一种非平稳随机振动试验控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种非平稳随机振动试验控制方法，包括以下步骤：试验参数设置；非平稳随机参考信号设置；系统自检；传递函数辨识；单轴周期循环的振动控制：在单帧时间周期内分别完成以下步骤：计算归一化控制功率谱；修正计算得到归一化驱动谱；对归一化驱动谱进行相位随机化与IFFT变换，并进行帧搭接得到真随机信号；计算更新得到当前驱动均方根增益；将驱动均方根增益与搭接后的驱动帧数据相乘计算得到当前帧的驱动输出信号。相比传统的随机振动试验控制，通过本发明不仅能获得非平稳随机振动满意的谱形控制，而且非平稳随机信号均方根也会稳定受控地按照时间曲线变化，采用本控制方法来实现非平稳随机振动试验控制是有效可行的。
【专利说明】
一种非平稳随机振动试验控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种以电动或液压振动台（带产品）、激振系统及激振器为控制对象的 非平稳随机振动试验控制方法，尤其适用于以模拟运载工具(包括地面、空中及海上的运载 工具)在不稳定工况下的非平稳随机振动环境为目的，而开展的产品功能性及可靠性考核 振动试验控制方面，属于自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 随机振动试验是检验产品可靠性，暴露结构材料和工艺缺陷，分析机械振动特性 所必要的措施，是解决各种机械和结构振动问题的一个重要手段;随机振动试验也是军用 设备环境试验的必选项目之一，对产品的考核发挥了巨大的作用；另外，随机振动试验也是 模拟各类振动工况场景的必要手段，大多数振动环境都是随机振动，如车辆、机车及高铁运 输，机载、舰载振动环境以及武器飞行振动环境等许多场合。
[0003] 随机振动按其统计特性又分为平稳和非平稳随机振动两类。传统的随机振动试验 都是采用具有高斯分布函数、各态历经性特性的平稳随机振动。针对非平稳随机振动环境 模拟，传统的做法是采取统计和谱包络加严的方法将非平稳随机振动近似等效为平稳随机 振动来开展试验，是对振动环境的一种近似模拟，对于试件的某些试验类型(例如环境适应 性试验或耐久试验），该方法是可行的。但对于功能性或可靠性考核试验，这将会造成对真 实环境模拟的差异较大而影响试验效果，对评估产品的功能性及可靠性带来困难。随着数 字控制技术不断发展和人们对随机振动试验认识的深入，对于武器经受的大多数运载环境 都存在非平稳随机振动，诸如歼击机格斗，汽车在不平的路面上行使，舰艇在深海况航行， 武器的飞行过程等。就其对产品所造成的破坏而言，非平稳随机振动对产品的影响绝不亚 于平稳随机振动，平稳随机振动和非平稳随机振动所激发出的产品故障模式也相差较远， 用平稳随机振动来代替非平稳随机是不合理的。同时，由于在功能性和可靠性考核试验中 对真实环境的模拟有更高的要求，迫切地需要开展非平稳随机振动试验技术研究，以便提 出一种非平稳随机试验控制方法，来解决非平稳随机振动的环境模拟问题。
[0004] 目前，振动控制器产品包括中国国内的忆恒、腾振控制器，国际上的SD、DP和LMS控 制器等所包含的随机振动控制功能，均是采用平稳随机振动控制方式，均不具有非平稳随 机振动控制功能。国内在非平稳随机振动信号分析及处理方面做了一定的研究，如文献： 《非平稳随机振动信号的瞬时功率谱分析》，金先龙，振动工程学报，1990，Vo 1.3No . 3: 26-31;《车辆系统非平稳随机振动的瞬时功率谱》，刘刚等，1997，vol. ΙΟΝο. 3:121-123，提出了 瞬时功率谱随时间的变化的方式来描述非平稳随机信号；另外文献:《局部平稳随机振动的 处理和应用》，何伯阳，系统工程与电子技术，1993，N 〇. 3:59-63,提出了用乘积模型来近似 描述非平稳随机过程，该模型便于在时间域和频率域进行处理。而关于非平稳随机振动试 验控制文献尚少。
