CN105353789B - 连续振动信号时间历程复现控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续振动信号时间历程复现控制方法，通过设于控制系统内的软件实现，包括以下步骤：目标信号处理；系统自检；初始传递函数估算；时域振动控制：包括：实时发送当前的驱动帧数据；利用前一帧数据辨识系统传递函数，插值、更新传递函数；计算下一帧驱动信号。本发明在频域数字迭代控制基础之上，提出了一种更优的针对连续振动方式下的振动控制方法，通过采用时域控制方法，不仅控制稳定，且具有良好的振动时间历程复现控制精度，适用于连续随机、正弦等振动试验，能够更加真实的模拟如运输、飞行振动、机载、舰载的时间历程振动环境。

Description

连续振动信号时间历程复现控制方法

技术领域

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连续振动信号时间历程复现控制方法，尤其适用于道路运输模拟、机载振动模拟、武器飞行振动模拟及地震模拟等对连续振动信号时间历程精确复现的振动控制方面，属于自动控制技术领域。

背景技术

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，也是解决各种机械和结构振动问题的一个重要手段；另一方面，振动试验也是模拟各类振动工况场景的必要手段，如车辆、机车及高铁运输模拟，机载、舰载振动环境模拟，武器飞行振动环境以及地震模拟等许多场合。

对于振动环境模拟试验，通常的做法都是采用传统振动控制方式。对于连续振动环境模拟而言，通常都是以随机振动为主，而传统随机振动控制方法仅能实现对平稳随机时间历程信号的谱控制，针对非平稳随机或短时间随机振动只能采取统计和谱包络加严的方法转换成平稳随机振动试验来进行，这样的试验是对振动环境的近似模拟，通常会造成对试件或产品的过考核问题。另外，对于短时振动环境模拟，如地震、经典冲击、冲击响应谱等，传统控制器核心控制方法都是采用经典的频域数字迭代方法。试验过程中都是从低量级开始，进行多次预试验，最后到满量级试验，这样对试件或产品的考核明显存在过试验问题，以至于使得许多试验(如土模型的地震模拟)被迫采用模拟件作预试验或以损失控制精度来减少预迭代次数的方法，来解决过试验问题。

目前，振动控制器产品包括中国国内忆恒、腾振控制器，国际上的SD、DP和LMS控制器等所具有的振动控制功能，都是传统的振动控制功能包括随机、正弦、随机加正弦、随机加随机、经典冲击、冲击响应谱以及波形再现等，都不具备连续振动时间历程信号复现控制功能。另外，美国穆格公司在汽车测试试验领域处于国际领先水平，开发的道路模拟试验系统采用了连续振动时间历程信号模拟控制技术，但其核心算法封装于控制软件中没有对外公开，就其试验方法也需要进行初始迭代，无法推广应用。

经搜索专利文献资料，未见其他公开的关于连续振动信号时间历程复现控制方法的相关文献，更未见相关方法在实际工作中应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种连续振动信号时间历程复现控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种连续振动信号时间历程复现控制方法，通过设于控制系统内的软件实现，包括以下步骤：

(1)目标信号处理：分别采用随机信号生成和原始信号导入两种方式获得目标加速度信号或位移、速度信号，对获得的目标加速度信号采用加窗方式进行零起始零结束处理和滤波处理；在获得目标信号后，再将目标信号通过补零方式，保证总信号点数为单帧点数的整数倍；

(2)系统自检：发送目标信号的低量级信号并逐级升高，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；

(3)初始传递函数估算：根据频率范围，按照与目标信号相当量级的短时宽带随机信号直接进行系统初始传递函数估算；

(4)时域振动控制：按单帧数据进行实时处理，在单帧时间周期内分别完成以下步骤：A、实时发送当前的驱动帧数据；B、利用前一帧数据进行传递函数的估算、插值、更新；C、计算下一帧驱动信号。

作为优选，所述步骤(1)中，随机信号生成通过随机参考谱及真随机信号处理获得；原始信号导入采取直接读取或循环读取目标信号的方式获得。

所述步骤(3)中，初始传递函数估算公式如下：

上述公式中，表示m个样本中的样本，H_m表示m个样本做第m次线性平均所得的传递函数；H^-1(ω)表示辨识出的系统逆传递函数，表示相干函数补偿前的系统逆传递函数，γ(ω)为计算出的系统相干函数。

所述步骤(4)中，驱动信号计算中采用帧重叠法消除信号的截断误差问题；引入幅值误差阀值反馈修正法改善频域控制精度；采用非线性补偿因子法改善时域复现控制精度。

进一步，所述步骤(4)中，

传递函数的估算公式如下：

上述公式中，表示m个样本中的样本，H_m表示m个样本做第m次线性平均所得的传递函数；H^-1(ω)表示辨识出的系统逆传递函数，表示相干函数补偿前的系统逆传递函数，γ(ω)为计算出的系统相干函数；

