一種非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，包括以下步驟：試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置；非平穩(wěn)隨機(jī)參考信號(hào)設(shè)置；系統(tǒng)自檢；傳遞函數(shù)辨識(shí)；單軸周期循環(huán)的振動(dòng)控制：在單幀時(shí)間周期內(nèi)分別完成以下步驟：計(jì)算歸一化控制功率譜；修正計(jì)算得到歸一化驅(qū)動(dòng)譜；對(duì)歸一化驅(qū)動(dòng)譜進(jìn)行相位隨機(jī)化與IFFT變換，并進(jìn)行幀搭接得到真隨機(jī)信號(hào)；計(jì)算更新得到當(dāng)前驅(qū)動(dòng)均方根增益；將驅(qū)動(dòng)均方根增益與搭接后的驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)相乘計(jì)算得到當(dāng)前幀的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。相比傳統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制，通過本發(fā)明專利技術(shù)不僅能獲得非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)滿意的譜形控制，而且非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)均方根也會(huì)穩(wěn)定受控地按照時(shí)間曲線變化，采用本控制方法來實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制是有效可行的。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種以電動(dòng)或液壓振動(dòng)臺(tái)(帶產(chǎn)品)、激振系統(tǒng)及激振器為控制對(duì)象的非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，尤其適用于以模擬運(yùn)載工具(包括地面、空中及海上的運(yùn)載工具)在不穩(wěn)定工況下的非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境為目的，而開展的產(chǎn)品功能性及可靠性考核振動(dòng)試驗(yàn)控制方面，屬于自動(dòng)控制

技術(shù)介紹
隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性，暴露結(jié)構(gòu)材料和工藝缺陷，分析機(jī)械振動(dòng)特性所必要的措施，是解決各種機(jī)械和結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題的一個(gè)重要手段；隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)也是軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)的必選項(xiàng)目之一，對(duì)產(chǎn)品的考核發(fā)揮了巨大的作用；另外，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)也是模擬各類振動(dòng)工況場景的必要手段，大多數(shù)振動(dòng)環(huán)境都是隨機(jī)振動(dòng)，如車輛、機(jī)車及高鐵運(yùn)輸，機(jī)載、艦載振動(dòng)環(huán)境以及武器飛行振動(dòng)環(huán)境等許多場合。隨機(jī)振動(dòng)按其統(tǒng)計(jì)特性又分為平穩(wěn)和非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)兩類。傳統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)都是采用具有高斯分布函數(shù)、各態(tài)歷經(jīng)性特性的平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)。針對(duì)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境模擬，傳統(tǒng)的做法是采取統(tǒng)計(jì)和譜包絡(luò)加嚴(yán)的方法將非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)近似等效為平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)來開展試驗(yàn)，是對(duì)振動(dòng)環(huán)境的一種近似模擬，對(duì)于試件的某些試驗(yàn)類型(例如環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)或耐久試驗(yàn))，該方法是可行的。但對(duì)于功能性或可靠性考核試驗(yàn)，這將會(huì)造成對(duì)真實(shí)環(huán)境模擬的差異較大而影響試驗(yàn)效果，對(duì)評(píng)估產(chǎn)品的功能性及可靠性帶來困難。隨著數(shù)字控制技術(shù)不斷發(fā)展和人們對(duì)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)認(rèn)識(shí)的深入，對(duì)于武器經(jīng)受的大多數(shù)運(yùn)載環(huán)境都存在非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)，諸如殲擊機(jī)格斗，汽車在不平的路面上行使，艦艇在深海況航行，武器的飛行過程等。