绍了皇冠手机官网公司开发的DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统的强大功能、设计数学模型、电气控制模型、软件模型和试验项目。
一、 概述
随着我国国防建设、重点型号建设、大型工程、列车提速、汽车工业的发展，以及大型娱乐器材和场馆工程的建造，用于飞行器、交通工具、建筑构件等方面的多点结构疲劳试验、服役状态模拟试验应运而生，支撑和保障这些系统正常、可靠、稳定运行的多通道协调加载疲劳试验控制系统，得到了广泛使用和长足的发展。
近年来，各种基于高度集成设计的计算机控制技术应用到了多通道协调加载疲劳试验系统的控制方面，使得试验系统的测量控制精度、试验数据处理、系统管理、操作等方面提高到了一个新的水平，尤其以应用DSP（Digital Signal Processing）数字信号处理技术，通过上位计算机主从式管理的控制系统，更显其以数字形式对试验实时信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理的卓越性能。这也是国内外试验控制专家争锋的一个技术高点。
飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等的多点加载结构疲劳试验的目的主要是通过试验确定其疲劳寿命，找到应力集中的危险部位，进行优化设计和相应的工艺强化处理。在试验中，为实现这一目的，必须要求多通道协调加载疲劳试验系统能够模拟、再现试验部件（有时可能是全机、整车）工程服役中的受力、变形、速度、惯性、环境状况。汽车、桥梁构件等与路面或接触点的作用情况多为集中载荷，基本上可以完全再现其真实的服役状态，并且受力点与变形点相对比较集中、容易确定。飞行中的飞机所受到的气动力分布于整个飞机表面，浪涌时近海岸防护大堤所受到的海水动力分布于整个大堤，公路、铁路路基和周围建筑的地基等所受到的土壤扰动力分布，使得桩基三维受到振动载荷，试验中，难以真实再现这些分布载荷的作用及其影响。于是试验工程上采用近似方法，即将分布载荷"等效"集中到试验件的某些关键部位，通过施加以一定的程序方式控制的多点载荷达到测试目的。
飞机、汽车、建筑物、桥梁构件等被看成是一个复杂的刚体，对多个关键试验部位各点施加作用力的过程不可能是孤立进行的，由于刚体在受载时的变形，引起试验件多个部位的测试工称量（如变形、力、速度、裂纹萌生与扩展等）联动反应，因此，整个疲劳试验系统既要具备独立加载试验控制的可靠性能，也要有自适应能力很强的多点协调加载功能，这一切决定了试验系统性能的优劣和试验结果的科学性。
DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统（以下简称DSP Trier 6200系列控制系统），是皇冠手机官网公司的工程技术人员多年精心研发的全数字式微机控制电液伺服多通道疲劳试验控制系统，获得国家知识产权局的专利技术（专利号：0326278812）保护，是我国工程技术人员在大型高精尖试验技术领域取得的具有自主知识产权的系列试验控制器之一，已经在飞机制造、汽车试验、岩土工程等科研院所的重点大型试验项目的多轴动态试验实时控制系统中得到广泛使用。
随着我国国防建设、重点型号建设、大型工程、列车提速、汽车工业的发展，以及大型娱乐器材和场馆工程的建造，用于飞行器、交通工具、建筑构件等方面的多点结构疲劳试验、服役状态模拟试验应运而生，支撑和保障这些系统正常、可靠、稳定运行的多通道协调加载疲劳试验控制系统，得到了广泛使用和长足的发展。
近年来，各种基于高度集成设计的计算机控制技术应用到了多通道协调加载疲劳试验系统的控制方面，使得试验系统的测量控制精度、试验数据处理、系统管理、操作等方面提高到了一个新的水平，尤其以应用DSP（Digital Signal Processing）数字信号处理技术，通过上位计算机主从式管理的控制系统，更显其以数字形式对试验实时信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理的卓越性能。这也是国内外试验控制专家争锋的一个技术高点。
飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等的多点加载结构疲劳试验的目的主要是通过试验确定其疲劳寿命，找到应力集中的危险部位，进行优化设计和相应的工艺强化处理。在试验中，为实现这一目的，必须要求多通道协调加载疲劳试验系统能够模拟、再现试验部件（有时可能是全机、整车）工程服役中的受力、变形、速度、惯性、环境状况。汽车、桥梁构件等与路面或接触点的作用情况多为集中载荷，基本上可以完全再现其真实的服役状态，并且受力点与变形点相对比较集中、容易确定。飞行中的飞机所受到的气动力分布于整个飞机表面，浪涌时近海岸防护大堤所受到的海水动力分布于整个大堤，公路、铁路路基和周围建筑的地基等所受到的土壤扰动力分布，使得桩基三维受到振动载荷，试验中，难以真实再现这些分布载荷的作用及其影响。于是试验工程上采用近似方法，即将分布载荷"等效"集中到试验件的某些关键部位，通过施加以一定的程序方式控制的多点载荷达到测试目的。
