CN106768757B - 基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法 - Google Patents

基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，首先通过振动台上安装的振动传感器采集得到振动台振动信号即振动台扫频信号，然后将采集到的振动台扫频信号经低通滤波器抗混叠滤波后滤除其中的高频成分。通过变采样率采样的方法得到等相位间隔的振动台扫频信号。最后采用最小二乘拟合幅值识别方法实现扫频信号幅值识别。本发明采用变采样率采样方法将时变的正弦扫频信号变为标准正弦信号，便于对信号进行分析处理；最小二乘拟合可以得到非整周期信号幅值，保证了振动控制的实时性要求。两者结合解决了超低频正弦扫频信号幅值识别存在的时变和非整周期的问题。

Description

基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别 方法
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
产品在运输、存储和使用过程中，有时会遇到很低的振动频率，如地震、舰(船)载设备、车载设备，其主要基波频率可能低至1Hz以下。因此，需要进行相关试验来测试产品的动力学特性和可靠性水平，而正弦扫频振动测试就是其中一类基本的环境与可靠性试验类型。
目前实验室用得最多的是电动振动台，而国内外电动振动台的低频端一般从5～10Hz开始，随着技术的发展其已经可以实现1～2Hz的低频起振，但想要进行更低频率的振动控制还存在着一些困难。
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。
振动台存在着实时控制的要求，控制回路时间要求越短越好，随之而来的就是在超低频段无法获得整周期的信号来进行识别及反馈控制。同时，正弦扫频信号本身的时变特性也使得与之相关的信号分析与特征提取变得更加困难。
发明内容
本发明提出一种基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，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扫频信号时变、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，
参照图1，一种基于变采样率采样的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，信号采集
通过振动台上安装的振动传感器采集得到振动台振动信号即振动台扫频信号，然后将采集到的振动台扫频信号经低通滤波器抗混叠滤波后滤除其中的高频成分，目的是降低噪声的影响。
第二步，变采样率采样，实现振动台扫频信号的等相位间隔采样。
第三步采用最小二乘拟合幅值识别方法实现扫频信号幅值识别。
本发明提供两种方法来实现第二步中振动台扫频信号的等相位间隔采样。
第一种方法，采用硬件实现的方法：通过间隔相同相位间隔对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行采样，得到等相位间隔的信号。基于实时控制的要求，可以根据控制回路时间确定数据长度，进而确定相位间隔假设振动台进行一次反馈控制需要的时间为Tc，采样点数为N，当前扫描频率为Fs，则一帧数据的相位长度为
由此，采样点间的相位间隔为
变采样率采样过程可以表示如下。
a.设置采样点数N，计数器初值L＝0；
b.逐步增加振动台控制器输出信号相位如果触发A/D变换器对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行采样，获得一个数据点。同时设置L＝L+1；
c.如果L≥N，则采集到了包含N个数据点的一帧信号，对这一帧信号进行第三步的幅值识别的计算并进行反馈控制，更新振动控制器的驱动信号。同时设置L＝0，循环进行b、c步骤。
由于
其中为振动台扫频信号相位，为振动台扫频信号初始相位，f(t)为振动台扫频信号频率，f0为振动台扫频信号初始频率。
对于离散系统，无法求得控制器输出信号相位的精确值，也就无法进行精确的采样触发操作。在这里，采用小间隔逐步计算逼近的方法来得到振动台控制器输出信号相位的离散解即
其中，k--当前时间；
f(k)--当前频率，Hz；
ν--扫描频率，Oct/min；
Δt--数值计算时间间隔，s。
