Поколения управления

Современные системы управления вибростендами: история развития

Джеймс Жуге (James Zhuge), Crystal Instruments
Дэйв Форменти (Dave Formenti), Марк Ричардсон (Mark Richardson), Vibrant Technology
Перевод: Артем Вахитов.

В статье рассматриваются четыре поколения цифровых систем управления электродинамическими вибростендами, разработанных американскими компаниями за период в 40 лет в различных категориях: автономные, на базе ПК, с периферийным ПК, сетевые.

Эпоха современных систем управления вибрацией началась в середине 1970-х годов, когда микрокомпьютеры вступили в стадию зрелости, а быстрое преобразование Фурье (FFT/БПФ) и связанные с ним математические методы обработки сигналов стали применяться на практике при проведении виброиспытаний. Технические достижения, позаимствованные из других областей, создали условия для стремительного роста нового класса цифровых систем управления с обратной связью. Коммерческие системы управления виброиспытаниями выпускались и ранее, но ни одна из них не предусматривала возможности выполнять несколько типов испытаний (например, на воздействие синусоидальной вибрации, случайной вибрации и ударных нагрузок). Последовавший вскоре расцвет мини-компьютеров и персональных компьютеров (ПК) позволил выйти на новый уровень гибкости в тесно интегрированной испытательной системе. Кроме того, новая архитектура повысила качество управления и обеспечила целый ряд других преимуществ в части представления, хранения и передачи результатов испытаний. Без сомнения, прошедшие 30–35 лет составляют «золотую эру» бурного развития этой области. Данная статья ограничивается рассмотрением наиболее значимых систем управления электродинамическими вибростендами, увидевших свет в период с 1970 по 2010 гг. Это никак не умаляет достоинств ряда выдающихся специализированных приборов, выпускавшихся до той поры. Видные достижения в сфере управления гармонической вибрацией с качанием частоты принадлежат, в частности, компаниям Spectral Dynamics, Brüel&Kjaer и Solartron. Все они создали собственные технически сложные коммерческие решения. Компания MB Electronics первой создала систему управления случайной вибрацией на базе банков аналоговых фильтров. Теория, лежащая в основе современных систем управления случайной вибрацией, в значительной степени восходит к ранним исследованиям Терона Ашера (Theron Usher) в Йельском университете и в MB Electronics.