传递函数更新公式如下：

H(k)＝m*H_new+(1-m)*H(k-1)

上式中，H_new表示当前辨识得到的传递函数，H(k)表示更新后的传递函数；

驱动信号计算公式如下：

上式中，α为非线性补偿因子，μ为修正系数，其值小于1，err_k-1(ω)为引入的反馈修正控制幅值谱误差，err(ω)为输出响应与目标信号的频谱差，其计算公式为：

err(ω)＝y(ω)-ref(ω)

引入幅值误差奇异点阀值，仅对误差奇异点修正，其修正公式为：

上式中，Δe为误差阀值，Δe＝0.2*ref_rms(ω)；

α的计算公式如下：

上式中，δ为非线性影响因子，取0.85～0.95；

单帧长度取为1s，设置单帧点数为L，每次计算点数为M，其值大于2L，设置向后重叠为Lh，向前重叠为Lq，则Lh＝M-Lq-L，Lq＝(M-L)/2，利用插值法将传递函数H(ω_i)拓展成M点数即H(ω_j)，其中j＝1,…,M；

驱动帧计算公式如下：

D_k(t)＝D_mk(n),n＝Lq,…,(M-Lh)

上式中，D_k(t)为实际输出的驱动帧，D_mk(t)为M点数下的驱动帧。

本发明的有益效果在于：

本发明在频域数字迭代控制基础之上，提出了一种更优的针对连续振动方式下的振动控制方法，通过采用时域控制方法，不仅控制稳定，且具有良好的振动时间历程复现控制精度，适用于连续随机、正弦等振动试验，能够更加真实的模拟如运输、飞行振动、机载、舰载的时间历程振动环境。

更具体来说，本复现控制方法利用在线辨识并更新系统传递函数，实时输出驱动信号，利用帧重叠技术解决截断误差问题，引入谱误差反馈修正和非线性补偿因子提高谱及均方根控制精度，同时也能获得时间历程信号的精确复现控制；相比传统的随机、正弦振动控制，本复现控制方法不仅能获得满意的幅值谱控制精度，而且相位也是受控的；本复现控制方法仅需初始的传递函数辨识，无需开展从低量级到高量级的预试验过程，优化了整个振动试验过程。

本复现控制方法不仅针对加速度信号控制，也可针对振动位移、振动速度等信号的复现控制；另外，本复现控制方法还具有使用硬件系统简洁、模块少、易于安装、维修方便等优点，非常适宜作为振动试验的控制装置。

附图说明

图1是本发明所述连续振动信号时间历程复现控制方法采用的控制系统的结构框图；

图2是本发明所述连续振动信号时间历程复现控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述连续振动信号时间历程复现控制方法采用的控制系统包括普通计算机、NI cRIO9033控制器、FPGA9269模拟输出模块(2路模拟输出通道)、FPGA9234模拟输入模块(4路差分输出通道)，普通计算机中有连续振动信号时间历程复现控制软件，用于用户操作和数据显示，FPGA9234模拟输入模块用于采集加速度传感器或位移传感器信号，并将信号传输到NI cRIO9033控制器中参与算法计算，计算并更新传递函数，计算驱动信号并重叠搭接，将获得的当前驱动帧信号，由FPGA9269模拟输出模块输出至被控对象，进行单帧步长的循环工作来实现连续振动工作。FPGA9269模拟输出模块、FPGA9234模拟输入模块安装在NI cRIO9033控制器的FPGA机箱的FPGA插槽内。

如图2所示，本发明所述连续振动信号时间历程复现控制方法，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：基本参数包括试验名称、日期、工作路径选择和备注等；波形参数设置包括采用频率、每帧点数、频率范围等；控制参数包括幅值误差阀值、非线性因子、修正系数；通道参数包括通道选择、控制方式、灵敏度系数；系统辨识参数包括信号长度、平均次数，更新权重；安全参数包括极限位移、极限速度、极限加速度和最大电压；

(2)目标信号处理：分别采用随机信号生成和原始信号导入两种方式获得目标加速度信号或位移、速度信号，随机信号生成通过随机参考谱及真随机信号处理获得，原始信号导入采取直接读取或循环读取目标信号的方式获得，对获得的目标加速度信号采用加窗方式进行零起始零结束处理和滤波处理；在获得目标信号后，再将目标信号通过补零方式，保证总信号点数为单帧点数的整数倍；