飞机、汽车、建筑物、桥梁构件等被看成是一个复杂的刚体，对多个关键试验部位各点施加作用力的过程不可能是孤立进行的，由于刚体在受载时的变形，引起试验件多个部位的测试工称量（如变形、力、速度、裂纹萌生与扩展等）联动反应，因此，整个疲劳试验系统既要具备独立加载试验控制的可靠性能，也要有自适应能力很强的多点协调加载功能，这一切决定了试验系统性能的优劣和试验结果的科学性。
DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统（以下简称DSP Trier 6200系列控制系统），是皇冠手机官网公司的工程技术人员多年精心研发的全数字式微机控制电液伺服多通道疲劳试验控制系统，获得国家知识产权局的专利技术（专利号：0326278812）保护，是我国工程技术人员在大型高精尖试验技术领域取得的具有自主知识产权的系列试验控制器之一，已经在飞机制造、汽车试验、岩土工程等科研院所的重点大型试验项目的多轴动态试验实时控制系统中得到广泛使用。
二、 DSP Trier 6200系列控制系统的数学模型
DSP Trier 6200系列控制器驱动的电液伺服疲劳试验系统由多个电液伺服作动器加载单元、液压源、承载或强度框架（或地面）、多通道电气控制系统、工控计算机等部分组成，如图所示。
控制计算机为上位机，承担系统协调和运算处皇冠手机官网作，可以按照试验设定的载荷谱程序指令，根据某种预定置的协调加载方法实时地计算出各作动器执行机构的指令值，发送指令到下位控制器（DSP Trier 6200系列）中对应控制模块，进而通过伺服阀驱动作动器在工作指令的要求和限制下准确地完成试验预期的加载动作，并传递和施加到试验件的指定受力点或部位。
下面通过对皇冠手机官网公司研发的DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统的加载控制机构的传递函数的过程推导，了解该系统的优越性能：
一般地，试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）进行多点协调疲劳加载试验时各部分的结构变形都应处于弹性变形范围之内，因此对于图中各种作动器的施加载荷对象（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等的局部）可以简化为一个质量弹簧系统。
受载荷试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）在试验中产生的结构变形会使各加载机构之间发生交互式干扰，因此第i个加载机构还要受到其它加载机构工作时产生的位移扰动。图1为考虑到上述干扰因素的加载机构传递函数框图。
DSP Trier 6200系列控制器驱动的电液伺服疲劳试验系统由多个电液伺服作动器加载单元、液压源、承载或强度框架（或地面）、多通道电气控制系统、工控计算机等部分组成，如图所示。
控制计算机为上位机，承担系统协调和运算处皇冠手机官网作，可以按照试验设定的载荷谱程序指令，根据某种预定置的协调加载方法实时地计算出各作动器执行机构的指令值，发送指令到下位控制器（DSP Trier 6200系列）中对应控制模块，进而通过伺服阀驱动作动器在工作指令的要求和限制下准确地完成试验预期的加载动作，并传递和施加到试验件的指定受力点或部位。
下面通过对皇冠手机官网公司研发的DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统的加载控制机构的传递函数的过程推导，了解该系统的优越性能：
一般地，试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）进行多点协调疲劳加载试验时各部分的结构变形都应处于弹性变形范围之内，因此对于图中各种作动器的施加载荷对象（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等的局部）可以简化为一个质量弹簧系统。
受载荷试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）在试验中产生的结构变形会使各加载机构之间发生交互式干扰，因此第i个加载机构还要受到其它加载机构工作时产生的位移扰动。图1为考虑到上述干扰因素的加载机构传递函数框图。
图1 第i个加载机构传递函数框图