[0005] 经搜索专利和非专利文献资料，未见公开的关于非平稳随机振动试验控制方法的 相关文献，更未见相关产品在应用中使用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种非平稳随机振动试验控制方 法。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0008] -种非平稳随机振动试验控制方法，通过设于控制系统内的软件实现，包括以下 步骤：
[0009] (1)试验参数设置:基本参数包括但不限于试验名称、日期、工作路径选择和备注， 自检参数包括但不限于自检起始电压、自检量级和自检最大电压，控制参数包括但不限于 谱线数、采样频率、频率范围，通道参数但不限于包括通道选择、控制方式、灵敏度系数，系 统辨识参数包括但不限于系统辨识量级、辨识信号帧数和平均次数，安全参数包括但不限 于极限位移、极限速度、极限加速度和最大电压；
[0010] (2)非平稳随机参考信号设置:在频率坐标下，按照列表方式设置随机信号参考功 率谱，频率坐标的频率刻度是频率分辨率的整数倍;按均方根归一化为lg，g表示单位重力 加速度，均方根按照〇s时刻即起始时刻至ns时刻即结束时刻，在时间坐标下，按照列表方式 设置随机信号均方根的变化，时间坐标的时间刻度是时间分辨率的整数倍；
[0011] (3)系统自检:按照自检起始电压，发送参考功率谱转换得到的伪随机信号并逐步 升高，达到自检量级，通过检测系统的输出，来判定系统是否工作正常，正常则进入下一步 骤，否则结束；
[0012] (4)传递函数辨识:根据设置的辨识量级，利用参考功率谱转换得到的伪随机信 号，并按照设置的信号帧数进行帧搭接，直接进行系统传递函数辨识；
[0013] (5)单轴周期循环的振动控制:根据辨识得到的传递函数并求逆，计算出初始驱动 帧数据，然后，按单帧数据进行实时循环处理，在单帧时间周期内分别完成以下步骤:A、计 算归一化控制功率谱;B、利用参考功率谱与归一化控制功率谱比较，修正计算得到归一化 驱动谱;C、对归一化驱动谱进行相位随机化与IFFT变换，并进行帧搭接得到真随机信号;D、 将参考均方根时间变化曲线与控制均方根进行比例积分跟随控制，计算更新得到当前驱动 均方根增益;E、将驱动均方根增益与搭接后的驱动帧数据相乘计算得到当前帧的驱动输出 信号。
[0014] 作为优选，所述步骤(2)中，所述频率分辨率的计算公式如下：
[0016] 其中，△ f表示频率分辨率，fmax最高频率，L表示谱线数；
[0017] 所述时间分辨率Δ t是频率分辨率Δ f的倒数。
[0018] 所述步骤(4)中，通过以下线性平均公式处理传递函数以获得更好的平滑效果：
[0020]其中，互,"表示m个样本及,+ 〇· = 1，2.··，浓）中的样本，Hm表示m个样本做第m次线性平 均所得的传递函数，m为设置的平均次数；
[0021] 系统相干函数表示系统输入与输出的频率相关程度，采用相干函数补偿法来弥补 系统较差的传递特性给振动控制带来的不利影响，最终计算的传递函数公式如下：
[0022] Η( ω ) =Hm( ω )* γ _1( ω )
[0023] 上式中，Hm( ω )表示m次平均后的传递函数，γ ( ω )为计算出的系统相干函数。 [0024]所述步骤(5)的步骤Α的方法如下：
[0025]对控制响应信号进行单帧测量，并对信号进行加窗、FFT处理，再变换成功率谱，将 得到的单帧控制功率谱进行归一化处理，计算归一化控制功率谱的方法如下：
[0027]上式中，表示当前帧的归一化控制功率谱，Cnew为当前帧的控制功率谱，Crms为 当前帧功率谱的频域均方根；
[0028] 再通过如下指数平均公式如下对控制谱进行指数平均：
[0030] 上式中，表示上一帧的归一化控制谱，为当前帧的归一化控制谱，匕为 更新后的归一化控制谱，Θ为更新权系数，其大小与自由度数相关，Θ = 16/(D0F+8)，D0F在8 ~200;
[0031] 最后对更新后的归一化控制谱进行4帧的算术平均处理。
[0032] 所述步骤(5)的步骤B中，修正计算得到归一化驱动谱的计算公式如下：