Система управления вибрацией

Цифровая система управления вибрацией (СУВ) — это компьютерная система для управления электродинамическими вибростендами с обратной связью. Она вырабатывает электронный сигнал, который, будучи усилен внешним усилителем, управляет гидравлическим или электродинамическим вибровозбудителем. СУВ регистрирует отклик испытуемого изделия и использует его в качестве сигнала обратной связи. Отклик обычно регистрируется одним или несколькими акселерометрами. В схеме управления с обратной связью управляющий сигнал должен обладать некоторыми заданными характеристиками во временной или частотной области. Эти характеристики определены для различных управляющих воздействий, в том числе для случайной вибрации, гармонической вибрации, наложения гармонической или случайной вибрации на случайную, классического удара, воспроизведения спектра отклика ударного импульса (SRS), имитационного моделирования транспортных воздействий.
В большинстве испытаний используется один вибростенд для возбуждения одной оси конструкции. В более сложных испытаниях применяется несколько вибростендов или акустических вибровозбудителей, которые возбуждают конструкцию одновременно в нескольких точках и/или направлениях. При использовании нескольких вибровозбудителей система выполняет расчеты многоканальных взаимодействий для нескольких входов и нескольких выходов (MIMO). Сегодня в отрасли преобладает управление вибрацией по одной оси — ему и уделено основное внимание в этой статье.
Под управляющим сигналом подразумевается один или несколько измерительных сигналов, представляющих отклик испытуемого изделия (обратную связь). Если профиль управляющего сигнала во временной или частотной области не соответствует желаемому, сигнал возбуждения корректируется, пока не будут достигнуты нужные характеристики управляющего сигнала. СУВ непрерывно корректирует сигнал возбуждения для точного управления вибрацией, учитывая динамические параметры вибростенда и испытуемого изделия. Более эффективный контроль безопасности обеспечивается за счет применения независимой от главного компьютера архитектуры распределенных вычислений.
На рис. 1 показан процесс управления с обратной связью. Датчики (например акселерометры) широко используются для регистрации отклика испытуемого изделия и получения сигнала обратной связи. Система управления случайной вибрацией непрерывно вырабатывает случайный сигнал возбуждения, свойства которого таковы, что спектральная плотность мощности управляющего сигнала сходится к заданному целевому или опорному спектру, называемому также спектральным профилем. Система управления гармонической вибрацией непрерывно вырабатывает гармонический сигнал с качающейся частотой и определенной амплитудой, чтобы сигнал управления, форма которого также схожа с синусоидальной, воспроизводил заданный амплитудный спектр при качании частоты со скоростью, заложенной в устройство управления. В случае классического удара система управления использует в качестве целевого профиля заданный отрезок сигнала во временной области, а при воспроизведении спектра отклика ударного импульса — заданный ударный спектр. При имитационном моделировании транспортных воздействий роль целевого профиля для системы управления играет заданный очень длинный отрезок сигнала во временной области. Воздействия с наложением гармонической или случайной вибрации на случайную называются также смешанными режимами. В каждом из этих случаев осуществляется комбинированное управление случайной вибрацией и другим видом вибрации, поэтому схема испытательной установки оказывается сложнее. Единая система управления обеспечивает соответствие каждой составляющей вибрационного воздействия своему целевому профилю.
Почти все представленные на рынке коммерческие системы управления имеют режимы случайной и гармонической вибрации. Примерно в половине из них также предусмотрен режим классического удара. Смешанные режимы, воспроизведение ударного спектра, воспроизведение акселерограммы процесса и имитационное моделирование транспортных воздействий — менее распространенные функциональные возможности, применяемые обычно в узкоспециальных целях.
Даже с одним возбудителем целесообразно регистрировать отклик во многих точках испытуемого изделия. Имея множество каналов управления, как на рис. 2, пользователь может реализовывать различные стратегии управления, например по наименьшему, наибольшему или усредненному отклику. Так, в рамках стратегии управления по усредненному отклику несколько управляющих сигналов могут усредняться в частотной области с разными весовыми коэффициентами для каждого канала. Кроме того, зачастую стратегия управления предусматривает контроль отклика в ответственных точках или мониторинг важнейших параметров испытуемого изделия.

