CN106546400B - 一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法,试验系统包括数字控制系统、数字信号发生与采集系统和振动试验系统;所述数字控制系统包括计算机及安装在计算机内的多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序;所述数字信号发生与采集系统包括控制模块、信号输出模块以及信号输入模块;所述振动试验系统为试验对象内容,主要包括激振装置、功率放大器、传感器、夹具、试验件等。本发明的多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法,能够实现非高斯分布振动环境试验,所提供的多输入多输出非高斯随机振动试验算法自闭环动态范围达到90dB。相对于以往的试验方法,试验过程仿真度更高,试验结果精确度大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及振动环境试验技术领域,具体是一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法。
背景技术
振动环境试验广泛应用于航空航天、军事装备、汽车及船舶等工程领域中。在振动环境试验中,宽带随机振动是最常使用的有效手段之一。大多数真实的振动环境往往是宽带随机振动,即振动频带分布在一个较宽的频率范围内。振动环境试验目的主要是在室内再现试件真实外场的振动环境。现有的多输入多输出随机振动试验是基于高斯分布假设,但多数真实的振动环境并不服从高斯分布。比如不平整的路面、风压风速、海浪等造成的振动环境通常是非高斯的。随着现代技术的发展,环境试验标准越来越高,因此多输入多输出非高斯随机振动试验成为当前研究发展的热门方向之一。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法,该试验系统和方法能够完成不服从高斯分布的振动环境试验。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统,包括数字控制系统、数字信号发生与采集系统和振动试验系统;所述数字控制系统包括计算机及安装在计算机内的多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序,主要执行人机用户交互界面,算法执行等功能;所述数字信号发生与采集系统包括控制模块、信号输出模块以及信号输入模块,所述控制模块通过信号输出模块和信号输入模块与所述计算机相连接;所述振动试验系统为试验对象,主要包括激振装置、功率放大器、传感器、夹具、试验件等。
其中,所述多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序的算法步骤如下:
11)定义控制点参考谱矩阵SRR和参考峭度KR,并对参考谱矩阵进行Cholesky分解,记为:
12)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱:
U=LP (2)
其中,U为下三角矩阵的高斯信号频谱;L为谱修正矩阵,初始的L可从LR复制;P为随机相位对角矩阵,对角元元素是θi为服从-π~π均匀分布的随机相位,n为控制点数目。
13)通过修正的零记忆变换方法计算一帧非高斯信号,其转换公式表示为:
其中y为需要转换的非高斯信号,x为转换前的高斯信号,K代表参考峭度值。修正的零记忆变换方法在迭代计算非高斯信号的同时重构非高斯信号的傅氏谱幅值,使之等于变换前高斯信号的傅氏谱幅值。对U作傅氏逆变换求得一帧时域高斯信号u,并用修正的零记忆变换方法对u进行变换得到满足要求的一帧非高斯时域信号un。
14)计算一帧耦合的驱动信号,表示为:
Dn=ZUn (4)
其中Dn为一帧耦合的非高斯驱动信号频谱;Z为对频响函数H求逆得到的矩阵;Un为对un作傅氏变换得到的一帧非高斯信号频谱。那么一帧驱动信号dn可以通过对Dn作傅氏逆变换得到。
15)重复以上步骤,对不断生成的dn进行加窗叠加,得到连续无限时间历程的耦合驱动信号。其中窗函数为Potter窗,叠加长度为50%。
16)驱动信号经由信号输出模块输出驱动控制对象振动。
17)利用加速度传感器和信号输入模块采集振动响应信号,并估计信号的功率谱和峭度,记为Syy和Ky,同时对控制谱矩阵Syy进行Cholesky分解,表示为:
