基于 Zynq+AD+DA 的振动台控制器测试与验证（四）

振动台系统测试与验证概述

本文围绕基于 Zynq+AD+DA 的振动台控制器展开，详细记录了从硬件平台搭建、参考波形的预处理，到实际运行测试与结果分析的完整过程。读者可以学习到如何在单自由度电液伺服振动台上实现高精度的位移、速度、加速度闭环控制，尤其是针对地震波等非标准参考信号的插值处理方法，以及通过上位机软件进行波形对比、失真度与相关系数计算的实际步骤。本文的目标是帮助研发人员快速复现实验流程，并为后续的控制算法优化提供可靠的基准数据。

5.1 测试平台

图 5.1 为本文使用的单自由度电液伺服振动台，其主要参数如表 5.1 所示。

该平台采用 Zynq UltraScale+ MPSoC 作为核心控制单元，内部集成了 AD（模数转换） 与 DA（数模转换） 模块，实现了高速采样与实时输出。电液伺服驱动器通过 闭环控制 将上位机下发的参考波形转化为对应的油压指令，从而驱动振动台的活塞完成精确的位移运动。平台的单自由度设计简化了动力学建模，使得我们能够聚焦于控制器的算法实现与波形质量评估。

5.2 数据预处理

本文所设计的控制器架构是较为通用的，运动波形可以是正弦波、随机波，也可以是地震波。在参考波形是地震波的试验中，需要对数据进行预处理。这里有两种情形均需要作预处理：一种是地震波数据只有加速度波形，而没有位移和速度波形，这时需要根据加速度来合成速度和位移，必要时还要做基线校准[50]；第二种情形是虽然位移、速度、加速度参考波形数据一应俱全，但频率较低、点数较少，比如每 5 ms 有一个点，这时就需要根据已有数据作插值。从地震数据库网站（https://esm-db.eu/）上下载的地震波大多都有位移、速度、加速度，但点数不够密集，属于第二种情形。故在实验之前先对地震波数据进行插值预处理，将其变为每 1 ms 一个参考点。

5.2.1 三次样条插值

三次样条插值是一种特殊类型的分段三次插值，它只在插值区间的端点比拉格朗日插值多两个边界条件，但在内节点处一、二阶导数连续，从而比分段埃尔米特三次插值更光滑[51]。在实际实现中，我们使用 SciPy 的 CubicSpline 接口完成插值，确保生成的位移、速度、加速度曲线在时间轴上保持 C² 连续性，这对于后续的控制器滤波与误差积分尤为重要。

5.2.2 插值效果

以罗马尼亚的一次地震波数据（地震编号 RO-1977-0001）为例，进行三次样条插值，其位移波形的插值结果如图 5.2 所示。

从图中可以看到，插值后位移曲线在原始稀疏点之间实现了平滑过渡，且没有出现明显的振荡或尖峰，这说明三次样条能够很好地保留原始信号的能量分布，同时提供足够的时间分辨率供控制器实时使用。

5.3 正弦波试验

5.3.1 实验设置

在验证控制器基本性能时，首先选取最常见的正弦波作为参考输入。实验参数设定为 频率 2 Hz、幅值 50 mm，对应的位移、速度、加速度参考波形均通过 Zynq 的 DAC 输出至电液驱动器。上位机软件实时采集实际响应，并在 GUI 中绘制参考与实际波形的对比。

5.3.2 正弦波试验结果

如图 5.3 为上位机实时显示的正弦波试验的运行效果，其中绿色为参考波形，红色为实际采集的波形。正弦波的频率为 2 Hz，幅值为 50 mm。上位机软件支持将波形数据导出保存，图 5.4 为上位机导出的波形数据的处理结果。

经过计算，位移波形谐波失真度为 0.02%，速度波形谐波失真度为 0.21%，加速度波形谐波失真度为 2.02%。位移波形相关系数为 99.86%，速度波形相关系数为 98.85%，加速度波形相关系数为 94.87%。其中考虑到振动试验中，一般时间偏移不会对材料或结构的测试产生实质性影响，故在计算相关系数时减去时滞量。

5.3.3 结果分析

谐波失真度：位移失真度仅为 0.02%，说明控制器在低频大幅位移下的跟踪误差极小；速度与加速度的失真度相对较高，这是因为微分运算放大了噪声和采样误差，尤其在加速度端表现更为明显。
相关系数：即使在考虑时滞后，相关系数仍保持在 95% 以上，表明整体波形形状基本一致。
时滞补偿：在实际工业振动测试中，常规做法是通过 相位补偿 或 预测控制 来抵消系统固有的时延，进一步提升高频响应的相位一致性。

5.4 小结与后续工作

本文通过 Zynq+AD+DA 平台完成了单自由度电液伺服振动台的完整测试链路，从地震波的预处理（包括基线校准与三次样条插值）到正弦波的闭环验证，均取得了满意的波形匹配结果。实验数据表明：

插值处理 能够有效提升稀疏地震波数据的时间分辨率，为后续的实时控制提供了可靠的参考信号。
正弦波测试 中的位移、速度、加速度失真度分别控制在 0.02%、0.21% 与 2.02% 以内，相关系数均超过 94%，验证了控制器的基本精度。
时滞影响 在相关系数计算中已被剔除，实际系统仍需通过软件补偿或硬件改进来进一步降低时延对高频测试的影响。

后续工作计划在以下几个方向继续深入：

多自由度平台：将当前单自由度控制算法扩展至二维或三维振动台，验证在耦合运动下的控制稳定性。
高频激励：针对加速度失真度偏高的问题，引入 自适应滤波 与 前馈补偿，提升高频段的相位跟踪能力。
实时数据流：利用 Zynq 的 PL（可编程逻辑） 加速采样与插值计算，实现毫秒级以下的波形生成与闭环控制。

通过上述改进，期望能够在工业振动测试、结构健康监测以及地震模拟等场景中提供更高的精度与可靠性。

本文基于 CSDN 原文整理，感谢原作者的技术分享。