振动系统的振动控制策略

BK声学与振动

本文介绍了振动台振动试验与振动控制策略有关的一些基本思想和概念，解释了控制加速度计的必要性，并给出了放置它们的指导。

几乎所有的振动试验都涵盖了由有效载荷、夹具和动圈组成的系统发生机械共振的频率范围。在这种情况下，恒定质量的试验由加速度控制，基于以下基本方程：

力=质量×加速度（f=ma）

然而，在共振条件下，有效质量不是恒定的。因此，不良的振动控制会导致有效载荷的欠加载或过加载，以及动圈的过驱动而造成的损坏。选择控制加速度计的放置位置是任何振动试验中最关键的部分之一。

没有普遍适用的振动控制位置，但是，错误的位置会损坏振动设备或影响施加到有效载荷上的加速度。因此，应遵守以下原则：

• 所有的机械结构都有共振
• 结构越大，谐振频率越低
• 对于增加质量而不增加刚度的情况下，谐振频率会降低
• 对于增加刚度而不增加质量的情况下，谐振频率将增加
• 在自由系统中，当发生轴向共振时，最活跃的点总是端部
  

选择控制位置

控制加速度计的作用是限制加载到有效载荷上的加速度。如果有效载荷大或频率范围宽，则会出现一个或多个谐振。这可以看作是夹具上的加速度量级的差异。

如果在测试中仅使用一个加速度计位置，则控制回路仅确保控制该位置处的加速度。如果该位置与共振节点重合，几乎很少或没有振幅，则结构的其余部分可能被加速超过控制值的一百倍。

为了确定控制加速度计是否安装到了节点，通过查看系统显示的动态驱动信号可提供清晰的信息。驱动减小表示共振，驱动增大表示反共振。出现反共振时，应改变控制位置。好的和坏的驱动图的例子如下图所示。

                               
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由于节点的位置会随着频率的变化而变化，因此很难找到它们不会出现的点。正是由于这个原因，应该使用多个加速度计位置。放置加速度计的最佳区域是在系统的末端，找到节点的风险最小。如果不可能，可以调整监测信号的带谷控制量级，以确保振动器不会损坏。

随机试验与正弦试验

振动台的控制系统在正弦试验和随机试验中是存在差异的。

正弦试验
功率放大器监控提供给振动器的电压和电流，如果超过预设的跳闸量级，则停止试验。在高量级试验的情况下，如果控制位置处于节点上，则驱动功率可能增加到跳闸量级以上，导致系统关闭。

随机试验
功率放大器以类似的方式监控电压和电流的RMS值。如果控制位置在节点上，总电压和电流保持低于跳闸量级，则放大器将不会关闭。即使振动器可能产生比所需更大的力，这仍然是正确的。

更复杂的情况在于，在动圈本身的谐振频率下，存在大量的“自由能”。在该频率下驱动动圈只需要很小的电压和电流。在不会导致放大器停机的情况下，过度驱动振动器可能会损坏动圈。在系统末端放置一个控制加速度计可以防止这种危险，因为它的运动方式与另一端的动圈类似。

控制策略的最佳实践

遵循下面所述的良好做法将更大限度地延长设备的使用寿命：

• 始终安装一个加速度计到系统的末端，以控制或监测它。使用公式f=ma设置最大理论加速度的极限。
• 大型滑台可能需要在尾端放置多个控制加速度计。滑板的边角将以与中心不同的振动量级和更高的频率振动。
• 在整个频率范围内运行低量级正弦扫频试验，以确定夹具和有效载荷的特征。如果不可以运行正弦试验，也可以运行低量级的随机试验。低量级是指约为额定试验量级的-12dB。
• 检查驱动，确保没有上升超过标称驱动的电平。
• 如有必要，使用结果修改控制策略。
• 随机运行时需要注意频带外的能量，带宽至少应为最高控制频率的1.5倍。
• 如果该能量较大或与受控能量处于同一水平，则应调查后再进行。
• 如果出现问题，需要查看时域加速度记录，这可能揭示在频域中不可见的问题。
• 如果一切正常，则进入试验阶段。
  

这将尽可能地保护振动台不受损坏，如果不采取这些预防措施，振动台将被迫传递超过预期的推力或加速度量级，从而缩短其寿命。

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