Компании–первопроходцы и СУВ первого поколения

В числе первых цифровую систему управления вибрацией разработала компания Hewlett Packard (HP) в середине 1970-х годов. Специалисты HP исследовали множество различных алгоритмов управления с обратной связью и реализовали их в одном из первых анализаторов сигналов на базе быстрого преобразования Фурье (FFT/БПФ) — HP5451 (рис. 3). В основу анализатора HP5451 был положен мини-компьютер серии HP2100, обладавший ограниченными вычислительными ресурсами и небольшим объемом памяти. Инженерам HP пришлось использовать различные остроумные методы обработки сигналов, чтобы преодолеть эти ограничения и обеспечить в реальном времени полосу пропускания шириной в несколько килогерц для эффективного управления с обратной связью. Двое из них, Рон Поттер (Ron Potter) и Питер Моусли (Peter Moseley), принадлежат к числу тех, кто внес наиболее ранний и значительный вклад в разработку этих первых устройств управления.
Успешно протестировав алгоритмы управления в HP5451, в конце 1970-х годов компания HP выпустила специализированную систему управления вибрацией HP5427. В ней применялась та же вычислительная архитектура, что и в HP5451, но вся система размещалась в одной аппаратной стойке (рис. 4) и предназначалась специально для управления вибрацией.
Компания Time Data Corp, которая затем стала подразделением General Radio Company (впоследствии GenRad), также входит в число первых разработчиков систем управления вибрацией. В начале 1970-х двое инженеров этой компании, Эдвин Слоун (Edwin Sloane) и Чарльз Хэйзмен (Charles Heizman), получили патент на устройство управления случайной вибрацией. В основу этого устройства, изображенного на рис. 5, был положен компьютер PDP-11 производства компании Digital Equipment Corporation (DEC). Пожалуй, самыми коммерчески успешными системами управления вибрацией в 1980-х годах были автономные системы серии GenRad GR2500 (рис. 6).
Группа управления вибрацией из подразделения компании GenRad по разработке изделий для испытаний конструкций на прочность (STP) была впоследствии продана компании Spectral Dynamics Corporation. Маркос Андервуд (Marcos Underwood), главный разработчик устройства управления GenRad, делал основной упор на управление по отклонению вместо пропорционального управления, применявшегося в HP. Еще один инженер из Spectral Dynamics, Тони Келлер (Tony Keller), внес значительный вклад в разработку систем управления в эту раннюю эпоху.
В 1980-х годах бельгийская компания Leuven Measurement Systems (LMS) начала сотрудничать с HP, поставляя программное обеспечение (ПО) для управления вибрацией, которым оснащался новый БПФ-анализатор HP — Paragon. Взаимоотношения LMS как поставщика программного обеспечения с HP аналогичны взаимоотношениям Microsoft с IBM. Подобно тому, как Microsoft выпускала ПО для компьютеров IBM PC, компания LMS разрабатывала и продавала ПО, работавшее только на аппаратной платформе HP.
К числу прочих разработчиков ранних СУВ относятся Ling Electronics, MB Dynamics и Solartron (рис. 7). СУВ первого поколения продавались по цене от $80 000 до $200 000. Они были переусложнены и трудны в использовании. Вместе с тем, большая часть применяемых сегодня алгоритмов управления была разработана именно тогда, в 1970-х–начале 1980-х гг. К этому же времени относится и военный стандарт США MIL-STD-810, устанавливающий наиболее полную методику испытаний на воздействие внешних факторов.
Системы управления вибрацией второго поколения на базе ПК
В 1980-х персональные компьютеры IBM PC и их копии стали все шире применяться в промышленности. Многие компании начали использовать ПК в качестве платформы для регистрации данных и анализа динамических сигналов. Одной из первых СУВ на базе ПК была система DP540 компании Data Physics (рис. 8). Эту фирму основали два инженера, ранее работавших в HP: Шри Веларатна (Sri Welaratna) и Дэйв Снайдер (Dave Snyder). Система управления DP540, базировавшаяся на операционной системе (ОС) MS DOS, имела гибкий и впечатляющий для той поры графический интерфейс пользователя. Для ввода управляющих сигналов в ПК и вывода сигнала возбуждения в ней использовалось несколько дочерних плат цифровой обработки сигналов, устанавливавшихся на шину ISA. На каждой плате располагалось несколько микросхем цифровой обработки сигналов и аналого-цифровых (АЦП) или цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей. Эта система пользовалась большим успехом в 1990-х годах. В то время одной из ключевых персон в коллективе разработчиков компании Data Physics был Джеймс Жуге (James Zhuge). Компания Lansmont Corp. также запустила программу разработки системы управления в сотрудничестве с Data Physics, плодом которой стала система Lansmont TTVI.
В ту же пору, когда состоялся выпуск DP540 (а впоследствии и DP550 на базе ОС Windows), СУВ на базе ПК были выпущены еще несколькими производителями. Это, в частности, системы Puma (Spectral Dynamics), DVC (UniDyn) и VWin (Unholtz-Dickie). Все эти СУВ второго поколения сочетали в себе преимущества низкой стоимости и широких графических возможностей ПК с вычислительной мощью специализированных цифровых сигнальных процессоров. По удобству пользования и качеству управления с обратной связью они значительно выигрывали у систем предыдущего поколения. Непрерывное снижение стоимости СУВ на всем протяжении 1990-х годов сделало эти системы более доступными для коммерческого применения, в частности для испытания электронной аппаратуры и упаковки, и рынок этих систем расширялся год за годом.
Недостаток систем управления второго поколения заключался в их сильной зависимости от производительности ПК. Дело в том, что управление с обратной связью было реализовано с опорой на вычислительные ресурсы дочерних плат и центрального процессора ПК, а также каналы связи между ними. Многие из этих систем использовали шину ISA, которая ограничивала длительность цикла управления из-за прерываний, трафика на шине и недостаточной полосы пропускания шины ПК. Даже при использовании шины PCI центральный процессор ПК по-прежнему играл значительную роль в процессе управления. Кроме того, производительность дочерних плат ограничивалась электрическими помехами от ПК.
LMS в сотрудничестве еще с одной компанией — m+p Corporation — продолжала разрабатывать чисто программные решения для СУВ на базе HP Paragon и более новой аппаратной платформы VXI, которые работали под управлением ОС UNIX. Эти системы предназначались главным образом для сложных применений, где требовалась регистрация данных в ходе испытания.

