CN108871724B - 一种振动模拟系统的随机振动模拟方法 - Google Patents

一种振动模拟系统的随机振动模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种振动模拟系统的随机振动模拟方法属于振动模拟领域，涉及一种振动模拟系统的随机振动模拟方法。该方法采用振动模拟系统进行随机振动，首先利用计算机产生高频白噪声，通过该高频白噪声与正弦信号相乘得到伪随机信号，作为目标控制信号。实时采集俯仰方向、偏航方向加速度信号，经过信号放大器的放大，传给俯仰方向和偏航方向振动发生器，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动。振动模拟系统由俯仰方向和偏航方向加速度传感器、俯仰方向和偏航方向振动发生器、飞行器模型、测力天平、支杆、计算机、信号放大器及实时控制器组成。该方法实现了振动信号的负反馈控制，提高了风洞试验中算法有效性和风洞试验的安全性，振动模拟精度高。

Description

一种振动模拟系统的随机振动模拟方法
技术领域
本发明属于振动模拟领域，涉及一种振动模拟系统的随机振动模拟方法。
背景技术
风洞试验模型主动振动抑制方法的研究，对提高风洞模型试验数据质量，保证试验的安全性等具有重要的意义。风洞试验前，在实验室进行相应的地面试验是提高试验效率和保证安全性的有效途径。现有的实验室试验方法主要有有限元仿真、脉冲响应试验(锤击试验)和激振试验等。
中国空气动力研究与发展中心的鲍禄强等人于2015年在《制造业自动化》第37卷第五期发表了文章《风洞模型支撑随机振动响应分析研究》，利用ABAQUS软件对风洞模型进行了随机振动响应分析，得到与风洞试验结果基本一致的振动响应水平，但由于安装配合、对压电陶瓷等的建模不准确等原因，有限元分析不能完全拟合实际工况，模拟结果无法作为风洞试验的有效参考。美国国家航空航天局(NASA)的S.Balakrishna等人于2007年发表了文章标识号为AIAA2007-961的文章《Development of a Wind Tunnel ActiveVibration Reduction System》，在风洞试验前采用了脉冲响应试验，对系统的固有频率、阻尼系数及振动衰减时间进行了测量和计算。南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室的沈星等人于2014年在《振动、测试与诊断》第34卷第三期发表了文章《风洞悬臂杆结构主动减振系统的研究》，在风洞试验前利用激振器进行了地面试验，探究了神经网络PID算法与传统PID算法在地面试验的有效性。
上述试验方法均存在的问题是锤击和激振试验无法模拟飞行器在风洞环境下俯仰偏航多维度振动情况，无法模拟飞行器在风洞工况下实际振动状态，对于参数的调整和算法有效性的判断存在局限性。另外，锤击和激振试验无法控制各次试验的力作用点、大小及其方向，影响实验室抑振试验变量控制。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种振动模拟系统的随机振动模拟方法。该方法将振动发生器固定安装于飞行器模型内，防止由于锤击点的不同以及激振器与飞行器模型的接触点的偏移导致的振动方向大小的变化，从而影响抑振试验的变量控制。通过设置俯仰、偏航两方向的振动发生器以及俯仰、偏航两方向的加速度传感器，实现了振动信号的负反馈控制。使得振动状态更接近风洞试验时飞行器模型的振动状态，方便实验室工况下参数的调整，提高风洞试验中算法的有效性，防止由于算法等可控原因导致的风洞试验装置的破坏，提高风洞试验的安全性，提高了振动模拟的精确性。