第二种方法，采用软件实现的方法：对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行时域A/D采样得到等时间间隔的振动信号。同时，由振动控制器输出当前振动台的频率大小，通过计算得到等相位间隔对应的重采样相位大小，插值滤波器根据重采样相位大小进行线性插值得到等相位间隔的重采样信号。其中：重采样的相位间隔通过计算两个点间的相位差进行设定，即
其中，m、n代表离散信号点。
利用插值滤波器对经A/D采样得到等时间间隔的振动信号进行等相位间隔重采样，得到重采样信号。插值滤波器主要根据重采样相位间隔大小的要求，在需要的相位点进行插值处理，得到相应点的信号大小。信号插值主要通过线性插值的方法实现。经验证，相对于其他的如样条插值、傅里叶级数插值等方法，线性插值方法可以满足信号辨识对精度的要求，且算法简单、速度快。
通过线性插值的方法对经A/D采样得到等时间间隔的振动信号进行重采样计算过程。
a通过振动控制器得到当前扫频振动频率f和扫描率，，由可以计算得到对应的相位信号序列
b以任意m、n两点确定重采样相位间隔
c每隔进行一次线性插值操作，重复进行，直到一帧数据结束。
线性插值方法如下：
假设需要插值的点位于两个通过等时间间隔采样的数据之间，即其中，为相位是步骤a中计算得到的，xr振动信号大小，是待求量；则利用线性插值方法可得
本发明的，第三步中最小二乘拟合幅值识别方法如下：
变采样率采样得到的数据长度为L，以相位间隔为间隔，得到参考信号相位
由此可得参考信号
对上述等相位间隔采样信号与参考信号进行最小二乘拟合，可以求得中间参数
Q＝(xref Txref -1)xref TY
其中，xref为构造的参考信号，Y为经A/D采样得到等时间间隔的振动信号。且
最终，可求得正弦扫频信号的幅值
本发明采用变采样率采样方法将时变的正弦扫频信号变为标准正弦信号，便于对信号进行分析处理；最小二乘拟合可以得到非整周期信号幅值，保证了振动控制的实时性要求。两者结合解决了超低频正弦扫频信号幅值识别存在的时变和非整周期的问题。
本发明变采样率采样可以有效解决扫频信号时变处理的问题，将随时间变化的信号变换为极短时间内的标准正弦信号，为下一步的识别打下了基础；最小二乘拟合方法可以准确识别非整周期正弦信号的幅值大小，最终提高了振动台的超低频振动实时控制精度。
附图说明
图1为本发明的整体原理框图。
图2为本发明的通过第一种方法实现变采样率采样幅值识别的流程图；
图3为本发明的通过第二种方法实现变采样率采样幅值识别的流程图。
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2所示，为本发明的通过第一种方法即采用硬件的方法实现变采样率采样幅值识别的流程图。第一种方法通过间隔相同相位间隔对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行采样，得到等相位间隔的信号。一种基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，其采用第一种方法实现变采样率采样。其由以下几部分组成：低通滤波器、硬件触发A/D变换器、重采样时间计算模块、参考信号生成模块以及最小二乘拟合模块。通过振动台上安装的振动传感器采集得到振动台扫频信号，然后将采集到的振动台扫频信号经低通滤波器抗混叠滤波后滤除其中的高频成分。之后，重采样时间计算模块实时计算振动台控制器输出信号相位变化，判断相位间隔是否到达指定大小，如果为是，则发送信号触发A/D变换器进行采样，得到等相位间隔信号。参考信号生成模块生成参考信号。最小二乘拟合模块将变采样率采样得到的等相位间隔信号与参考信号进行最小二乘拟合，计算得到正弦扫频信号的幅值A，从而进行相应的反馈控制。本实施例中变采样率采样方法的实现方式以及最小二乘拟合幅值识别方法在发明内容中已有详细的说明，在此不再赘述。