Системы управления вибрацией третьего поколения с периферийным ПК

В 1996 году новая компания Dactron Inc., которую основали бывший CEO компании Lansmont Джозеф Дрисколл (Joseph Driscoll) и Джеймс Жуге (James Zhuge), поставила перед собой задачу разработки СУВ нового поколения. Инженеры выделили ряд недостатков существующих технологий и нашли возможности для их усовершенствования. Плодом этих усилий стали системы серии Dactron LASER/COMET. ПК не использовался в контуре управления, а служил лишь периферийным устройством СУВ.
При такой стратегии удалось значительно сократить длительность цикла управления. В этой системе было реализовано множество новых алгоритмов, задействовавших возможности цифровых сигнальных процессоров с плавающей запятой. Джастин Танг (Justin Tang), менеджер по аппаратному обеспечению компании Dactron, спроектировал аппаратную часть системы управления, а Джордж Ма (George Ma), старший инженер-программист, — программный пользовательский интерфейс на базе Windows.
Система LASER (рис. 9) стала первой СУВ, в которой использовалось несколько цифровых сигнальных процессоров с плавающей запятой, 24-разрядные сигма-дельта-АЦП, а также шины PCI и USB. Первоначально ПО было реализовано с использованием штатной библиотеки Microsoft MFC. Благодаря новой технологии обработки сигналов и архитектуре, система могла выполнять значительно больше функций, оставаясь при этом простой в использовании. В 2001 г. компания Dactron была поглощена крупнейшим на тот момент мировым производителем электродинамических вибростендов — LDS (Ling Dynamic Systems). Затем произошло слияние LDS с Brüel&Kjaer (B&K), ведущим поставщиком оборудования для шумовых и вибрационных испытаний и измерений.
Затем СУВ, имеющие архитектуру с независимым от ПК контуром управления, были выпущены и другими компаниями, в том числе Vibration Research (VR) и DP. Компания Data Physics выпустила Abacus — СУВ с большим числом каналов, сконструированную из множества компьютеров на базе процессора Intel Pentium. Каждый блок (модуль) может иметь до 32 входных каналов, и модули можно соединять между собой посредством интерфейса Ethernet и фирменного кабеля синхронизации.
Системы VRC VR серии 8500/9500 и DP Abacus — важные вехи на пути к четвертому поколению СУВ, так как в них обеих применяется высокоскоростная передача данных по интерфейсу Ethernet. Вместе с тем, обе системы требуют использования фирменного кабеля синхронизации и полагаются на ПК в своей работе.