就其對(duì)產(chǎn)品所造成的破壞而言，非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響絕不亞于平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)，平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)和非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)所激發(fā)出的產(chǎn)品故障模式也相差較遠(yuǎn)，用平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)來代替非平穩(wěn)隨機(jī)是不合理的。同時(shí)，由于在功能性和可靠性考核試驗(yàn)中對(duì)真實(shí)環(huán)境的模擬有更高的要求，迫切地需要開展非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)研究，以便提出一種非平穩(wěn)隨機(jī)試驗(yàn)控制方法，來解決非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)的環(huán)境模擬問題。目前，振動(dòng)控制器產(chǎn)品包括中國國內(nèi)的憶恒、騰振控制器，國際上的SD、DP和LMS控制器等所包含的隨機(jī)振動(dòng)控制功能，均是采用平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)控制方式，均不具有非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)控制功能。國內(nèi)在非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析及處理方面做了一定的研究，如文獻(xiàn)：《非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)功率譜分析》，金先龍，振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1990，Vol.3No.3:26-31；《車輛系統(tǒng)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)的瞬時(shí)功率譜》，劉剛等，1997，vol.10No.3:121-123，提出了瞬時(shí)功率譜隨時(shí)間的變化的方式來描述非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)；另外文獻(xiàn)：《局部平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)的處理和應(yīng)用》，何伯陽，系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1993，No.3:59-63，提出了用乘積模型來近似描述非平穩(wěn)隨機(jī)過程，該模型便于在時(shí)間域和頻率域進(jìn)行處理。而關(guān)于非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制文獻(xiàn)尚少。經(jīng)搜索專利和非專利文獻(xiàn)資料，未見公開的關(guān)于非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法的相關(guān)文獻(xiàn)，更未見相關(guān)產(chǎn)品在應(yīng)用中使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就在于為了解決上述問題而提供一種非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法。本專利技術(shù)通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：一種非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，通過設(shè)于控制系統(tǒng)內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：(1)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：基本參數(shù)包括但不限于試驗(yàn)名稱、日期、工作路徑選擇和備注，自檢參數(shù)包括但不限于自檢起始電壓、自檢量級(jí)和自檢最大電壓，控制參數(shù)包括但不限于譜線數(shù)、采樣頻率、頻率范圍，通道參數(shù)但不限于包括通道選擇、控制方式、靈敏度系數(shù)，系統(tǒng)辨識(shí)參數(shù)包括但不限于系統(tǒng)辨識(shí)量級(jí)、辨識(shí)信號(hào)幀數(shù)和平均次數(shù)，安全參數(shù)包括但不限于極限位移、極限速度、極限加速度和最大電壓；(2)非平穩(wěn)隨機(jī)參考信號(hào)設(shè)置：在頻率坐標(biāo)下，按照列表方式設(shè)置隨機(jī)信號(hào)參考功率譜，頻率坐標(biāo)的頻率刻度是頻率分辨率的整數(shù)倍；按均方根歸一化為1g，g表示單位重力加速度，均方根按照0s時(shí)刻即起始時(shí)刻至ns時(shí)刻即結(jié)束時(shí)刻，在時(shí)間坐標(biāo)下，按照列表方式設(shè)置隨機(jī)信號(hào)均方根的變化，時(shí)間坐標(biāo)的時(shí)間刻度是時(shí)間分辨率的整數(shù)倍；(3)系統(tǒng)自檢：按照自檢起始電壓，發(fā)送參考功率譜轉(zhuǎn)換得到的偽隨機(jī)信號(hào)并逐步升高，達(dá)到自檢量級(jí)，通過檢測系統(tǒng)的輸出，來判定系統(tǒng)是否工作正常，正常則進(jìn)入下一步驟，否則結(jié)束；(4)傳遞函數(shù)辨識(shí)：根據(jù)設(shè)置的辨識(shí)量級(jí)，利用參考功率譜轉(zhuǎn)換得到的偽隨機(jī)信號(hào)，并按照設(shè)置的信號(hào)幀數(shù)進(jìn)行幀搭接，直接進(jìn)行系統(tǒng)傳遞函數(shù)辨識(shí)；(5)單軸周期循環(huán)的振動(dòng)控制：根據(jù)辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)并求逆，計(jì)算出初始驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)，然后，按單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)處理，在單幀時(shí)間周期內(nèi)分別完成以下步驟：A、計(jì)算歸一化控制功率譜；B、利用參考功率譜與歸一化控制功率譜比較，修正計(jì)算得到歸一化驅(qū)動(dòng)譜；C、對(duì)歸一化驅(qū)動(dòng)譜進(jìn)行相位隨機(jī)化與IFFT變換，并進(jìn)行幀搭接得到真隨機(jī)信號(hào)；D、將參考均方根時(shí)間變化曲線與控制均方根進(jìn)行比例積分跟隨控制，計(jì)算更新得到當(dāng)前驅(qū)動(dòng)均方根增益；E、將驅(qū)動(dòng)均方根增益與搭接后的驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)相乘計(jì)算得到當(dāng)前幀的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。作為優(yōu)選，所述步驟(2)中，所述頻率分辨率的計(jì)算公式如下：Δf=fmaxL]]>其中，Δf表示頻率分辨率，fmax最高頻率，L表示譜線數(shù)；所述時(shí)間分辨率Δt是頻率分辨率Δf的倒數(shù)。所述步驟(4)中，通過以下線性平均公式處理傳遞函數(shù)以獲得更好的平滑效果：Hm=Hm-1+1m(H~m-Hm-1)]]>其中，表示m個(gè)樣本中的樣本，Hm表示m個(gè)樣本做第m次線性平均所得的傳遞函數(shù)，m為設(shè)置的平均次數(shù)；系統(tǒng)相干函數(shù)表示系統(tǒng)輸入與輸出的頻率相關(guān)程度，采用相干函數(shù)補(bǔ)償法來彌補(bǔ)系統(tǒng)較差的傳遞特性給振動(dòng)控制帶來的不利影響，最終計(jì)算的傳遞函數(shù)公式如下：H(ω)＝Hm(ω)*γ-1(ω)上式中，Hm(ω)表示m次平均后的傳遞函數(shù)，γ(ω)為計(jì)算出的系統(tǒng)相干函數(shù)。所述步驟(5)的步驟A的方法如下：對(duì)控制響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行單幀測量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗、FFT處理，再變換成功率譜，將得到的單幀控制功率譜進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算歸一化控制功率譜的方法如下：C‾new=(1Crms)·Cnew]]>上式中，表示當(dāng)前幀的歸一化控制功率譜，Cnew為當(dāng)前幀的控制功率譜，Crms為當(dāng)前幀功率譜的頻域均方根；再通過如下指數(shù)平均公式如下對(duì)控制譜進(jìn)行指數(shù)平均：C‾n=θ·C‾new+(1-θ)C‾n-1]]>上式中，表示上一幀的歸一化控制譜，為當(dāng)前幀的歸一化控制譜，為更新后的歸一化控制譜，θ為更新權(quán)系數(shù)，其大小與自由度數(shù)相關(guān)，θ＝16/(DOF+8)，DOF在8～200；最后對(duì)更新后的歸一化控制譜進(jìn)行4幀的算術(shù)平均處理。所述步驟(5)的步驟B中，修正計(jì)算得到歸一化驅(qū)動(dòng)譜的計(jì)算公式如下：log(D‾n+1)=log(D‾n)+KDOF·E‾n]]>E‾n=log(R‾/C‾n)]]>其中，表示當(dāng)前幀歸一化驅(qū)動(dòng)譜，表示下一幀歸一化驅(qū)動(dòng)譜，表示當(dāng)前幀歸一化驅(qū)動(dòng)譜的誤差，為參考功率譜，KDOF為誤差修正系數(shù)，與自由度數(shù)相關(guān)。所述步驟(5)的步驟D中，驅(qū)動(dòng)均方根本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，通過設(shè)于控制系統(tǒng)內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，其特征在于：包括以下步驟：(1)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：基本參數(shù)包括但不限于試驗(yàn)名稱、日期、工作路徑選擇和備注，自檢參數(shù)包括但不限于自檢起始電壓、自檢量級(jí)和自檢最大電壓，控制參數(shù)包括但不限于譜線數(shù)、采樣頻率、頻率范圍，通道參數(shù)但不限于包括通道選擇、控制方式、靈敏度系數(shù)，系統(tǒng)辨識(shí)參數(shù)包括但不限于系統(tǒng)辨識(shí)量級(jí)、辨識(shí)信號(hào)幀數(shù)和平均次數(shù)，安全參數(shù)包括但不限于極限位移、極限速度、極限加速度和最大電壓；(2)非平穩(wěn)隨機(jī)參考信號(hào)設(shè)置：在頻率坐標(biāo)下，按照列表方式設(shè)置隨機(jī)信號(hào)參考功率譜，頻率坐標(biāo)的頻率刻度是頻率分辨率的整數(shù)倍；按均方根歸一化為1g，g表示單位重力加速度，均方根按照0s時(shí)刻即起始時(shí)刻至ns時(shí)刻即結(jié)束時(shí)刻，在時(shí)間坐標(biāo)下，按照列表方式設(shè)置隨機(jī)信號(hào)均方根的變化，時(shí)間坐標(biāo)的時(shí)間刻度是時(shí)間分辨率的整數(shù)倍；(3)系統(tǒng)自檢：按照自檢起始電壓，發(fā)送參考功率譜轉(zhuǎn)換得到的偽隨機(jī)信號(hào)并逐步升高，達(dá)到自檢量級(jí)，通過檢測系統(tǒng)的輸出，來判定系統(tǒng)是否工作正常，正常則進(jìn)入下一步驟，否則結(jié)束；(4)傳遞函數(shù)辨識(shí)：根據(jù)設(shè)置的辨識(shí)量級(jí)，利