本发明采用的技术方案是一种振动模拟系统的随机振动模拟方法，其特征是，随机振动模拟方法首先利用计算机产生高频白噪声，通过该高频白噪声与正弦信号相乘得到伪随机信号，作为目标加速度信号；实时采集俯仰方向、偏航方向加速度信号，计算目标加速度信号与实时加速度信号差值，输出的电压经过信号放大器的放大，传给俯仰方向和偏航方向振动发生器，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动，实现实验室环境下飞行器模型的随机振动模拟；方法的具体步骤如下：
步骤1产生目标加速度值
利用计算机8产生高频白噪声，通过该高频白噪声与正弦信号相乘得到伪随机信号，作为目标加速度信号；其中，俯仰方向伪随机信号为y(t)，偏航方向伪随机信号为z(t),其公式为：
y(t)＝AyXy(t)sin(ωyt+φy) (1)
z(t)＝AzXz(t)sin(ωzt+φz) (2)
其中，Ay为俯仰方向振动幅值比例系数、Az为偏航方向振动幅值比例系数，ωy为俯仰方向正弦信号圆频率，ωz为偏航方向正弦信号圆频率，φy为俯仰方向正弦信号相位，φz为偏航方向正弦信号相位，Xy(t)为白噪声信号Xy0(t)经Butterworth高通滤波器产生的俯仰方向高频白噪声，Xz(t)为白噪声信号Xz0(t)经Butterworth高通滤波器产生的俯仰方向高频白噪声；
白噪声信号Xy0(t)、Xz0(t)的自相关函数为：
公式(3)、(4)中，为相应的比例常数，δ(τ)为：
步骤2采集实时俯仰方向加速度信号ay(t)、偏航方向加速度信号az(t)；
步骤3计算目标加速度信号与实时加速度信号差值Δa，其中，俯仰方向加速度差值为Δay,偏航方向加速度差值为Δaz；
步骤4根据Δay和Δaz，根据加速度与输出电压关系计算输出电压v大小，其中俯仰方向输出电压为vy、偏航方向输出电压为vz；
步骤5输出电压vy和vz经过信号放大器的放大，将放大后电压信号Vy和Vz分别传给俯仰方向振动发生器和偏航方向振动发生器，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动；
步骤6由步骤1产生连续目标加速度值，循环步骤2至步骤5以实现实验室环境下飞行器模型的随机振动模拟。
一种振动模拟系统的随机振动模拟方法，其特征是，随机振动模拟方法采用的振动模拟系统由俯仰方向加速度传感器1，俯仰方向振动发生器2，飞行器模型3，偏航方向振动发生器4，偏航方向加速度传感器5，测力天平6，支杆7，计算机8，信号放大器9，实时控制器10组成；飞行器模型3通过置于飞行器模型尾部的测力天平6与支杆7相连，俯仰方向加速度传感器1和偏航方向加速度传感器5安装于飞行器模型外表面，俯仰方向振动发生器2和偏航方向振动发生器4安装于飞行器模型3内表面；通过实时控制器10将俯仰方向加速度传感器1和偏航方向加速度传感器5采集的飞行器模型俯仰和偏航方向加速度信号传输给计算机8，通过计算机8输入目标加速度值并通过实时控制器10输出控制信号，经信号放大器9将电压信号分别传给俯仰方向振动发生器2和偏航方向振动发生器4；