[0035] 其中，&表示当前帧归一化驱动谱，表示下一帧归一化驱动谱，&表示当前 帧归一化驱动谱的误差，及为参考功率谱，KDQF为误差修正系数，与自由度数相关。
[0036] 所述步骤(5)的步骤D中，驱动均方根增益u(n)的计算公式如下：
[0038] e(n) =Rrms(n)-Crms(n)
[0039] 其中，kP为比例系数：
为积分系数，e(n)为均方根误差，Rrms(n)为当前时刻的 参考均方根，Crms (η)为当前帧功率谱的频域均方根。
[0040] 本发明的有益效果在于：
[0041] 本发明在传统随机振动试验控制方法基础之上，提出的一种针对非平稳随机连续 振动方式下的振动控制方法，首先，设置归一化的非平稳随机参考谱，同时设置非平稳随机 参考均方根的随时间变化曲线，然后，开展控制对象的传递函数辨识，获得系统传递函数并 求逆，最后，根据归一化参考谱和归一化控制谱实时修正得到更新后的归一化驱动谱，驱动 谱相位随机化与IFFT变换并进行帧搭接，同时根据参考均方根随时间的变化曲线，引入比 例积分跟随控制即PI跟随控制，实时获得驱动信号的均方根增益，利用归一化驱动帧搭接 数据和驱动信号均方根增益乘积，更新输出驱动信号。
[0042] 相比传统的随机振动试验控制，通过本发明不仅能获得非平稳随机振动满意的谱 形控制，而且非平稳随机信号均方根也会稳定受控地按照时间曲线变化，本控制方法将非 平稳随机振动过程近似为一个均方根和功率谱的乘积模型，其中均方根随时间变化反应了 非平稳随机振动过程随时间的能量变化过程;功率谱形不变，表明在整个振动过程中的频 率特性基本维持稳定，这与真实的运载振动环境工况非常接近，当均方根不随时间变化时， 该非平稳随机振动即为平稳随机振动。因此，采用本控制方法来实现非平稳随机振动试验 控制是有效可行的，能够更加真实地模拟车辆、机车及高铁运输，以及机载、舰载振动环境 以及武器飞行振动环境等非平稳随机振动环境。
【附图说明】
[0043] 图1是本发明所述非平稳随机振动试验控制方法采用的控制系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0045] 如图1所示，本发明所述非平稳随机振动试验控制方法采用的控制系统包括普通 计算机、PXI 8880控制器、PXI 6221多功能输入输出卡(含2路模拟输出、8路模拟输入）。普 通计算机中有非平稳随机振动试验控制软件，用于用户操作和数据显示，PXI 6221多功能 输入输出卡用于采集多路控制点加速度传感器，并将信号传输到PXI8880控制器中参与算 法计算，计算传递函数，计算并更新驱动信号并搭接，再乘上驱动均方根增益，将获得的当 前驱动帧信号，由PXI 6221模拟输出通道输出至被控对象，按照单帧周期循环工作来实现 非平稳随机连续振动。PXI 6221和PXI 8880控制器安装在PXI 1071控制器机箱的总线插槽 内。
[0046] 本发明所述非平稳随机振动试验控制方法，通过设于控制系统内的软件实现，包 括以下步骤：
[0047] (1)试验参数设置:基本参数包括但不限于试验名称、日期、工作路径选择和备注， 自检参数包括但不限于自检起始电压、自检量级和自检最大电压，控制参数包括但不限于 谱线数、采样频率、频率范围，通道参数但不限于包括通道选择、控制方式、灵敏度系数，系 统辨识参数包括但不限于系统辨识量级、辨识信号帧数和平均次数，安全参数包括但不限 于极限位移、极限速度、极限加速度和最大电压；
[0048] (2)非平稳随机参考信号设置:在频率坐标下，按照列表方式设置随机信号参考功 率谱，频率坐标的频率刻度是频率分辨率的整数倍;按均方根归一化为lg，g表示单位重力 加速度，均方根按照〇s时刻即起始时刻至ns时刻即结束时刻，在时间坐标下，按照列表方式 设置随机信号均方根的变化，时间坐标的时间刻度是时间分辨率的整数倍;所述频率分辨 率的计算公式如下：
[0050]其中，△ f表示频率分辨率，fmax最高频率，L表示谱线数；