用參考功率譜轉(zhuǎn)換得到的偽隨機(jī)信號(hào)，并按照設(shè)置的信號(hào)幀數(shù)進(jìn)行幀搭接，直接進(jìn)行系統(tǒng)傳遞函數(shù)辨識(shí)；(5)單軸周期循環(huán)的振動(dòng)控制：根據(jù)辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)并求逆，計(jì)算出初始驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)，然后，按單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)處理，在單幀時(shí)間周期內(nèi)分別完成以下步驟：A、計(jì)算歸一化控制功率譜；B、利用參考功率譜與歸一化控制功率譜比較，修正計(jì)算得到歸一化驅(qū)動(dòng)譜；C、對(duì)歸一化驅(qū)動(dòng)譜進(jìn)行相位隨機(jī)化與IFFT變換，并進(jìn)行幀搭接得到真隨機(jī)信號(hào)；D、將參考均方根時(shí)間變化曲線與控制均方根進(jìn)行比例積分跟隨控制，計(jì)算更新得到當(dāng)前驅(qū)動(dòng)均方根增益；E、將驅(qū)動(dòng)均方根增益與搭接后的驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)相乘計(jì)算得到當(dāng)前幀的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，通過設(shè)于控制系統(tǒng)內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，其特征在于：包括以下步驟：(1)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：基本參數(shù)包括但不限于試驗(yàn)名稱、日期、工作路徑選擇和備注，自檢參數(shù)包括但不限于自檢起始電壓、自檢量級(jí)和自檢最大電壓，控制參數(shù)包括但不限于譜線數(shù)、采樣頻率、頻率范圍，通道參數(shù)但不限于包括通道選擇、控制方式、靈敏度系數(shù)，系統(tǒng)辨識(shí)參數(shù)包括但不限于系統(tǒng)辨識(shí)量級(jí)、辨識(shí)信號(hào)幀數(shù)和平均次數(shù)，安全參數(shù)包括但不限于極限位移、極限速度、極限加速度和最大電壓；(2)非平穩(wěn)隨機(jī)參考信號(hào)設(shè)置：在頻率坐標(biāo)下，按照列表方式設(shè)置隨機(jī)信號(hào)參考功率譜，頻率坐標(biāo)的頻率刻度是頻率分辨率的整數(shù)倍；按均方根歸一化為1g，g表示單位重力加速度，均方根按照0s時(shí)刻即起始時(shí)刻至ns時(shí)刻即結(jié)束時(shí)刻，在時(shí)間坐標(biāo)下，按照列表方式設(shè)置隨機(jī)信號(hào)均方根的變化，時(shí)間坐標(biāo)的時(shí)間刻度是時(shí)間分辨率的整數(shù)倍；(3)系統(tǒng)自檢：按照自檢起始電壓，發(fā)送參考功率譜轉(zhuǎn)換得到的偽隨機(jī)信號(hào)并逐步升高，達(dá)到自檢量級(jí)，通過檢測系統(tǒng)的輸出，來判定系統(tǒng)是否工作正常，正常則進(jìn)入下一步驟，否則結(jié)束；(4)傳遞函數(shù)辨識(shí)：根據(jù)設(shè)置的辨識(shí)量級(jí)，利用參考功率譜轉(zhuǎn)換得到的偽隨機(jī)信號(hào)，并按照設(shè)置的信號(hào)幀數(shù)進(jìn)行幀搭接，直接進(jìn)行系統(tǒng)傳遞函數(shù)辨識(shí)；(5)單軸周期循環(huán)的振動(dòng)控制：根據(jù)辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)并求逆，計(jì)算出初始驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)，然后，按單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)處理，在單幀時(shí)間周期內(nèi)分別完成以下步驟：A、計(jì)算歸一化控制功率譜；B、利用參考功率譜與歸一化控制功率譜比較，修正計(jì)算得到歸一化驅(qū)動(dòng)譜；C、對(duì)歸一化驅(qū)動(dòng)譜進(jìn)行相位隨機(jī)化與IFFT變換，并進(jìn)行幀搭接得到真隨機(jī)信號(hào)；D、將參考均方根時(shí)間變化曲線與控制均方根進(jìn)行比例積分跟隨控制，計(jì)算更新得到當(dāng)前驅(qū)動(dòng)均方根增益；E、將驅(qū)動(dòng)均方根增益與搭接后的驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)相乘計(jì)算得到當(dāng)前幀的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，其特征在于：所述步驟(2)中，所述頻率分辨率的計(jì)算公式如下：Δf=fmaxL]]>其中，Δf表示頻率分辨率，fmax最高頻率，L表示譜線數(shù)；所述時(shí)間分辨率Δt是頻率分辨率Δf的倒數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制方法，其特征在于：所述步驟(4)中，通過以下線性平均公式處理傳遞函數(shù)以獲得更好的平滑效果：Hm=Hm-1+1m(H~m-Hm-1)]]>其中，表示m個(gè)樣本中的樣本，Hm表示m個(gè)樣本...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：嚴(yán)俠，鄧婷，李思忠，黎啟勝，李曉琳，胡勇，師偉鵬，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國工程物理研究院總體工程研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51