一种振动模拟系统的随机振动模拟方法，其特征是，随机振动模拟方法采用的振动模拟系统中，俯仰方向振动发生器2、偏航方向振动发生器4分别由旋转型电动机201、401和偏心锤202、402构成，为保证电动机与模型有较大的安装面积以增强安装牢靠性，旋转型电动机201、401分别具有圆弧安装面2011、4011；圆弧安装面2011、4011通过膏状焊锡分别固定安装于模型内表面；俯仰方向偏心锤202固定安装于俯仰方向振动电动机201的旋转轴上，偏航方向偏心锤402固定安装于偏航方向振动电动机401的旋转轴上；俯仰方向振动发生器2的振动方向与偏航方向振动发生器4的振动方向相互垂直，振动发生器的旋转轴轴线与支杆轴线平行，为防止工作状态下偏心锤与模型内表面干涉，在安装时留出适当空间；俯仰方向加速度传感器1安装在飞行器模型3的外表面上，安装位置与安装在飞行器模型3内表面的俯仰方向振动发生器2相对应；偏航方向加速度传感器5安装在飞行器模型3的外表面上，安装位置与安装在飞行器模型3内表面的偏航方向振动发生器4相对应。
本发明的显著效果是振动发生器固定安装于模型内，防止由于锤击点的不同以及激振器与飞行器模型的接触点的偏移导致的振动方向大小的变化，从而影响抑振试验的变量控制。俯仰、偏航两方向的振动发生器的设置以及随机振动模拟信号的控制使得振动状态更接近风洞试验时飞行器模型的振动状态，方便实验室工况下参数的调整，提高风洞试验中算法的有效性，防止由于算法等可控原因导致的风洞试验装置的破坏，提高风洞试验的安全性；俯仰、偏航两方向的加速度传感器的设置，实现了振动信号的负反馈控制，提高了振动模拟的精确性。实验室实际模拟风洞工况下的振动，防止由于仿真建模不准确，实际安装配合与仿真的差异等原因导致的偏差，使得实验数据能作为风洞试验的有效参考。
附图说明
图1是一种振动模拟系统示意图。其中，1-俯仰方向加速度传感器，2-俯仰方向振动发生器，3-飞行器模型，4-偏航方向振动发生器，5-偏航方向加速度传感器，6-测力天平，7-支杆，8-计算机，9-信号放大器，10-实时控制器
图2是俯仰方向振动发生器2的结构示意图。其中，201-俯仰方向振动电动机，2011-俯仰方向振动电动机圆弧安装面，202-俯仰方向偏心锤。
图3是偏航方向振动发生器4的结构示意图。其中，401-偏航方向振动电动机，4011-偏航方向振动电动机圆弧安装面，402-偏航方向偏心锤。
图4是本发明振动发生器的布局示意图。其中，1-俯仰方向加速度传感器，2-俯仰方向振动发生器，4-偏航方向振动发生器，5-偏航方向加速度传感器。
图5是一种随机振动模拟原理图。
图6是一种类风洞工况振动状态模拟流程图。
图7a)是0.6马赫风洞试验无抑振工况下采集的某攻角俯仰方向加速度信号，图7b)是采用伪随机信号模拟的俯仰方向加速度信号。
图8a)是0.6马赫风洞试验无抑振工况下采集的某攻角偏航方向加速度信号，图8b)是采用伪随机信号模拟的偏航方向加速度信号。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案通过实施例详细说明本发明的具体实施方法，
如图1所示，本发明一种振动模拟系统由俯仰方向加速度传感器1，俯仰方向振动发生器2，飞行器模型3，偏航方向振动发生器4，偏航方向加速度传感器5，测力天平6，支杆7，计算机8，信号放大器9，实时控制器10组成。飞行器模型3通过置于飞行器模型3尾部的测力天平6与支杆7相连，俯仰方向加速度传感器1和偏航方向加速度传感器5安装于飞行器模型3外表面，俯仰方向振动发生器2的俯仰方向振动电动机201的旋转轴轴线和偏航方向振动发生器4的偏航方向振动电动机401的旋转轴轴线与支杆7轴线平行，俯仰方向振动电动机201和偏航方向振动电动机401分别通过俯仰方向振动电动机圆弧安装面2011和偏航方向振动电动机圆弧安装面4011利用膏状焊锡固定安装于飞行器模型3内表面，且保证俯仰方向振动电动机201和偏航方向振动电动机401工作时不与飞行器模型3内表面发生干涉，通过实时控制器10将俯仰方向加速度传感器1和偏航方向加速度传感器5采集的飞行器模型俯仰和偏航方向加速度信号传输给计算机8，通过计算机8输入目标加速度值并通过实时控制器10输出控制信号，经信号放大器9将电压信号分别传给俯仰方向振动发生器2和偏航方向振动发生器4。