[0051 ]所述时间分辨率△ t是频率分辨率△ f的倒数；
[0052] (3)系统自检:按照自检起始电压，发送参考功率谱转换得到的伪随机信号并逐步 升高，达到自检量级，通过检测系统的输出，来判定系统是否工作正常，正常则进入下一步 骤，否则结束；
[0053] (4)传递函数辨识:根据设置的辨识量级，利用参考功率谱转换得到的伪随机信 号，并按照设置的信号帧数进行帧搭接，直接进行系统传递函数辨识;本步骤中，通过以下 线性平均公式处理传递函数以获得更好的平滑效果：
[0055]其中，异表示m个样本瓦·〇· = 1，2.··,/?)中的样本，表示m个样本做第m次线性平 均所得的传递函数，m为设置的平均次数；
[0056] 系统相干函数表示系统输入与输出的频率相关程度，采用相干函数补偿法来弥补 系统较差的传递特性给振动控制带来的不利影响，最终计算的传递函数公式如下：
[0057] Η( ω ) =Hm( ω )* γ _1( ω )
[0058] 上式中，Hm( ω )表示m次平均后的传递函数，γ ( ω )为计算出的系统相干函数；
[0059] (5)单轴周期循环的振动控制:根据辨识得到的传递函数并求逆，计算出初始驱动 帧数据，然后，按单帧数据进行实时循环处理，在单帧时间周期内分别完成以下步骤:Α、计 算归一化控制功率谱;Β、利用参考功率谱与归一化控制功率谱比较，修正计算得到归一化 驱动谱;C、对归一化驱动谱进行相位随机化与IFFT变换，IFFT变换即离散傅里叶逆变换，并 进行帧搭接得到真随机信号;D、将参考均方根时间变化曲线与控制均方根进行比例积分跟 随控制，计算更新得到当前驱动均方根增益;Ε、将驱动均方根增益与搭接后的驱动帧数据 相乘计算得到当前帧的驱动输出信号；
[0060] 上述步骤(5)中，步骤Α的方法如下：
[00611对控制响应信号进行单帧测量，并对信号进行加窗、FFT处理，FFT即快速傅里叶变 换，再变换成功率谱，将得到的单帧控制功率谱进行归一化处理，计算归一化控制功率谱的 方法如下：
[0063] 上式中，表示当前帧的归一化控制功率谱，Cnew为当前帧的控制功率谱，Crms为 当前帧功率谱的频域均方根；
[0064] 再通过如下指数平均公式如下对控制谱进行指数平均：
[0066] 上式中，亡表示上一帧的归一化控制谱，为当前帧的归一化控制谱，ζ为更 新后的归一化控制谱，Θ为更新权系数，其大小与自由度数相关，Θ = 16/(D0F+8)，D0F在8~ 200；
[0067] 最后对更新后的归一化控制谱进行4帧的算术平均处理；
[0068] 所述步骤(5)的步骤Β中，修正计算得到归一化驱动谱的计算公式如下：
[0071] 其中，&表示当前帧归一化驱动谱，A+i表示下一帧归一化驱动谱，%表示当前 帧归一化驱动谱的误差，f为参考功率谱，KDQF为误差修正系数，与自由度数相关；
[0072] 所述步骤(5)的步骤D中，驱动均方根增益u(n)的计算公式如下：
[0074] e(n) =Rrms(n)-Crms(n)
[0075] 其中，kP为比例系数，
为积分系数，e(n)为均方根误差，Rrms(n)为当前时刻的 参考均方根，Crms (η)为当前帧功率谱的频域均方根。
[0076] 上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是 不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利 的权利保护范围内。
【主权项】
