CN106768756A - 一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法及系统，包括电动振动台以及振动控制器，所述振动控制器包括对数/线性频率生成器、正弦信号发生器、幅值控制模块、加速度传感器和幅值识别模块。利用加速度传感器测得电动振动台加速度响应信号；幅值识别模块辨识出加速度响应信号的幅值；将识别的振动台实际幅值与参考信号幅值进行比较，及时更新驱动信号幅值。幅值识别模块包括自适应陷波器和最小二乘拟合模块。自适应陷波器对输入的加速度响应信号进行滤波，降低宽带噪声的影响；对滤波后信号进行最小二乘拟合，得到振动台的实际幅值大小。本发明可以有效解决超低频控制下信噪比低、数据量少导致的幅值识别精度低的问题。

Description

一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法及系统

技术领域

本发明涉及振动试验控制领域，特别涉及一种超低频正弦扫频信号滤波与幅值识别方法及系统。

背景技术

正弦扫频振动测试是一类基本的环境与可靠性试验基本类型，对测试产品的动力学特性和保障产品的环境适应性及可靠性水平具有重要作用。传统的正弦扫频测试的频带范围是5～2000Hz，随着振动台和振动控制器技术水平的进步，目前国内外的电动台振动试验系统已经可以实现低至1～2Hz的低频起振。但是当需要进行0.1～1Hz的超低频振动试验时，振动传感器输出的加速度信号很小，而振动台及控制器的背景噪声较大，有用信号几乎完全“淹没”在噪声中，系统信噪比低；同时，基于振动台实时控制的安全要求，振动控制器控制回路时间越短越好，往往要求在10ms左右；而0.1～1Hz频率对应的周期长度是1～10s，因此10ms的控制回路时间只占1～10s周期长度的0.1％～1％。这意味着要利用10ms控制周期内采集到的0.1％～1％周期的正弦信号去准确辨识当前扫频信号对应频率的幅值，难度很大。

目前振动台在低频和中高频段分别采用位移和加速度反馈控制方式。申请号为201020543402的发明专利提供了一种超低频振动计量器具校准系统及其激光干涉仪，其使用激光干涉仪测量振动位移，精度高但价格昂贵。申请号为201210543553的发明专利提供了一种低频电磁振动台相对运动量的提取方法，其在电磁振动台驱动线圈串联一纯电阻，进行相关测量和计算可以得到振动台的相对位移或相对加速度信号，但需要额外的硬件设计。申请号为201510528682的发明专利提供了一种多维正弦振动控制方法及控制装置，在正弦信号频率低于60Hz时采用FFT幅值识别方式，大于60Hz时采用滤波器方式。这就需要两套信号检测装置，同时还存在控制方式转换的问题。

正弦扫频振动控制流程包括：产生一个正弦扫频信号输出来激励振动台，检测振动台输出信号幅值，比较检测到的幅值和参考幅值，然后适当的更新驱动信号幅值。幅值识别精度直接影响振动台的控制精度。为了测量振动台输出信号幅值，检测器可以使用一个跟踪滤波器，或者可以测量信号的均方跟、峰值或者平均值。这些方法主要针对频带范围在5～2000Hz的传统正弦扫频测试，在超低频情况下，幅值识别精度很低，无法满足振动控制对反馈信号的要求。

发明内容

本发明提出一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法及系统，其替代传统的跟踪滤波器、均方根、峰值、平均值幅值识别方法，可以有效解决超低频控制下信噪比低、数据量少导致的幅值识别精度低的问题。

本发明的技术方案是，

一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，包括以下步骤：

第一步，设定扫频参数

第二步，获取参考信号和电动振动台输出响应信号

设定的扫频参数输入到对数/线性频率生成器，对数/线性频率生成器生成随时间成对数/线性变化的频率信号即输出扫描频率f；扫描频率f输入到正弦信号发生器，正弦信号发生器进行相应的信号处理，输出正弦扫频信号sin(ωt)，正弦扫频信号sin(ωt)经比例放大得到参考信号Csin(ωt)；对参考信号Csin(ωt)进行90°相移得到另一路参考信号Ccos(ωt)。

在电动振动台上安装加速度传感器，通过加速度传感器测得电动振动台输出响应信号y(t)。

对电动振动台输出响应信号y(t)和两路参考信号Csin(ωt)、Ccos(ωt)同步采样，分别得到数字输入信号y(n)和参考信号x₁(n)、x₂(n)。

第三步，信号滤波

利用自适应陷波器进行滤波的实现过程为：

自适应陷波器的参考输入为

其中n＝1，2，3···m表示采样得到的数字信号的离散序列。

采用LMS自适应算法进行自适应滤波，滤波器权系数ω₁(n)、ω₂(n)修正过程为

其中μ为步长，控制修正的速度和精度；e(n)＝y(n)-y'(n)为估计误差。

通过自适应滤波器对数字输入信号y(n)进行滤波得到滤波后信号y'(n)，如下：

y'(n)＝ω₁(n)Csin(nω)+ω₂(n)Ccos(nω)