如图2、图3所示，俯仰方向振动发生器2是由旋转型俯仰方向振动电动机201和俯仰方向偏心锤202构成，且俯仰方向偏心锤202固定安装于俯仰方向振动电动机201的旋转轴上；偏航方向振动发生器4由旋转型偏航方向振动电动机401和偏航方向偏心锤402构成，且偏航方向偏心锤402固定安装于偏航方向振动电动机401的旋转轴上。俯仰方向振动发生器2的振动方向与偏航方向振动发生器4的振动方向相互垂直，俯仰方向加速度传感器1安装在俯仰方向振动发生器2安装的飞行器模型3内表面对应的外表面，偏航方向加速度传感器5安装在偏航方向振动发生器4安装的飞行器模型3内表面对应的外表面，如图4所示。
图5是本发明一种随机振动模拟原理图，利用计算机8根据公式(1)产生俯仰方向目标加速度y(t)如图7b)所示，利用计算机8根据公式(1)产生偏航方向目标加速度z(t)如图8b)所示，将该目标加速度通过与俯仰方向加速度传感器1和偏航方向加速度传感器5采集的实时俯仰方向加速度信号ay(t)、偏航方向加速度信号az(t)对比，计算俯仰方向加速度差值为Δay、偏航方向加速度差值为Δaz，根据Δay、Δaz与加速度与输出电压关系计算俯仰方向输出电压vy、偏航方向输出电压vz，输出电压vy和vz经过信号放大器9的信号放大，将放大后电压信号Vy和Vz分别传给俯仰方向振动发生器2和偏航方向振动发生器4，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动。
图6是飞行器模型类风洞工况振动状态模拟流程图，具体步骤如下：
步骤1通过计算机8导入风洞试验无抑振工况下采集的俯仰方向加速度信号y(t)，如图7a)所示，和偏航方向加速度信号z(t)，如图8a)所示，作为目标加速度值。
步骤2采集实时俯仰方向加速度信号ay(t)、偏航方向加速度信号az(t)。
步骤3计算俯仰方向加速度差值Δay、俯仰方向加速度差值Δaz。
步骤4利用Δay和Δaz，进行加速度与输出电压关系转换，得到俯仰方向输出电压vy、偏航方向输出电压vz。
步骤5输出电压vy和vz经过信号放大器9的放大，将放大后电压信号Vy和Vz分别传给俯仰方向振动发生器2和偏航方向振动发生器4，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动。
步骤6由步骤1连续导入目标加速度值，循环步骤2至步骤5以实现实验室环境下，真实模拟风洞试验下飞行器模型振动状态的飞行器模型用振动模拟系统的随机振动。
该方法通过设置俯仰、偏航两方向的振动发生器以及俯仰、偏航两方向的加速度传感器，实现了振动信号的负反馈控制；提高了风洞试验中算法的有效性和风洞试验的安全性，振动模拟精度高。

Claims (3)

1.一种振动模拟系统的随机振动模拟方法，其特征是，随机振动模拟方法首先利用计算机产生高频白噪声，通过该高频白噪声与正弦信号相乘得到伪随机信号，作为目标加速度信号；实时采集俯仰方向、偏航方向加速度信号，计算目标加速度信号与实时加速度信号差值，输出的电压经过信号放大器的放大，传给俯仰方向和偏航方向振动发生器，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动，实现实验室环境下一种振动模拟系统的随机振动模拟；方法的具体步骤如下：
步骤1 产生目标加速度值
利用计算机(8)产生高频白噪声，通过该高频白噪声与正弦信号相乘得到伪随机信号，作为目标加速度信号；其中，俯仰方向伪随机信号为y(t)，偏航方向伪随机信号为z(t)，计算公式为：