1. 一种非平稳随机振动试验控制方法，通过设于控制系统内的软件实现，其特征在于： 包括以下步骤： (1) 试验参数设置:基本参数包括但不限于试验名称、日期、工作路径选择和备注，自检 参数包括但不限于自检起始电压、自检量级和自检最大电压，控制参数包括但不限于谱线 数、采样频率、频率范围，通道参数但不限于包括通道选择、控制方式、灵敏度系数，系统辨 识参数包括但不限于系统辨识量级、辨识信号帧数和平均次数，安全参数包括但不限于极 限位移、极限速度、极限加速度和最大电压； (2) 非平稳随机参考信号设置：在频率坐标下，按照列表方式设置随机信号参考功率 谱，频率坐标的频率刻度是频率分辨率的整数倍;按均方根归一化为lg，g表示单位重力加 速度，均方根按照Os时刻即起始时刻至ns时刻即结束时刻，在时间坐标下，按照列表方式设 置随机信号均方根的变化，时间坐标的时间刻度是时间分辨率的整数倍； (3) 系统自检：按照自检起始电压，发送参考功率谱转换得到的伪随机信号并逐步升 高，达到自检量级，通过检测系统的输出，来判定系统是否工作正常，正常则进入下一步骤， 否则结束； (4) 传递函数辨识:根据设置的辨识量级，利用参考功率谱转换得到的伪随机信号，并 按照设置的信号帧数进行帧搭接，直接进行系统传递函数辨识； (5) 单轴周期循环的振动控制:根据辨识得到的传递函数并求逆，计算出初始驱动帧数 据，然后，按单帧数据进行实时循环处理，在单帧时间周期内分别完成以下步骤:A、计算归 一化控制功率谱;B、利用参考功率谱与归一化控制功率谱比较，修正计算得到归一化驱动 谱;C、对归一化驱动谱进行相位随机化与IFFT变换，并进行帧搭接得到真随机信号;D、将参 考均方根时间变化曲线与控制均方根进行比例积分跟随控制，计算更新得到当前驱动均方 根增益;E、将驱动均方根增益与搭接后的驱动帧数据相乘计算得到当前帧的驱动输出信 号。2. 根据权利要求1所述的非平稳随机振动试验控制方法，其特征在于:所述步骤(2)中， 所述频率分辨率的计算公式如下：其中，A f表示频率分辨率，fmax最高频率，L表示谱线数； 所述时间分辨率△ t是频率分辨率△ f的倒数。3. 根据权利要求1所述的非平稳随机振动试验控制方法，其特征在于:所述步骤(4)中， 通过以下线性平均公式处理传递函数以获得更好的平滑效果：其中，及m表示m个样本呑;0 = 1，2· · ·,?〇中的样本，化表示m个样本做第m次线性平均所 得的传递函数，m为设置的平均次数； 系统相干函数表示系统输入与输出的频率相关程度，采用相干函数补偿法来弥补系统 较差的传递特性给振动控制带来的不利影响，最终计算的传递函数公式如下： Η( ω )=Hm( ω )*γ_1( ω ) 上式中，Hm( ω )表示m次平均后的传递函数，γ ( ω )为计算出的系统相干函数。4. 根据权利要求1所述的非平稳随机振动试验控制方法，其特征在于:所述步骤(5)的 步骤A的方法如下： 对控制响应信号进行单帧测量，并对信号进行加窗、FFT处理，再变换成功率谱，将得到 的单帧控制功率谱进行归一化处理，计算归一化控制功率谱的方法如下：上式中，表示当前帧的归一化控制功率谱，Cne3W为当前帧的控制功率谱，Crms为当前 帧功率谱的频域均方根； 再通过如下指数平均公式如下对控制谱进行指数平均：上式中，表示上一帧的归一化控制谱，为当前帧的归一化控制谱，^为更新后 的归一化控制谱，Θ为更新权系数，其大小与自由度数相关，Θ = 16/(D0F+8)，DOF在8~200; 最后对更新后的归一化控制谱进行4帧的算术平均处理。5. 根据权利要求1所述的非平稳随机振动试验控制方法，其特征在于:所述步骤(5)的 步骤B中，修正计算得到归一化驱动谱的计算公式如下：其中，表示当前帧归一化驰动谱，表不卜一帧归一化驰动谱，表示当前帧归 一化驱动谱的误差，犮为参考功率谱，Kdof为误差修正系数，与自由度数相关。6. 根据权利要求1所述的非平稳随机振动试验控制方法，其特征在于:所述步骤(5)的 步骤D中，驱动均方根增益u(n)的计算公式如下： θ (π ) - Rrms (H ) -Crms (H )其中，kP为比例系数，& f为积分系数，e(η)为均方根误差，Rrms (η)为当前时刻的参考 均方根，Crms (η)为当前帧功率谱的频域均方根。
【文档编号】G05B13/02GK105867115SQ201610264705
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】严侠, 邓婷, 李思忠, 黎启胜, 李晓琳, 胡勇, 师伟鹏
【申请人】中国工程物理研究院总体工程研究所