CN108426690A - 基于交叠残周期采样的振级快速调整方法 - Google Patents

基于交叠残周期采样的振级快速调整方法 Download PDF

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何闻
钟俊杰
杨争雄
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Abstract

本发明公开了基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，包括设定目标频率和振幅，给振动台一个初始的输入量；对振动台的输出波形连续采样N次，每次采样获得相应的采样数据，前后相邻的两次采样数据首尾有重叠，采样数据的时长小于一个周期。本发明采用残周期超低频正弦信号幅值快速估计方法测试振级；并用有重叠稳定判断方法判断振级是否稳定，极大提高振级调整环节的效率。

Description

基于交叠残周期采样的振级快速调整方法
技术领域
本发明涉及快速调整振动台振级的方法。
技术背景
在测振传感器动态特性校准的众多方法中，单频稳态激励法具有校准精度 高、校准频率范围宽、方便实现自动控制的优点，各国一般根据这一方法建设国 家振动基准。单频稳态激励法一般是用电磁振动台产生振动源，同时检测事先安 装在振动台台面上的传感器的输出电压信号，以及激光干涉仪输出信号(绝对法) 或者标准传感器输出信号(相对法)，并通过计算机解算出传感器的相关参数。 由于电磁振动台产生振动源指的是将电磁振动台驱动到指定频率下的指定振级， 且考虑到振动台瞬态响应及调节精度等原因，不能一步到位地调整到目标振级， 而是应该逐渐控制激励加速度的幅值，直到振级满足要求。
常规振级调整方法是用户给出目标频率和振幅后，系统先给出一个较小的输 入量，待振动台输出稳定后测试系统的实际振级，根据输入输出计算系统实际的 传递关系，计算出下次调节的输入量大小并将输入量输入系统，待输出稳定后进 入下次调节循环，直到实测振级与目标振级误差在设定范围内为止。上述过程中， 在每一次的调节中的设定振级为目标振级的一定比例，并逐次逼近目标振级。
用该振级调整方法进行自动调整时，对于高频测振传感器的校准，由于振动 周期较短，调整时间也较短，这种方法能够快速的调整振动台达到目标振级；但 对于低频和超低频测振传感器的校准，振动周期较长，测试时间也相应的比较长， 再加上调整过程需要经过分步逐次逼近目标振级，调节时间将会成倍增加，严重 降低了超低频测振传感器的校准效率，消耗了实验人员和振动台系统的大量工作 时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够快速、准确地调整和确定振动台振级的方 法。
基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，包括以下步骤：
步骤1：设定目标频率和振幅，给振动台一个初始的输入量；
步骤2：对振动台的输出波形连续采样N次，每次采样获得相应的采样数据， 前后相邻的两次采样数据首尾有重叠，采样数据的时长小于一个周期；由当前采 样数据进行幅值估计、获得该采样数据对应的当前振级；判断所有振级的偏差是 否在允许范围内，若是，则认为振级稳定；若有振级的偏差超出允许范围，则继 续实时测试，重复步骤2-3，直到振级稳定为止。
比如，第一次采样数据的尾部的采样点与第二次采样数据的头部的采样点。
进一步，交叠采样和幅值估计的一种具体做法为：
步骤2.1：对振动台的输出波形连续采样N次，每次采样获得相应的采样数 据，前后相邻的两次采样数据首尾有重叠，采样数据的时长小于一个周期；
步骤2.2：对于每一个采样数据，由当前采样数据进行幅值估计，获得该采 样数据对应的当前振级；判断所有振级的偏差是否在允许范围内，若是，则认为 振级稳定；若有振级的偏差超出允许范围，则继续实时测试，重复步骤2-3，直 到振级稳定为止。
或者，交叠采样和幅值估计的第二种具体做法为：
步骤2A：对振动台的输出波形采样、获得本次采样数据，由本次采样数据 进行幅值估计、获得该采样数据对应的本次采样对应的振级；
步骤2B：对振动台的输出波形进行下一次采样获得本次采样数据，在后的 采样数据与前一次采样数据首尾重叠，由本次采样数据进行幅值估计，获得该采 样数据对应的本次采样对应的振级；