18)计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵以及控制峭度与参考峭度之间的误差向量,记为:
19)判断误差矩阵阈值,若未达到试验控制目标,则进入步骤110),否则退出修正算法。
110)用矩阵幂次运算对谱修正矩阵L进行迭代修正,表示为:
其中,上标(k)表示迭代次数,当k=0时,L(0)=LR;ε为功率谱幂次修正系数,取0<ε≤1。峭度控制算法表示为:
其中,上标(k)表示迭代次数,当k=0时,K(0)=KR;η为峭度幂次修正系数,取0<η≤1。
111)将修正后的矩阵L和K,分别代回步骤12)和13)进行新的随机非高斯驱动信号计算。
利用上述试验系统进行多输入多输出非高斯随机振动试验的方法,包括以下步骤:
21)设置多输入多输出非高斯随机振动试验的试验条件和试验参数。
22)测试控制对象的频响函数矩阵,并计算频响函数矩阵的逆阵Z。
23)计算初始的时域驱动信号,通过信号输出模块加载到振动试验系统。
24)通过加速度传感器和信号输入模块采集控制对象控制点的加速度信号;对采集的信号传输到计算机进行分析,计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵和参考峭度与控制峭度之间的误差向量。
25)判断功率谱与峭度的误差阈值,若未达到试验控制条件,则进入迭代修正环节,否则退出修正算法。
进一步的,所述步骤21)中设置的试验条件和试验参数包括试验控制频带、谱线数、控制点功率谱。
本发明的多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法,能够同时对功率谱与峭度进行独立控制,实现非高斯分布振动环境试验,所提供的多输入多输出非高斯随机振动试验算法自闭环动态范围达到90dB。相对于以往的试验方法,试验过程仿真度更高,试验结果精确度大大提高。
附图说明
图1为本发明一个实施例的多输入多输出非高斯随机振动试验系统工作流程图;
图2为本发明一个实施例的多输入多输出非高斯随机振动试验算法流程框图;
图3为本发明一个实施例的多输入多输出非高斯随机振动试验系统结构示意图;
图4(a)至(c)为本发明一个实施例所设置的试验条件,其中图4(a)为X轴向的控制点功率谱参考谱曲线,图4(b)为Y轴向的控制点功率谱参考谱曲线,图4(c)为Z轴向的控制点功率谱参考谱曲线;
图5(a)至(c)为本发明一个实施例的三轴向非高斯随机振动试验功率谱控制效果图,其中图5(a)为X轴向控制点功率谱控制曲线,图5(b)为Y轴向控制点功率谱控制曲线,图5(c)为Z轴向控制点功率谱控制曲线;
图6(a)至(c)为本发明一个实施例的三轴向非高斯随机振动试验峭度控制效果图,其中图6(a)为X轴向控制点峭度控制曲线,图6(b)为Y轴向控制点峭度控制曲线,图6(c)为Z轴向控制点峭度控制曲线。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明提出的一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统及试验方法进行详细说明。
如图1所示,本发明的多输入多输出非高斯随机振动试验系统,包括数字控制系统①、数字信号发生与采集系统②和振动试验系统③。数字控制系统①由计算机来实现。计算机内安装多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序,主要执行人机用户交互界面,算法执行等功能。数字信号发生与采集系统②主要由与计算机相连接的控制模块,信号输出模块,信号输入模块组成。构建振动试验系统③为试验对象,主要包括激振装置,功率放大器,传感器,夹具,试验件等。
其中,如图2所示,所述多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序的算法步骤如下:
11)定义控制点参考谱矩阵SRR和参考峭度KR,并对参考谱矩阵进行Cholesky分解,记为:
12)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱:
U=LP (2)