第四步，扫频信号幅值识别

自适应陷波器的输出信号y'(n)可以表示为正弦信号和白噪声s'(n)的和，即

其中，为正弦信号的相位，根据实际振动情况可为(0,2π)内的任意值。

展开得

对于每个时刻

表示成矩阵形式，则有

Y＝ΨQ+S

其中Y＝[y₁ y₂ ... y_m]^T

S＝[s'(n₁) s'(n₂) ... s'(n_m)]^T

其准则函数为

J＝S^TS＝(Y-ΨQ)^T(Y-ΨQ)

令模型参数Q的最小二乘解为

Q＝(Ψ^TΨ)^-1Ψ^TY

最终，可求得正弦信号的幅值

一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，包括电动振动台以及振动控制器，所述振动控制器包括对数/线性频率生成器、正弦信号发生器、幅值控制模块、加速度传感器和幅值识别模块。

设定的扫频参数输入到对数/线性频率生成器，对数/线性频率生成器生成随时间成对数/线性变化的频率信号即输出扫描频率f；扫描频率f输入到正弦信号发生器，正弦信号发生器进行相应的信号处理，输出正弦扫频信号sin(ωt)；正弦扫频信号sin(ωt)经比例放大模块进行比例放大得到参考信号Csin(ωt)。

幅值控制模块的输入为参考信号幅值r_A和幅值识别模块反馈过来的实际幅值A，将两者进行比较，更新驱动信号幅值u_A，生成驱动信号u_A sin(ωt)输出给电动振动台，控制电动振动台的振动。

所述加速度传感器安装在电动振动台上，测得电动振动台输出响应信号y(t)，并将该响应信号反馈至幅值识别模块。

幅值识别模块输入为参考信号Csin(ωt)和电动振动台输出响应信号y(t)，通过计算输出振动台实际幅值A并反馈给幅值控制模块。

进一步地，本发明所述幅值识别模块包括自适应陷波器和最小二乘拟合模块。电动振动台输出响应信号y(t)以及参考信号Csin(ωt)输入自适应陷波器，自适应陷波器对参考信号Csin(ωt)进行90°相移得到另一路参考信号Ccos(ωt)；对电动振动台输出响应信号y(t)和两路参考信号Csin(ωt)、Ccos(ωt)同步采样，得到数字输入信号y(n)和参考信号x₁(n)、x₂(n)；自适应陷波器通过LMS自适应算法对数字输入信号y(n)进行自适应滤波得到滤波后信号y'(n)。

最小二乘拟合模块对信号y'(n)进行最小二乘拟合得到电动振动台的实时幅值大小并反馈给幅值控制模块。

本发明采用LMS自适应陷波器可以跟踪信号频率进行滤波，最小二乘拟合可以得到非整周期信号幅值，两者结合解决了超低频信号的实时控制幅值识别问题。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为本发明的幅值识别模块原理图；

图3为本发明的自适应陷波器原理图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实施例提供的一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，包括电动振动台以及振动控制器，所述振动控制器包括对数/线性频率生成器、正弦信号发生器、幅值控制模块、加速度传感器和幅值识别模块。根据振动试验相关要求设定扫频参数，振动控制器产生控制信号u_A sin(ωt)控制电动振动台振动，加速度传感器测得电动振动台输出响应信号y(t)，其中混有白噪声干扰成分。电动振动台输出响应信号y(t)和参考信号Csin(ωt)反馈至幅值识别模块，通过计算得到信号幅值A，与参考幅值r_A进行比较，适当更新驱动信号幅值u_A。

设定的扫频参数输入到对数/线性频率生成器，对数/线性频率生成器生成随时间成对数/线性变化的频率信号即输出扫描频率f；扫描频率f输入到正弦信号发生器，正弦信号发生器进行相应的信号处理，输出正弦扫频信号sin(ωt)；正弦扫频信号sin(ωt)经模块C进行比例放大得到参考信号Csin(ωt)。模块C是一个增益环节，起到比例放大的作用，即将正弦信号发生器产生的信号sin(ωt)变为Csin(ωt)。

幅值控制模块的输入为参考信号幅值r_A和幅值识别模块反馈过来的实际幅值A，将两者进行比较，更新驱动信号幅值u_A，生成驱动信号u_A sin(ωt)输出给电动振动台，控制电动振动台的振动。