步骤2C：将前一次采样对应的振级与后一次采样对应的振级比较，判断是 否在允许的偏差范围内，判断是否具有连续3次或3次以上采样获得的振级在偏 差范围内，若是，则认为振级稳定；若否，重复步骤2.A～2.B，直到连续3次或 3次以上采样获得的振级在偏差范围内为止。
进一步，第二种具体做法中，上一次采样数据进行幅值估计的同时，进行本 次采样。
进一步，步骤2中，采用数据通过解矛盾方程组的方式估算出当前周期的幅 值，确定当前振级。步骤2中，前后相邻的两次采样数据的重叠率越高，判稳的 可信度越低，重叠率越低耗时越长。
进一步，步骤2中，每次用于估算振级的采样数据占据的时长为一个振动周 期的10％～30％。
进一步，采样数据的位移信号为其中，c3＝d，x(k)为采样 得到的位移波形，k表示第k个采样点，A为振动台的振动位移幅值，f为振动 频率，fs为采样频率，为相位，d为直流量，设总采样点数为N，N<(fs/f)， k的取值范围为0,1,2,3,…,N-1，其中，x(k)序列为测试所得，fs和f为用户设 定值，为已知量。
基于振动台在超低频测试时引入了反馈控制技术，波形失真度很小，所以 采样得到的位移信号(采样数据)可以看成残周期的正弦波形，假设为
式中，x(k)为采样得到的位移波形；k表示第k个采样点；A为振动台的振动位 移幅值；f为振动频率；fs为采样频率；为相位；d为直流量。设总采样点数 为N，N<(fs/f)，k的取值范围为0,1,2,3,…,N-1。其中，x(k)序列为测试所 得，fs和f为用户设定值，即为已知量，幅值A、相位和直流量d为待求量。
将式(1)化成如下形式
式中，c3＝d。将式(2)转换为矩阵形式得
式中，频率f和采样率fs为已知量，即左边第一项为已知项，计为矩阵K；左边 第二项为待求项，计为向量C；右边为采样得到的序列，亦为已知量,计为向量X， 则可将上式简写为
KC＝X, (4)
由K为N行3列矩阵，不存在逆矩阵，可得
C＝(KTK)-1KTX. (5)
求得C后，便可求得A、和d分别为
本发明在振级测试时不是消极盲目的等待振级稳定，而是判断连续几次振级 测试的波动是否在允许波动范围内，如果是则给出振级稳定信号，如果否则继续 进行实时测试。如果这N次振级测试采用串行的稳定判断方法，即N次振级测试 的数据互不相同，所需的稳定判断时间为N段测试时间的和，时间较长。为了提 高稳定判断的实时性，本发明允许前后两次测试数据之间有部分重叠，这样所需 的稳定判断时间仅为1段测试时间加上两段时间间隔。比如每次测试一次振级需 要10s的采样数据，采用串行的稳定判断方法进行3次采样需要30s的时间，采 用有重叠稳定判断结构时，每次采样数据可以由上次采样数据后面9s的数据后 再加上新采集的1s数据组成，这样稳定判断时间可以缩短到12s，即可大大提 高稳定判断的效率，从而缩短振级测试时间。
这种方法的优点在于：采用残周期超低频正弦信号幅值快速估计方法测试 振级；并用有重叠稳定判断方法判断振级是否稳定，极大提高振级调整环节的效 率。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为交叠稳定判断方法原理图。
具体实施方式
实施例1
基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，包括以下步骤：
步骤1：设定目标频率和振幅，给振动台一个初始的输入量；
步骤2.1：对振动台的输出波形连续采样N次，每次采样获得相应的采样数 据，前后相邻的两次采样数据首尾有重叠，采样数据的时长小于一个周期；
步骤2.2：对于每一个采样数据，由当前采样数据进行幅值估计、获得该采 样数据对应的当前振级；判断所有振级的偏差是否在允许范围内，若是，则认为 振级稳定；若有振级的偏差超出允许范围，则继续实时测试，重复步骤2-3，直 到振级稳定为止。
实施例2
基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，包括以下步骤：
步骤1：设定目标频率和振幅，给振动台一个初始的输入量；
步骤2A：对振动台的输出波形采样、获得本次采样数据，由本次采样数据 进行幅值估计、获得该采样数据对应的本次采样对应的振级；
步骤2B：对振动台的输出波形进行下一次采样获得本次采样数据，在后的 采样数据与前一次采样数据首尾重叠，由本次采样数据进行幅值估计、获得该采 样数据对应的本次采样对应的振级；