y(t)＝AyXy(t)sin(ωyt+φy) (1)
Z(t)＝AzXz(t)sin(ωzt+φz) (2)
其中，Ay为俯仰方向振动幅值比例系数、Az为偏航方向振动幅值比例系数，ωy为俯仰方向正弦信号圆频率，ωz为偏航方向正弦信号圆频率，φy为俯仰方向正弦信号相位，φz为偏航方向正弦信号相位，Xy(t)为白噪声信号Xy0(t)经Butterworth高通滤波器产生的俯仰方向高频白噪声，Xz(t)为白噪声信号Xz0(t)经Butterworth高通滤波器产生的俯仰方向高频白噪声；
白噪声信号Xy0(t)、Xz0(t)的自相关函数为：
公式(3)、(4)中，为相应的比例常数，δ(τ)为：
步骤2 实时采集俯仰方向加速度信号ay(t)、偏航方向加速度信号az(t)；
步骤3 计算目标加速度信号与实时加速度信号差值Δa，其中，俯仰方向加速度差值为Δay，偏航方向加速度差值为Δaz；
步骤4 根据Δay和Δaz，根据加速度与输出电压关系计算输出电压v大小，其中俯仰方向输出电压为vy、偏航方向输出电压为vz；
步骤5 输出电压vy和vz经过信号放大器的放大，将放大后电压信号Vy和Vz分别传给俯仰方向振动发生器和偏航方向振动发生器，使其产生支杆俯仰和偏航方向的振动；
步骤6 由步骤1产生连续目标加速度值，循环步骤2至步骤5以实现实验室环境下飞行器模型的随机振动模拟。
2.依据权利要求1所述的一种振动模拟系统的随机振动模拟方法，其特征是，随机振动模拟方法采用的振动模拟系统由俯仰方向加速度传感器(1)，俯仰方向振动发生器(2)，飞行器模型(3)，偏航方向振动发生器(4)，偏航方向加速度传感器(5)，测力天平(6)，支杆(7)，计算机(8)，信号放大器(9)，实时控制器(10)组成；飞行器模型(3)通过置于飞行器模型尾部的测力天平(6)与支杆(7)相连，俯仰方向加速度传感器(1)和偏航方向加速度传感器(5)安装于飞行器模型外表面，俯仰方向振动发生器(2)和偏航方向振动发生器(4)安装于飞行器模型(3)内表面；通过实时控制器(10)将俯仰方向加速度传感器(1)和偏航方向加速度传感器(5)采集的飞行器模型俯仰和偏航方向加速度信号传输给计算机(8)，通过计算机(8)输入目标加速度值并通过实时控制器(10)输出控制信号，经信号放大器(9)将电压信号分别传给俯仰方向振动发生器(2)和偏航方向振动发生器(4)。
3.依据权利要求2所述一种振动模拟系统的随机振动模拟方法，其特征是，随机振动模拟方法采用的振动模拟系统中，俯仰方向振动发生器(2)、偏航方向振动发生器(4)分别由旋转型电动机(201、401)和偏心锤(202、402)构成，为增强安装牢靠性，旋转型电动机(201、401)分别具有圆弧安装面(2011、4011)；圆弧安装面(2011、4011)通过膏状焊锡分别固定安装在飞行器模型(3)的内表面；俯仰方向偏心锤(202)固定安装于俯仰方向振动电动机(201)的旋转轴上，偏航方向偏心锤(402)固定安装于偏航方向振动电动机(401)的旋转轴上；俯仰方向振动发生器(2)的振动方向与偏航方向振动发生器(4)的振动方向相互垂直，振动发生器的旋转轴轴线与支杆轴线平行，为防止工作状态下偏心锤与飞行器模型内表面干涉，在安装时留出空间；俯仰方向加速度传感器(1)安装在飞行器模型(3)的外表面上，安装位置与安装在飞行器模型(3)内表面的俯仰方向振动发生器(2)相对应；偏航方向加速度传感器(5)安装在飞行器模型(3)的外表面上，安装位置与安装在飞行器模型(3)内表面的偏航方向振动发生器(4)相对应。
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