(2)系统自检：发送目标信号的低量级信号并逐级升高，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；

(3)初始传递函数估算：根据频率范围，按照与目标信号相当量级的短时宽带随机信号直接进行系统初始传递函数估算；

初始传递函数估算公式如下：

上述公式中，表示m个样本中的样本，H_m表示m个样本做第m次线性平均所得的传递函数；H^-1(ω)表示辨识出的系统逆传递函数，表示相干函数补偿前的系统逆传递函数，γ(ω)为计算出的系统相干函数；

(4)时域振动控制：按单帧数据进行实时处理，在单帧时间周期内分别完成以下步骤：A、实时发送当前的驱动帧数据；B、利用前一帧数据进行传递函数的估算、插值、更新；C、计算下一帧驱动信号；

其中，驱动信号计算中采用帧重叠法消除信号的截断误差问题；引入幅值误差阀值反馈修正法改善频域控制精度；采用非线性补偿因子法改善时域复现控制精度；

具体地，传递函数的估算公式如下：

上述公式中，表示m个样本中的样本，H_m表示m个样本做第m次线性平均所得的传递函数；H^-1(ω)表示辨识出的系统逆传递函数，表示相干函数补偿前的系统逆传递函数，γ(ω)为计算出的系统相干函数；

传递函数更新公式如下：

H(k)＝m*H_new+(1-m)*H(k-1)

上式中，H_new表示当前辨识得到的传递函数，H(k)表示更新后的传递函数；

驱动信号计算公式如下：

上式中，α为非线性补偿因子，μ为修正系数，其值小于1，err_k-1(ω)为引入的反馈修正控制幅值谱误差，err(ω)为输出响应与目标信号的频谱差，其计算公式为：

err(ω)＝y(ω)-ref(ω)

引入幅值误差奇异点阀值，仅对误差奇异点修正，其修正公式为：

上式中，Δe为误差阀值，Δe＝0.2*ref_rms(ω)；

α的计算公式如下：

上式中，δ为非线性影响因子，取0.85～0.95；

单帧长度取为1s，设置单帧点数为L，每次计算点数为M，其值大于2L，设置向后重叠为Lh，向前重叠为Lq，则Lh＝M-Lq-L，Lq＝(M-L)/2，利用插值法将传递函数H(ω_i)拓展成M点数即H(ω_j)，其中j＝1,…,M；

驱动帧计算公式如下：

D_k(t)＝D_mk(n),n＝Lq,…,(M-Lh)

上式中，D_k(t)为实际输出的驱动帧，D_mk(t)为M点数下的驱动帧。

说明：图2中的流程与上述连续振动信号时间历程复现控制方法的步骤和描述语言不是完全一一对应，但其内容是相互对应的，其中，上述步骤(4)是将多个步骤整合在一起的步骤。

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。

Claims (4)

1.一种连续振动信号时间历程复现控制方法，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)目标信号处理：分别采用随机信号生成和原始信号导入两种方式获得目标加速度信号或位移、速度信号，对获得的目标加速度信号采用加窗方式进行零起始零结束处理和滤波处理；在获得目标信号后，再将目标信号通过补零方式，保证总信号点数为单帧点数的整数倍；

(2)系统自检：发送目标信号的低量级信号并逐级升高，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；

(3)初始传递函数估算：根据频率范围，按照与目标信号相当量级的短时宽带随机信号直接进行系统初始传递函数估算；

(4)时域振动控制：按单帧数据进行实时处理，在单帧时间周期内分别完成以下步骤：A、实时发送当前的驱动帧数据；B、利用前一帧数据进行传递函数的估算、插值、更新；C、计算下一帧驱动信号。

2.根据权利要求1所述的连续振动信号时间历程复现控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，随机信号生成通过随机参考谱及真随机信号处理获得；原始信号导入采取直接读取或循环读取目标信号的方式获得。

3.根据权利要求1所述的连续振动信号时间历程复现控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，初始传递函数估算公式如下：

$H_m=H_{m-1}+\frac{1}{m}({\tilde{H}}_m-H_{m-1})$

$H^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)=H_m^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)*\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\ω}\right)$

上述公式中，表示m个样本中的样本，H_m表示m个样本做第m次线性平均所得的传递函数；H^-1(ω)表示辨识出的系统逆传递函数，表示相干函数补偿前的系统逆传递函数，γ(ω)为计算出的系统相干函数。

4.根据权利要求1所述的连续振动信号时间历程复现控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，驱动信号计算中采用帧重叠法消除信号的截断误差问题；引入幅值误差阀值反馈修正法改善频域控制精度；采用非线性补偿因子法改善时域复现控制精度。