步骤2C：将前一次采样对应的振级与后一次采样对应的振级比较，判断是 否在允许的偏差范围内，判断是否具有连续3次或3次以上采样获得的振级在偏 差范围内，若是、则认为振级稳定；若否，重复步骤2.1～2.2，直到连续3次或3 次以上采样获得的振级在偏差范围内为止。
上一次采样数据进行幅值估计的同时，进行本次采样。
实施例3
本实施例与实施例1或实施例2的区别之处在于：步骤2中，采用数据通过 解矛盾方程组的方式估算出当前周期的幅值，确定当前振级。除了振级估算方法 细化以外，其余步骤均与实施例1或实施例2相同。
步骤2中，前后相邻的两次采样数据的重叠率越高，判稳的可信度越低，重 叠率越低耗时越长。
步骤2中，每次用于估算振级的采样数据占据的时长为一个振动周期的 10％～30％。
采样数据的位移信号为其中，c3＝d，x(k)为采样 得到的位移波形，k表示第k个采样点，A为振动台的振动位移幅值，f为振动 频率，fs为采样频率，为相位，d为直流量，设总采样点数为N，N<(fs/f)， k的取值范围为0,1,2,3,…,N-1，其中，x(k)序列为测试所得，fs和f为用 户设定值，为已知量。
基于振动台在超低频测试时引入了反馈控制技术，波形失真度很小，所以 采样得到的位移信号(采样数据)可以看成残周期的正弦波形，假设为
式中，x(k)为采样得到的位移波形；k表示第k个采样点；A为振动台的振动位 移幅值；f为振动频率；fs为采样频率；为相位；d为直流量。设总采样点数 为N，N<(fs/f)，k的取值范围为0,1,2,3,…,N-1。其中，x(k)序列为测试 所得，fs和f为用户设定值，即为已知量，幅值A、相位和直流量d为待求量。
将式(1)化成如下形式
式中，c3＝d。将式(2)转换为矩阵形式得
式中，频率f和采样率fs为已知量，即左边第一项为已知项，计为矩阵K；左边 第二项为待求项，计为向量C；右边为采样得到的序列，亦为已知量,计为向量X， 则可将上式简写为
KC＝X, (4)
由K为N行3列矩阵，不存在逆矩阵，可得
C＝(KTK)-1KTX. (5)
求得C后，便可求得A、和d分别为
实施例4
交叠残周期超低频振级快速调整方法的具体流程如图1所示，实施步骤如 下：
步骤1：用户设定好目标频率和振级，系统给振动台一个较小的输入量。
步骤2：采用残周期超低频正弦信号幅值快速估计方法测试振级，其基本原 理为：采用不足一个周期的振动信号进行幅值估计，用解矛盾方程组的方法实现 幅值的估计计算。
基于振动台在超低频测试时引入了反馈控制技术，波形失真度很小，所以 采样得到的位移信号可以看成残周期的正弦波形，假设为
式中，x(k)为采样得到的位移波形；k表示第k个采样点；A为振动台的振动位 移幅值；f为振动频率；fs为采样频率；为相位；d为直流量。设总采样点数 为N，N<(fs/f)，k的取值范围为0,1,2,3,…,N-1。其中，x(k)序列为测试所 得，fs和f为用户设定值，即为已知量，幅值A、相位和直流量d为待求量。
将式(1)化成如下形式
式中，c3＝d。将式(2)转换为矩阵形式得
式中，频率f和采样率fs为已知量，即左边第一项为已知项，计为矩阵K；左边 第二项为待求项，计为向量C；右边为采样得到的序列，亦为已知量,计为向量X， 则可将上式简写为
KC＝X, (4)
由K为N行3列矩阵，不存在逆矩阵，可得
C＝(KTK)-1KTX. (5)
求得C后，便可求得A、和d分别为
步骤3：用有重叠稳定判断方法判断振级是否稳定，即对振级采用残周期超 低频正弦信号幅值快速估计方法进行实时测试，并判断连续若干次振级测试的波 动是否在允许范围内，若判断稳定则给出振级稳定信号，若判断不稳定则继续进 行实时测试。
步骤4：:判断振级是否达到要求，如果满足要求即完成，如果尚未满足则继 续根据输入输出计算系统实际的传递关系，并根据传递关系计算出下次调节的输 入量大小并输入系统。
步骤5：重复步骤2-5，直到实测振级达到要求为止。
本发明在振级测试时不是消极盲目的等待振级稳定，而是判断连续几次振级 测试的波动是否在允许波动范围内，如果是则给出振级稳定信号，如果否则继续 进行实时测试。本实施例中以3次采样为例说明，但实际使用并不以本实施例的 3次为限。如果这N次振级测试采用串行的稳定判断方法，即3次振级测试的数 据互不相同，所需的稳定判断时间为N段测试时间的和，时间较长。为了提高稳 定判断的实时性，本发明允许前后两次测试数据之间有部分重叠，这样所需的稳 定判断时间仅为1段测试时间加上两段时间间隔。比如每次测试一次振级需要 10s的采样数据，采用串行的稳定判断方法进行3次采样需要30s的时间如图2 所示。采用有重叠稳定判断结构时，如图2所示，每次采样数据可以由上次采样数据后面9s的数据后再加上新采集的1s数据组成，这样稳定判断时间可以缩短 到12s，即可大大提高稳定判断的效率，从而缩短振级测试时间。