所述加速度传感器安装在电动振动台上，测得电动振动台输出响应信号y(t)，并将该响应信号反馈至幅值识别模块。

幅值识别模块输入为参考信号Csin(ωt)和电动振动台输出响应信号y(t)，通过计算输出振动台实际幅值A并反馈给幅值控制模块。

进一步地，本发明所述幅值识别模块包括自适应陷波器和最小二乘拟合模块。电动振动台输出响应信号y(t)以及参考信号Csin(ωt)输入自适应陷波器，自适应陷波器对参考信号Csin(ωt)进行90°相移得到另一路参考信号Ccos(ωt)；对电动振动台输出响应信号y(t)和两路参考信号Csin(ωt)、Ccos(ωt)同步采样，得到数字输入信号y(n)和参考信号x₁(n)、x₂(n)；自适应陷波器通过LMS自适应算法对数字输入信号y(n)进行自适应滤波得到滤波后信号y'(n)。

最小二乘拟合模块对信号y'(n)进行最小二乘拟合得到电动振动台的实时幅值大小并反馈给幅值控制模块。

自适应陷波器对输入的加速度响应信号进行滤波，降低宽带噪声的影响；对滤波后信号进行最小二乘拟合，得到振动台的实际幅值大小。本发明自适应陷波器可以有效跟踪扫频信号频率，进行滤波，提高信号的信噪比；最小二乘拟合方法可以在采集到的信号在0.1％～1％正弦周期的情况下准确识别信号的幅值，提高了超低频振动控制的精度。

基于上述的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，本发明还提供一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，包括以下步骤：

第一步，设定扫频参数

第二步，获取参考信号和电动振动台输出响应信号

设定的扫频参数输入到对数/线性频率生成器，对数/线性频率生成器生成随时间成对数/线性变化的频率信号即输出扫描频率f；扫描频率f输入到正弦信号发生器，正弦信号发生器进行相应的信号处理，输出正弦扫频信号sin(ωt)，正弦扫频信号sin(ωt)经比例放大得到参考信号Csin(ωt)；对参考信号Csin(ωt)进行90°相移得到另一路参考信号Ccos(ωt)。

在电动振动台上安装加速度传感器，通过加速度传感器测得电动振动台输出响应信号y(t)。

对电动振动台输出响应信号y(t)和两路参考信号Csin(ωt)、Ccos(ωt)同步采样，分别得到数字输入信号y(n)和参考信号x₁(n)、x₂(n)。

第三步，信号滤波。通过LMS自适应算法对输入信号y(n)进行滤波得到滤波后信号y'(n)。

利用自适应陷波器进行滤波的实现过程为：

本发明设计了一个具有两个自适应权系数的单一频率的自适应陷波器。自适应陷波器的参考输入为

其中n＝1，2，3···m表示采样得到的数字信号的离散序列，以下同理。

采用LMS自适应算法进行自适应滤波，滤波器权系数ω₁(n)、ω₂(n)修正过程为

其中μ为步长，控制修正的速度和精度；e(n)＝y(n)-y'(n)为估计误差。

通过自适应滤波器对数字输入信号y(n)进行滤波得到滤波后信号y'(n)，如下：

y'(n)＝ω₁(n)Csin(nω)+ω₂(n)Ccos(nω)

第四步，扫频信号幅值识别

最小二乘拟合幅值识别方法为：

自适应陷波器的输出信号y'(n)可以表示为正弦信号和白噪声s'(n)的和，即

其中，为正弦信号的相位。根据实际振动情况可为(0,2π)内的任意值。

展开得

对于每个时刻

表示成矩阵形式，则有

Y＝ΨQ+S

其中Y＝[y₁ y₂ ... y_m]^T

S＝[s'(n₁) s'(n₂) ... s'(n_m)]^T

其准则函数为

J＝S^TS＝(Y-ΨQ)^T(Y-ΨQ)

令模型参数Q的最小二乘解为

Q＝(Ψ^TΨ)^-1Ψ^TY

最终，可求得正弦信号的幅值

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (5)

1.一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，设定扫频参数；

第二步，获取参考信号和电动振动台输出响应信号；

设定的扫频参数输入到对数/线性频率生成器，对数/线性频率生成器生成随时间成对数/线性变化的频率信号即输出扫描频率f；扫描频率f输入到正弦信号发生器，正弦信号发生器进行相应的信号处理，输出正弦扫频信号sin(ωt)，正弦扫频信号sin(ωt)经比例放大得到参考信号C sin(ωt)；对参考信号C sin(ωt)进行90°相移得到另一路参考信号Ccos(ωt)；