ui(s)为第i个加载机构的输入指令信号。
ui(s)为第i个加载机构的输入指令信号。
其中Wic(s)是加载机构电气调试控制线路的传递函数；KiN , KiS , TiN , TiS主要取决于伺服阀的结构固有参数。
其中各参数主要由伺服阀和执行元件的结构参数所决定，Kiz为执行机构到加载点的结构刚度； (s)为作用在n个加载点上的力组成的列矢量， (s)为 (s)对第i个加载点产生位移扰动的传递函数矩阵，可以表述如下：
[ri1(s) , ri2(s) , …… , rin(s)] (i = 1,2,……,n)
矩阵元素rij(s)(j=1,2,…… n)为第j个加载机构对第i个加载点产生的位移扰动的产地函数：
mij , Bij , Kij分别为第i个加载点和第j个加载点之间的相对质量、相对阻尼和相对刚度。
一般情况下，试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）进行多点协调疲劳加载试验时，试验加载频率比较低，于是Kiz Wiz(s)在这种试验的频率范围内的增益远皇冠手机官网于1，因此，皇冠手机官网公司在为湖南工业大学桥建结构试验室提供的DSP Trier 6206系列（6通道）控制系统项目中，其加载框架机构的刚度设计为1.12x109N/m，通过刚性伺服补偿程序，使得试验加载系统完全可适应于各种工况要求下的试验。
为了简化分析，图1的传递函数框图可以简化为图2所示的示意结构。
图2 加载机构传递函数简化框图
简化后的代数表达式为：
i = 1,2,……,n (1)
用矩阵方式表述的上述代数方程组，即可得到加载机构的传递函数矩阵模型：
(2)
式中： 为单元矩阵，也叫做单位矩阵；
为 的逆矩阵；
其中各参数主要由伺服阀和执行元件的结构参数所决定，Kiz为执行机构到加载点的结构刚度； (s)为作用在n个加载点上的力组成的列矢量， (s)为 (s)对第i个加载点产生位移扰动的传递函数矩阵，可以表述如下：
[ri1(s) , ri2(s) , …… , rin(s)] (i = 1,2,……,n)
矩阵元素rij(s)(j=1,2,…… n)为第j个加载机构对第i个加载点产生的位移扰动的产地函数：
mij , Bij , Kij分别为第i个加载点和第j个加载点之间的相对质量、相对阻尼和相对刚度。
一般情况下，试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）进行多点协调疲劳加载试验时，试验加载频率比较低，于是Kiz Wiz(s)在这种试验的频率范围内的增益远皇冠手机官网于1，因此，皇冠手机官网公司在为湖南工业大学桥建结构试验室提供的DSP Trier 6206系列（6通道）控制系统项目中，其加载框架机构的刚度设计为1.12x109N/m，通过刚性伺服补偿程序，使得试验加载系统完全可适应于各种工况要求下的试验。
为了简化分析，图1的传递函数框图可以简化为图2所示的示意结构。
图2 加载机构传递函数简化框图
简化后的代数表达式为：
i = 1,2,……,n (1)
用矩阵方式表述的上述代数方程组，即可得到加载机构的传递函数矩阵模型：
(2)
式中： 为单元矩阵，也叫做单位矩阵；
为 的逆矩阵；
接下来，不妨让我们按照图1的多点协调加载疲劳试验系统的组成，上位控制计算机在试验过程中实时对来自各个作动器传感器（如力传感器、位移传感器、加速度传感器等）的信号与载荷谱相应的预设值进行运算、比较、统计，按照既定的程序要求的控制规律或限制，随时刷新，并将纠错信息实时发送到相应作动器的执行和反馈元件上，及时纠正且延续进行系统性试验，直到完成试验设定任务。
如果不考虑计算机本身的离散工作方式，这一试验控制过程可以用矩阵方程式表示如下，这也是DSP Trier 6200系列微机控制电液伺服多通道协调加载疲劳试验控制系统的方程式，即简化为：
（3）
式中： 为试验系统的控制矩阵；
为试验系统的反馈矩阵；
为试验控制系统的各个作动器实际需要的载荷列矢量。
整个用于试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）试验的DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统的传递函数矩阵，可以通过方程式（2） 和方程式（3）联立求得，即为：
（4）
（3）
式中： 为试验系统的控制矩阵；
为试验系统的反馈矩阵；
为试验控制系统的各个作动器实际需要的载荷列矢量。
整个用于试验件（如飞机、汽车、建筑物、桥梁构件、海防人防地基模型等）试验的DSP Trier 6200系列多通道协调加载疲劳试验控制系统的传递函数矩阵，可以通过方程式（2） 和方程式（3）联立求得，即为：
（4）
（未完待续）
