一种非平稳随机振动试验控制方法技术

本发明专利技术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，通过本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。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。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，Vol.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.10No.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，No.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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：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，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1g，g表示单位重力加速度，均方根按照0s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。作为优选，所述步骤(2)中，所述频率分辨率的计算公式如下：Δf=fmaxL]]>其中，Δf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Δt是频率分辨率Δf的倒数。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：Hm=Hm-1+1m(H~m-Hm-1)]]>其中，表示m个样本中的样本，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；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：H(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。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：C‾new=(1Crms)·Cnew]]>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；再通过如下指数平均公式如下对控制谱进行指数平均：C‾n=θ·C‾new+(1-θ)C‾n-1]]>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/(DOF+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。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：log(D‾n+1)=log(D‾n)+KDOF·E‾n]]>E‾n=log(R‾/C‾n)]]>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，为参考功率谱，KDOF为误差修正系数，与自由度数相关。所述步骤(5)的步骤D中，驱动均方根本文档来自技高网...

【技术保护点】
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1g，g表示单位重力加速度，均方根按照0s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。...

【技术特征摘要】
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1g，g表示单位重力加速度，均方根按照0s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：Δf=fmaxL]]>其中，Δf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Δt是频率分辨率Δf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：Hm=Hm-1+1m(H~m-Hm-1)]]>其中，表示m个样本中的样本，Hm表示m个样本...

【专利技术属性】
技术研发人员：严侠，邓婷，李思忠，黎启胜，李晓琳，胡勇，师伟鹏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51