在电动振动台上安装加速度传感器，通过加速度传感器测得电动振动台输出响应信号y(t)；

对电动振动台输出响应信号y(t)和两路参考信号C sin(ωt)、C cos(ωt)同步采样，分别得到数字输入信号y(n)和参考信号x₁(n)、x₂(n)；

第三步，信号滤波；

利用自适应陷波器进行滤波的实现过程为：

自适应陷波器的参考输入为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)=Csin\left(n\mathrm{\ω}\right)\\ x_2\left(n\right)=C\cos \left(n\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right.$

其中n＝1，2，3…m表示采样得到的数字信号的离散序列；

采用LMS自适应算法进行自适应滤波，滤波器权系数ω₁(n)、ω₂(n)修正过程为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1(n+1)={\mathrm{\ω}}_1\left(n\right)+2\mathrm{\μ}e\left(n\right)x_1\left(n\right)\\ {\mathrm{\ω}}_2(n+1)={\mathrm{\ω}}_2\left(n\right)+2\mathrm{\μ}e\left(n\right)x_2\left(n\right)\end{array}\right.$

其中μ为步长，控制修正的速度和精度；e(n)＝y(n)-y'(n)为估计误差；

通过自适应滤波器对数字输入信号y(n)进行滤波得到滤波后信号y'(n)，如下：

y'(n)＝ω₁(n)Csin(nω)+ω₂(n)Ccos(nω)

第四步，扫频信号幅值识别；

自适应陷波器的输出信号y'(n)可以表示为正弦信号和白噪声s'(n)的和，即

其中，为正弦信号的相位；

展开得

对于每个时刻

表示成矩阵形式，则有

Y＝ΨQ+S

其中Y＝[y₁ y₂ ... y_m]^T

$\mathrm{\Ψ}={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{sin\ωn}}_1& {\mathrm{sin\ωn}}_2& ...& {\mathrm{sin\ωn}}_m\\ {\mathrm{cos\ωn}}_1& {\mathrm{cos\ωn}}_2& ...& {\mathrm{cos\ωn}}_m\end{array}\right]}^T$

S＝[s'(n₁) s'(n₂) ... s'(n_m)]^T

其准则函数为

J＝S^TS＝(Y-ΨQ)^T(Y-ΨQ)

令模型参数Q的最小二乘解为

Q＝(Ψ^TΨ)^-1Ψ^TY

最终，可求得正弦信号的幅值

$A=\sqrt{q_1^2+q_2^2}.$

2.一种振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，其特征在于，包括电动振动台以及振动控制器，所述振动控制器包括对数/线性频率生成器、正弦信号发生器、幅值控制模块、加速度传感器和幅值识别模块；

设定的扫频参数输入到对数/线性频率生成器，对数/线性频率生成器生成随时间成对数/线性变化的频率信号即输出扫描频率f；扫描频率f输入到正弦信号发生器，正弦信号发生器进行相应的信号处理，输出正弦扫频信号sin(ωt)；正弦扫频信号sin(ωt)经比例放大模块进行比例放大得到参考信号Csin(ωt)；

幅值控制模块的输入为参考信号幅值r_A和幅值识别模块反馈过来的实际幅值A，将两者进行比较，更新驱动信号幅值u_A，生成驱动信号u_A sin(ωt)输出给电动振动台，控制电动振动台的振动；

所述加速度传感器安装在电动振动台上，测得电动振动台输出响应信号y(t)，并将该响应信号反馈至幅值识别模块；

幅值识别模块输入为参考信号Csin(ωt)和电动振动台输出响应信号y(t)，通过计算输出振动台实际幅值A并反馈给幅值控制模块。

3.根据权利要求2所述的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，其特征在于，所述幅值识别模块包括自适应陷波器和最小二乘拟合模块。

4.根据权利要求2所述的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，其特征在于，电动振动台输出响应信号y(t)以及参考信号Csin(ωt)输入自适应陷波器，自适应陷波器对参考信号Csin(ωt)进行90°相移得到另一路参考信号Ccos(ωt)；对电动振动台输出响应信号y(t)和两路参考信号Csin(ωt)、Ccos(ωt)同步采样，得到数字输入信号y(n)和参考信号x₁(n)、x₂(n)；自适应陷波器通过LMS自适应算法对数字输入信号y(n)进行自适应滤波得到滤波后信号y'(n)。

5.根据权利要求2所述的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，其特征在于，最小二乘拟合模块对信号y'(n)进行最小二乘拟合得到电动振动台的实时幅值大小并反馈给幅值控制模块。