其中,U为下三角矩阵的高斯信号频谱;L为谱修正矩阵,初始的L可从LR复制;P为随机相位对角矩阵,对角元元素是θi为服从-π~π均匀分布的随机相位,n为控制点数目。
13)通过修正的零记忆变换方法计算一帧非高斯信号,其转换公式表示为:
其中y为需要转换的非高斯信号,x为转换前的高斯信号,K代表参考峭度值。修正的零记忆变换方法在迭代计算非高斯信号的同时重构非高斯信号的傅氏谱幅值,使之等于变换前高斯信号的傅氏谱幅值。对U作傅氏逆变换求得一帧时域高斯信号u,并用修正的零记忆变换方法对u进行变换得到满足要求的一帧非高斯时域信号un。
14)计算一帧耦合的驱动信号,表示为:
Dn=ZUn (4)
其中Dn为一帧耦合的非高斯驱动信号频谱;Z为对频响函数H求逆得到的矩阵;Un为对un作傅氏变换得到的一帧非高斯信号频谱。那么一帧驱动信号dn可以通过对Dn作傅氏逆变换得到。
15)重复以上步骤,对不断生成的dn进行加窗叠加,得到连续无限时间历程的耦合驱动信号。其中窗函数为Potter窗,叠加长度为50%。
16)驱动信号经由信号输出模块输出驱动控制对象振动。
17)利用加速度传感器和信号输入模块采集振动响应信号,并估计信号的功率谱和峭度,记为Syy和Ky,同时对控制谱矩阵Syy进行Cholesky分解,表示为:
18)计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵以及控制峭度与参考峭度之间的误差向量,记为:
19)判断误差矩阵阈值,若未达到试验控制目标,则进入步骤110),否则退出修正算法。
110)用矩阵幂次运算对谱修正矩阵L进行迭代修正,表示为:
其中,上标(k)表示迭代次数,当k=0时,L(0)=LR;ε为功率谱幂次修正系数,取0<ε≤1。峭度控制算法表示为:
其中,上标(k)表示迭代次数,当k=0时,K(0)=KR;η为峭度幂次修正系数,取0<η≤1。
111)将修正后的矩阵L和K,分别代回步骤12)和13)进行新的随机非高斯驱动信号计算。
如图3所示,本发明的多输入多输出非高斯随机振动试验系统具体组成如下:
在本实例中信号采集处理模块采用美国VTI Instruments公司生产的16通道24位1024.4kSa/s带DSP和IEPE调理的VT1436数字化仪,信号输出模块采用美国VTIInstruments公司生产的4通道VT1434A任意波形发生器,VT1436和VT1434A装在该公司生产的E8408A 4槽便携式VXI主机箱内,同时采用该公司生产的EX2500LXI-VXI零槽控制器与上位控制计算机用以太网卡接口进行通讯。
控制对象由振动台、振动台功放和传感器组成。本实例中采用三轴向振动台和与之匹配的振动台功放,实现空间三个正交轴向XYZ同时激振,传感器采用PCB三轴向加速度传感器,测试振动台上试件底部的加速度振动响应信号。
利用上述试验系统进行多输入多输出非高斯随机振动试验的方法,包括以下步骤:
21)设置多输入多输出非高斯随机振动试验的试验条件和试验参数。本实例中设置试验控制频带为20Hz至2000Hz,谱线数400线。X轴向的控制点功率谱参考谱如图4(a)所示,Y轴向的控制点功率谱参考谱如图4(b)所示,Z轴向的控制点功率谱参考谱如图4(c)所示。X轴向的控制点参考峭度为2,Y轴向的控制点参考峭度为5,Z轴向的控制点参考峭度为6。试验控制要求是三个轴向的控制点功率谱误差不超出参考谱±3dB,三个轴向的控制点峭度不超出参考峭度±1。
22)测试控制对象的频响函数矩阵,并计算频响函数矩阵的逆阵。控制对象的频响函数矩阵可用估计方法离线测试,也可从先前的试验数据中导入。
23)开始试验。首先计算初始的时域驱动信号,通过VXI中输出模块加载到三轴向振动台系统上。
24)通过加速度传感器和VXI中输入模块采集控制对象的三个轴向上控制点的加速度信号。对采集的信号传输到计算机控制系统进行分析,计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵和参考峭度与控制峭度之间的误差向量。
25)判断功率谱与峭度的误差阈值,若未达到试验控制条件,则进入迭代修正环节,否则退出修正算法。在本实例中,功率谱幂次修正系数,峭度幂次修正系数。