如图3所示，第二种方法即采用软件的方法通过对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行时域A/D采样，得到等相位间隔的振动信号。一种基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别系统，通过第二种方法实现变采样率采样。其由以下几部分组成：低通滤波器、时域A/D变换器、插值滤波器、重采样相位计算模块、参考信号生成模块以及最小二乘拟合模块。通过振动台上安装的振动传感器采集得到振动台扫频信号，然后将采集到的振动台扫频信号经低通滤波器抗混叠滤波后滤除其中的高频成分。之后，通过时域A/D变换器进行时域A/D采样得到等时间间隔的振动信号。通过计算得到等相位间隔对应的重采样相位大小，插值滤波器根据重采样相位大小进行线性插值得到等相位间隔的重采样信号。参考信号生成模块生成参考信号。最小二乘拟合模块将变采样率采样得到的等相位间隔信号与参考信号进行最小二乘拟合，计算得到正弦扫频信号的幅值A，从而进行相应的反馈控制。本实施例中变采样率采样方法的实现方式以及最小二乘拟合幅值识别方法在发明内容中已有详细的说明，在此不再赘述。
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)

1.一种基于变采样率采样的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，信号采集；
通过振动台上安装的振动传感器采集得到振动台扫频信号，然后将采集到的振动台扫频信号经低通滤波器抗混叠滤波后滤除其中的高频成分；
第二步，对经低通滤波器抗混叠滤波后的信号进行变采样率采样，实现振动台扫频信号的等相位间隔采样；
第二步采用硬件方法实现：通过间隔相同采样相位间隔对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行采样，得到等相位间隔的振动信号；方法如下：
a.设置采样点数N，计数器初值L＝0；
b.逐步增加振动台控制器输出信号相位如果触发A/D变换器对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行采样，获得一个数据点，同时设置L＝L+1；
c.如果L≥N，则采集到了包含N个数据点的一帧信号，对这一帧信号进行第三步的幅值识别的计算并进行反馈控制，更新振动控制器的驱动信号，同时设置L＝0，循环进行b、c步骤；
或者，第二步采用软件方法实现：通过对经第一步中低通滤波器抗混叠滤波后得到的信号进行时域A/D采样，得到等时间间隔信号，之后通过软件方法计算得到等相位间隔的振动信号，方法如下：
i.通过振动控制器得到当前扫频振动频率f和扫描率，由可以计算得到对应的相位信号序列
ii.以任意m、n两点确定重采样相位间隔其中，m、n代表离散信号点；
iii.每隔进行一次线性插值操作即通过线性插值的方法对经A/D采样得到等时间间隔的振动信号进行重采样，重复进行，直到一帧数据结束；
第三步，采用最小二乘拟合幅值识别方法实现扫频信号幅值识别。
2.根据权利要求1所述的基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，其特征在于，第二步采用硬件方法实现时，b步骤中，采用小间隔逐步计算逼近的方法来得到相位的离散解即
其中，k--当前时间；
f(k)--当前频率，Hz；
ν--扫描频率，Oct/min；
Δt--数值计算时间间隔，s。
3.根据权利要求1所述的基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，其特征在于，第二步采用硬件方法实现时，根据控制回路时间确定数据长度，进而确定相位间隔方法如下：假设振动台进行一次反馈控制需要的时间为Tc，采样点数为N，当前扫描频率为Fs，则一帧数据的相位长度为
由此，采样点间的相位间隔为
4.根据权利要求1所述的基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，其特征在于，第二步采用软件方法实现时，iii步骤中，线性插值方法如下：
假设需要插值的点位于两个通过等时间间隔采样的数据之间，即其中，为相位是步骤a中计算得到的，xr振动信号大小，是待求量；则利用线性插值方法可得
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的基于变采样率采样的振动台超低频正弦扫频信号幅值识别方法，其特征在于，第三步中最小二乘拟合幅值识别方法如下：
第二步中变采样率采样得到的数据长度为L，以相位间隔为间隔，得到参考信号相位
由此可得参考信号
对上述等相位间隔采样信号与参考信号进行最小二乘拟合，可以求得中间参数
Q＝(xref Txref -1)xref TY
其中，xref为构造的参考信号，Y为经A/D采样得到等时间间隔的振动信号，且
最终，可求得正弦扫频信号的幅值
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