Системы управления вибрацией четвертого поколения с синхронной сетевой архитектурой

В 2010 году компания Crystal Instruments, основанная Джеймсом Жуге (James Zhuge), объявила о выходе Spider-81 — СУВ следующего поколения. Spider-81 стала первой сетевой СУВ, в которой реализована технология временной синхронизации IEEE 1588. Модули управления могут иметь от 4 до 1024 каналов отклика. Эта система установила новую планку надежности, точности измерений и производительности контура управления. Spider-81 также оборудована несколькими выходными каналами вибровозбуждения и встроенной батареей резервного питания. Для подключения к ПК используется интерфейс Ethernet.
Spider-81 относят к четвертому поколению СУВ, так как в ней реализована основанная на Ethernet технология временной синхронизации IEEE 1588, позволяющая располагать систему управления на значительном удалении от главного ПК. Такая распределенная архитектура значительно снижает уровень шума и электрических помех. С одного ПК можно следить за работой множества систем управления, в том числе по сети Wi-Fi , если подключить беспроводной сетевой маршрутизатор.
Технология временной синхронизации IEEE 1588 позволяет синхронизировать системы управления в одной сети с точностью до 100 нс, что гарантирует межканальное согласование фаз в пределах ±1 на частотах до 20 кГц. Кабель синхронизации не требуется. Благодаря этой уникальной технологии и высокоскоростному интерфейсу Ethernet, распределенные компоненты, объединенные в сеть, действительно работают как единая, целостная система.

Принцип работы IEEE 1588

Протокол IEEE 1588 предназначен для синхронизации раздельно генерируемых тактовых сигналов в разных модулях внутри одной сети (рис. 10). Вкратце принцип его работы можно описать следующим образом. Сначала определяется наиболее точный тактовый сигнал (по алгоритму выбора наилучшего ведущего тактового сигнала), который назначается ведущим. Остальные тактовые сигналы становятся ведомыми. В рамках протокола IEEE 1588 каждый ведомый тактовый сигнал синхронизируется с ведущим для синхронизации всей системы.
Для синхронизации двух тактовых сигналов по протоколу IEEE 1588 необходимо рассчитать две неизвестных величины: смещение во времени между этими сигналами и задержку передачи сообщений между соответствующими тактовыми генераторами. Сначала ведущий тактовый генератор передает ведомому сообщение с временно́й меткой. Разница между временно́й меткой сообщения от ведущего тактового генератора и временем на ведомом тактовом генераторе равняется сумме временно́го смещения и задержки передачи.
Ведомый тактовый генератор корректирует свое время по временно́й метке полученного сообщения. После этого разница во времени между двумя тактовыми генераторами равняется лишь задержке передачи сообщений. Далее ведомый генератор передает сообщение с временно́й меткой ведущему, который отвечает еще одним сообщением с временно́й меткой. По задержке, с которой поступило сообщение от ведущего тактового генератора, ведомый генератор рассчитывает суммарную задержку в обоих направлениях. Затем он усредняет эти две задержки и синхронизирует свое время с ведущим тактовым генератором. После того как тактовые генераторы всех устройств в сети будут синхронизированы по протоколу IEEE 1588, можно легко синхронизировать тактовые генераторы выборки АЦП и ЦАП каждого модуля.

Сравнение архитектуры четырех поколений
Сравнение архитектуры четырех поколений СУВ приведено на рис. 11.

Роль ПК
В основе первого поколения систем управления лежали мини-компьютеры. Контур управления с обратной связью и пользовательские интерфейсы были реализованы на одном компьютере. Во втором поколении на смену мини-компьютеру пришел ПК, но он по-прежнему оставался частью контура управления. Поскольку данные передавались по шине ПК, любое ухудшение производительности ПК непосредственно сказывалось на производительности контура управления. В третьем поколении ПК был в большей степени изолирован от контура управления, по сути, играя роль интерфейса оператора к процессу управления.
В четвертом поколении высокоскоростной обмен данными и точная временная синхронизация осуществляются по локальной сети. ПК становится одним из доступных в локальной сети интерфейсов оператора. Пользователь может получать доступ к СУВ посредством ПК, беспроводного интерфейса, подвесного пульта управления, карманного компьютера или других устройств. Некоторые системы предыдущих поколений предусматривали работу в сети, но не проектировались изначально как высокоскоростные сетевые системы и поэтому проигрывали за счет невозможности субмикросекундной временной синхронизации.
Полноценная сетевая система управления обладает значительными преимуществами по сравнению с системами прошлых поколений. Ее можно разместить как вблизи от вибростенда, так и в аппаратной, на расстоянии нескольких сотен метров. ПК может использоваться для настройки испытательной установки или в качестве интерфейса оператора. В ходе испытания к СУВ можно обращаться с других устройств, например, как уже было сказано выше, со специального подвесного пульта управления или карманного компьютера.