本实例三轴向非高斯随机振动试验控制效果如图5(a)至(c)和图6(a)至(c)所示。图5(a)至(c)中最外侧的点划线表示参考谱的±6dB的误差限,次外侧虚线表示±3dB的误差限,中间的点虚线是参考谱线,实线是功率谱线,从图中可以看到,三个轴向的控制点功率谱的谱线都在参考谱的±3dB误差限内,功率谱的控制效果非常好。图6(a)至(c)为各轴向控制点峭度控制效果图,从图中可以看出约4次均衡后,响应峭度值被稳定地控制在参考值附近。
本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种多输入多输出非高斯随机振动试验系统,其特征在于,包括数字控制系统、数字信号发生与采集系统和振动试验系统;所述数字控制系统包括计算机及安装在计算机内的多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序;所述数字信号发生与采集系统包括控制模块、信号输出模块以及信号输入模块,所述控制模块通过信号输出模块和信号输入模块与所述计算机相连接;所述振动试验系统为试验对象,主要包括激振装置、功率放大器、传感器、夹具、试验件;
所述多输入多输出非高斯随机振动试验算法程序的算法步骤如下:
11)定义控制点参考谱矩阵SRR和参考峭度KR,并对参考谱矩阵进行Cholesky分解,记为:
12)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱:
U=LP (2)
其中,U为下三角矩阵的高斯信号频谱;L为谱修正矩阵,初始的L可从LR复制;P为随机相位对角矩阵,对角元元素是θi为服从-π~π均匀分布的随机相位,n为控制点数目;
13)通过修正的零记忆变换方法计算一帧非高斯信号,其转换公式表示为:
其中y为需要转换的非高斯信号,x为转换前的高斯信号,K代表参考峭度值;修正的零记忆变换方法在迭代计算非高斯信号的同时重构非高斯信号的傅氏谱幅值,使之等于变换前高斯信号的傅氏谱幅值;对U作傅氏逆变换求得一帧时域高斯信号u,并用修正的零记忆变换方法对u进行变换得到满足要求的一帧非高斯时域信号un;
14)计算一帧耦合的驱动信号,表示为:
Dn=ZUn (4)
其中Dn为一帧耦合的非高斯驱动信号频谱;Z为对频响函数H求逆得到的矩阵;Un为对un作傅氏变换得到的一帧非高斯信号频谱;那么一帧驱动信号dn可以通过对Dn作傅氏逆变换得到;
15)重复以上步骤,对不断生成的dn进行加窗叠加,得到连续无限时间历程的耦合驱动信号;其中窗函数为Potter窗,叠加长度为50%;
16)驱动信号经由信号输出模块输出驱动控制对象振动;
17)利用加速度传感器和信号输入模块采集振动响应信号,并估计信号的功率谱和峭度,记为Syy和Ky,同时对控制谱矩阵Syy进行Cholesky分解,表示为:
18)计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵以及控制峭度与参考峭度之间的误差向量,记为:
19)判断误差矩阵阈值,若未达到试验控制目标,则进入步骤110),否则退出修正算法;
110)用矩阵幂次运算对谱修正矩阵L进行迭代修正,表示为:
其中,上标(k)表示迭代次数,当k=0时,L(0)=LR;ε为功率谱幂次修正系数,取0<ε≤1;峭度控制算法表示为:
其中,上标(k)表示迭代次数,当k=0时,K(0)=KR;η为峭度幂次修正系数,取0<η≤1;
111)将修正后的矩阵L和K,分别代回步骤12)和13)进行新的随机非高斯驱动信号计算。
2.利用权利要求1所述的多输入多输出非高斯随机振动试验系统进行试验的方法,其特征在于,包括以下步骤:
21)设置多输入多输出非高斯随机振动试验的试验条件和试验参数;
22)测试控制对象的频响函数矩阵,并计算频响函数矩阵的逆阵Z;
23)计算初始的时域驱动信号,通过信号输出模块加载到振动试验系统;
24)通过加速度传感器和信号输入模块采集控制对象控制点的加速度信号;对采集的信号传输到计算机进行分析,计算控制谱和参考谱之间的误差矩阵和参考峭度与控制峭度之间的误差向量;
25)判断功率谱与峭度的误差阈值,若未达到试验控制条件,则进入迭代修正环节,否则退出修正算法。
3.根据权利要求2所述的试验方法,其特征在于,所述步骤21)中设置的试验条件和试验参数包括试验控制频带、谱线数、控制点功率谱。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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