本发明的优点在于：1、能够明确振级是否已经稳定，判断振级稳定的准确 性高。2、前后两次采样数据交叠，提高了振级稳定判断的效率。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明 的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也 及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，其特征在于，基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，包括以下步骤：
步骤1：设定目标频率和振幅，给振动台一个初始的输入量；
步骤2：对振动台的输出波形连续采样N次，每次采样获得相应的采样数据，前后相邻的两次采样数据首尾有重叠，采样数据的时长小于一个周期；由当前采样数据进行幅值估计、获得该采样数据对应的当前振级；判断所有振级的偏差是否在允许范围内，若是，则认为振级稳定；若有振级的偏差超出允许范围，则继续实时测试，重复步骤2-3，直到振级稳定为止。
2.根据权利要求书1所述的基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，其特征在于：交叠采样和幅值估计的一种具体做法为：
步骤2.1：对振动台的输出波形连续采样N次，每次采样获得相应的采样数据，前后相邻的两次采样数据首尾有重叠，采样数据的时长小于一个周期；
步骤2.2：对于每一个采样数据，由当前采样数据进行幅值估计，获得该采样数据对应的当前振级；判断所有振级的偏差是否在允许范围内，若是，则认为振级稳定；若有振级的偏差超出允许范围，则继续实时测试，重复步骤2-3，直到振级稳定为止；或者，交叠采样和幅值估计的第二种具体做法为：
步骤2A：对振动台的输出波形采样、获得本次采样数据，由本次采样数据进行幅值估计、获得该采样数据对应的本次采样对应的振级；
步骤2B：对振动台的输出波形进行下一次采样获得本次采样数据，在后的采样数据与前一次采样数据首尾重叠，由本次采样数据进行幅值估计，获得该采样数据对应的本次采样对应的振级；
步骤2C：将前一次采样对应的振级与后一次采样对应的振级比较，判断是否在允许的偏差范围内，判断是否具有连续3次或3次以上采样获得的振级在偏差范围内，若是，则认为振级稳定；若否，重复步骤2.A～2.B，直到连续3次或3次以上采样获得的振级在偏差范围内为止。
3.根据权利要求书2所述的基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，其特征在于：第二种具体做法中，上一次采样数据进行幅值估计的同时，进行本次采样。
4.根据权利要求书3所述的基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，其特征在于：步骤2中，采用数据通过解矛盾方程组的方式估算出当前周期的幅值，确定当前振级。
5.根据权利要求书4所述的基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，其特征在于：步骤2中，每次用于估算振级的采样数据占据的时长为一个振动周期的10％～30％。
6.根据权利要求书5所述的基于交叠残周期采样的振级快速调整方法，其特征在于：采样数据的位移信号为其中，d＝c3.，c3＝d，x(k)为采样得到的位移波形，k表示第k个采样点，A为振动台的振动位移幅值，f为振动频率，fs为采样频率，为相位，d为直流量，设总采样点数为N，N<(fs/f)，k的取值范围为0,1,2,3,…,N-1，其中，x(k)序列为测试所得，fs和f为用户设定值，为已知量。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180821

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