Производительность в режиме реального времени
СУВ первого поколения не были настоящими системами реального времени, ведь для этого нужно было бы, чтобы каждый отсчет управляющих сигналов использовался для генерации следующего сигнала возбуждения. Для расчета передаточной функции системы мини-компьютерам обычно приходилось пропускать кадры входных данных. Поэтому цикл управления мог длиться несколько секунд.
СУВ второго поколения были уже полноценными системами реального времени. Все отсчеты входных сигналов использовались для расчета сигналов возбуждения, и длительность цикла управления могла составлять считанные доли секунды. Благодаря ПК был существенно усовершенствован пользовательский интерфейс, и производственные издержки снизились.
СУВ третьего поколения можно назвать системами «с опережением реального времени», поскольку они способны использовать одни и те же входные сигналы для выполнения нескольких задач. Например, в системе Dactron Random может одновременно выполняться несколько циклов управления для различных частотных диапазонов. В крайнем случае, при гармонической вибрации, наложенной на случайную, возможна параллельная работа двух ядер управления случайной вибрацией и двенадцати ядер управления гармонической вибрацией. Цикл управления может длиться всего несколько миллисекунд.
На производительность контура управления с обратной связью значительно влияют механические характеристики испытуемого изделия и динамический диапазон сигналов отклика. СУВ первых двух поколений были непригодны для некоторых применений, где требовались полоса пропускания в реальном времени шириной 5 кГц и динамический диапазон до 70 дБ. Ситуация изменилась с появлением систем третьего поколения. Благодаря применению процессоров с плавающей запятой и сигма-дельта-АЦП, полоса пропускания в реальном времени и динамический диапазон системы управления далеко превзошли те потребные значения, которые определялись внешними механическими требованиями к испытаниям и динамическим диапазоном преобразователей. С этого момента расширение полосы пропускания и динамического диапазона системы управления не обеспечивало каких-либо реальных выгод для пользователя.

Улучшенные алгоритмы
Применение усовершенствованной электроники и более быстрых процессоров позволило реализовать различные программные алгоритмы в последних поколениях систем управления. Вот несколько примеров.
• В системе управления вибрацией Dactron реализован остроумный метод фильтрации, значительно повышающий разрешающую способность по частоте в низкочастотной области при управлении случайной вибрацией. Этот метод называется «управление с множественным разрешением».
• В системе VR реализовано управление по эксцессу, позволяющее возбуждать случайную вибрацию с негауссовым распределением, более точно воспроизводящим измеренные характеристики реальных условий эксплуатации (транспортная тряска и т.д.).
• В системе Spectral Dynamics реализована более удачная форма АЧХ фильтра подсистемы управления гармонической вибрацией. Она обеспечивает лучшие характеристики в полосе пропускания фильтра при спектральном анализе по сравнению с прямоугольными окнами.
На данный момент первым и основным представителем последнего, четвертого, поколения систем является семейство систем Spider-80x/81/81b, которое имеет лучшие в своем классе характеристики, обладая самым широким динамическим диапазоном среди аналогов. Благодаря применению патентованных технологий, динамический диапазон модулей Spider по входу (определенный во временной области) достигает 130 дБ (см. статью «Динамический диапазон — понятие расплывчатое», журнал «Эксперт +», 2’2015), что устраняет необходимость менять коэффициент усиления входного каскада и без остановок проходить критические точки (резонансы), а синхронизация по протоколу IEEE 1588v2 обеспечивает высокую точность согласования всех каналов по фазе в частотной области.
Чтобы наглядно познакомиться с системой, провести сравнение с имеющимся оборудованием или попробовать реализовать новые методы измерений, можно обратиться в компанию «Диполь». Наши специалисты готовы ответить на вопросы и при необходимости организовать практический семинар и презентацию.