数字式振动控制器介绍

振动测试系统被广泛用于航空、航天、电子、汽车等领域的可靠性试验。数字式振动控制器是一个可以为振动台提供闭环控制能力的计算机系统，是整个振动测试系统中的智能部分。

值得附带提出的是，早在80年代初，浙江大学的动态测试国家研究室和苏州实验仪器厂（苏试）就开始研发中国自己的振动控制器，浙大的杨世超教授是这个领域的先驱。而现在，苏试是中国该领域唯一一家上市公司。

数字振动控制器产生电子信号驱动功率放大器，功率放大器再输出电流信号以驱动液压或电磁振动台，而作用于被测设备(UUT)上的振动响应反馈到振动控制器系统作为反馈控制信号。在闭环控制环境下，控制信号必须在时域和频域都遵循某种预先设定的特性，这些特性可以按照不同的工业或者军事标准定义为：正弦Sine、随机Random、正弦+随机SoR、随机+随机RoR、经典冲击、冲击响应谱SRS、路谱仿真等。

大多数情况下，单轴的振动台对结构进行激励，在一些高端测试中需要使用多个振动台形成多轴多自由度的激励，在多个振动台同时使用的情况下，控制系统需要具有多输入/多输出(MIMO)的互通道信号计算能力。用于多轴振动控制系统的技术比单轴系统要复杂的多，在本文中主要讨论单轴振动控制系统的情况。

控制信号要参考一个或多个从试件获得的测量信号，当发现控制信号与测试目标模型有偏差时，将调整驱动信号使控制信号趋近目标模型，控制系统实时、连续地对振动台进行动力修正以达到精确的控制，安全性检测通过一个分布式的不依赖于PC计算机的运算处理结构来进行。

下图说明了闭环控制的过程，传感器(如加速度计)用于测量试件的振动响应形成被控制信号。

随机控制器将连续输出一个随机信号(驱动信号)，其功率谱密度为预定义的频谱形状，这个预定义了形状的功率谱称为目标谱。正弦控制器将连续以某个确定的电压值输出一个扫频正弦信号，所以控制信号是类正弦信号，并且遵循预定义的幅值谱。经典冲击控制器在时间域中定义需要的控制目标模型。SRS控制在冲击响应谱中定义目标模型。路谱仿真控制器将一个长时间的时域信号定义为目标模型。正弦加随机或随机加随机也称为混合模式控制，把随机和其它控制模式结合在一起，其测试设置也更为复杂。

据估计市场上近乎100%的控制器都要求具有随机和正弦控制功能，大约50%要求有经典冲击功能。混合功能和SRS、瞬态历程及路谱仿真需求相对较少，只在一些特殊测试中需要。即使只有一个激励源，从试件上进行多点测量也是需要的，多点测量可用于如下一些需要：

当使用多点输入作为控制通道时，用户可以选择不同的控制策略参数，如平均、最大或最小。如平均控制策略以全部测量通道的和为控制通道，并且平均结果在频域可以以不同的权重比进行。

第一代控制器-独立式

美国最早的数字振动控制器是在20世纪70年代由一些HP的工程师研发的。他们在早期最成功的信号分析仪HP5451上测试了多种控制算法。HP5451是基于小型机HP2100的一台设备，其内存和计算能力都很有限，工程师们使用了多种巧秒的办法取得了达到几千赫兹的实时带宽。Ron Potter和 Peter Moseley两位为这一早期的控制器作出了重大的贡献。

HP5451动态分析系统

在HP公司以HP5451成功地测试了这一算法后，HP5427作为一款商业化的产品在上世纪80年代出现。它由一些可堆叠的机箱组成，有专业的显示器和控制面板。HP5427是一款非常成功的产品，却由于惠普公司战略的调整而最终被放弃。

在上世纪70年代早期，另两位发明者，Edwin Sloane 和 Charles Heizman 在一家名为Time Data的公司工作，取出得了一项随机振动控制的专利权。Time Data后来被GenRad公司收购后，发布了他们的独立式控制系统。GR25xx几乎是上世纪70年代后期最成功的控制器。下面是GenRad 振动控制器系统的照片：

GenRad 2506

后来GenRad的振动控制部门成为了Spectral Dynamics公司的一部份，Marcos Underwood博士是GenRad控制器的总工。在算法研发上，他专注于用“误差”控制取代HP采用的比例控制。Tony Keller也同样早期为控制器的研发做出了巨大的贡献。DEC公司的PDP系列小型机是振动控制器的硬件平台。

在上世纪80年代早期，LMS与HP合作，为HP的新硬件系统（Paragon）提供了全部的振动控制软件，LMS与HP的关系就有如微软公司与IBM的PC 的关系。最终相比只提供硬件的IBM和HP，LMS和微软证明了软件销售更为重要。

早期的另一些厂商如Ling Electronics、MB Dynamics、Schlumberger 等。由于都采用专用的硬件设备，早期的VCS系统售价在8~20万美元间，并且操作时需要非常仔细，然而得益于上世纪80年代航天、汽车和军事工业对结构测试的巨大需求，振动控制行业诞生了。很多今天使用的控制算法都是在当时产生的。规定大多数复杂的环境测试标准（包含了振动测试）的军标810标准，也是在那一时期建立起来的。

第二代振动控制器—基于PC的控制器

在上世纪90年代，IBM PC机在工业上得以应用。许多公司开始采用PC 机进行数据采集和动态信号分析。Sri Welaratna 和 Dave Snyder两位原惠普公司的专家创建了Data Physics公司。Lansmont公司一项目与Data Physics 的合作开发计划，开发基于PC机的数字式振动控制系统，最终造就了Lansmont 公司的TTVI和DP公司的DP540控制器。这些早期的基于DOS操作系统的控制器具有在那个时代难得的图形用户界面。DP540采用了多块ISA总线的插入

式DSP卡，每块卡有多个DSP处理器及A/D，D/A转换芯片。这一产品取得了巨大的成功。

Data Physics DP540

按照与DP540和DP550（Windows版的DP540）同样的思路，其它一些厂家也发布了他们的基于PC的振动控制器，如SD公司的Puma，UniDyn公司的DVC，Unholtz-Dickie公司的VWin等。

第二代振动控制器的产生得益于PC机和专用DSP处理器的发展，大大提高了其性能和易用性，同时成本却下降了。PC机的引入，使得显示、报告功能、连接性和系统性能极大地提高了。价格的持续下降使振动控制器系统能用于更多的商业应用中，如电子产品和包装测试领域。在系统价格下降的同时，振动控制器产品的市场规模却年复一年地在增长。

第二代振动控制器系统的缺点主要在于，系统过于依赖PC机的性能。这主要是由于其控制回路要通过PC CPU的安装在PC中的插卡。很多控制器使用ISA 总线，其控制回路时间受限于PC ISA总线的中断和传输带宽。除了PC结构，LMS和M+P仍然依赖于HP的硬件来构建其软件系统，并采用UNIX操作系统，