CN113155385A - 一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法，该系统包括数字控制子系统、信号发送与采集子系统及振动试验子系统。所述数字控制子系统由计算机实现，所述计算机安装有多振动台冲击加随机振动试验算法程序。所述信号发送与采集子系统包括控制模块、信号输出模块和信号输入模块。所述振动试验子系统包括激振装置，功率放大器，传感器，夹具，试验件。本发明的一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法，能够同时对响应信号的随机分量和冲击分量进行分离并独立控制。本发明的试验系统及方法对变量控制稳定，结果精确，完全能够满足多输入多输出混合型振动环境试验的要求。

Description

一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法

技术领域

本发明属于力学振动环境试验技术领域，具体是一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法。

背景技术

在航空、航天、汽车及船舶等工程领域中，工程结构或构件所处的振动环境往往是多维混合型的。典型的比如直升机所处的振动环境为随机加正弦振动环境。再比如，飞行在空中进行机动变轨飞行时，其发动机需要进行间歇点火工作，这是一种典型的随机加冲击振动混合振动环境。为了保证产品装备的可靠性，避免因振动问题造成的重大损失，在实验室内模拟外场实测的振动环境是必要的，也就是力学振动环境试验。多维冲击加随机振动环境试验是一种新的振动试验手段，它进一步完善了多输入多输出混合型振动环境试验方法。但是，目前还没有能够同时对响应信号的随机分量和冲击分量进行分离并独立控制的试验系统和方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法，该试验系统和方法能够同时对响应信号的冲击分量和随机分量进行分离并独立控制。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统，包括数字控制子系统、信号发送与采集子系统及振动试验子系统。所述数字控制子系统由计算机实现，所述计算机安装有多振动台冲击加随机振动试验算法程序。所述信号发送与采集子系统包括控制模块、信号输出模块和信号输入模块。所述振动试验子系统包括激振装置，功率放大器，传感器，夹具，试验件。

所述多振动台冲击加随机振动试验算法程序采用的算法分为以下步骤：

1)定义控制点参考谱矩阵S_rr和参考冲击幅值A_r，对参考谱矩阵进行Cholesky分解，记为：

其中，上标‘H’代表复共轭转置。

2)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝LP

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即为L_r；P为随机相位对角矩阵，对角元元素是

θ_k为服从-π～π均匀分布的随机相位，n为控制点数目。

3)对信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号,表示为

u^R＝IFFT(U)

加入冲击信号分量，则混合的参考信号可以表示为

u^M＝u^R+u^S

上式中的冲击信号分量表示为

其中，A为步骤1中定义的参考冲击幅值。k₁和k₂为幅值补偿系数，ω_s为冲击频率。幅值补偿系数、补偿信号的频率和冲击频率满足如下关系

ω₁(t₁-t₀)＝ω₂(t₂-t₁)＝2ω_s(t_m-t₂)＝π

通过调整设置幅值补偿系数和补偿信号的频率来完整定义冲击信号。

4)计算多输入的驱动信号，表示为

X＝ZU^M

其中X为耦合的驱动信号频谱；Z为对频响函数G求逆得到的矩阵；U^M为对u^M作傅氏变换得到的混合参考信号频谱。那么多输入时域驱动信号x可以通过对X作傅氏逆变换得到。

5)驱动信号经由信号输出模块输出并驱动控制对象振动。

6)利用加速度传感器采集振动响应信号，并通过信号输入模块传输至计算机系统。对采集的控制信号进行随机分量和冲击分量分离操作，即对采集的控制信号减去一个预设的冲击信号，当残余信号的峭度值最小时，即可估计获得冲击信号分量的幅值和位置。具体地，可以表示为

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号。

为残余信号，y(t)为实测的控制信号，

为待估计的冲击信号。利用非线性优化方法，通过寻找最优的幅值和冲击位置来使得残余信号的峭度最小，表示为

7)对分离的随机信号分量和冲击信号分量分别作功率谱密度估计和冲击幅值估计，记为S_yy和A_y，同时对控制谱矩阵S_yy进行Cholesky分解，表示为：

8)计算控制谱和参考谱以及控制幅值与参考幅值之间的误差矩阵，记为：

9)判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤10)，否则退出修正算法。

10)随机信号分量和冲击信号分量的控制算法分别表示为：

L^(k+1)＝E_sL^(k)

A^(k+1)＝E_kA^(k)

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L⁽⁰⁾＝L_r，A⁽⁰⁾＝A_r。

11)将修正后的矩阵L和A，代回步骤2和3进行新的多输入驱动信号计算。

一种多振动台冲击加随机振动试验算法分为以下步骤：

1)定义控制点参考谱矩阵S_rr和参考冲击幅值A_r，对参考谱矩阵进行Cholesky分解，记为：

其中，上标‘H’代表复共轭转置。

2)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝LP

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即为L_r；P为随机相位对角矩阵，对角元元素是

θ_k为服从-π～π均匀分布的随机相位，n为控制点数目。

3)对信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号,表示为

u^R＝IFFT(U)

加入冲击信号分量，则混合的参考信号可以表示为

u^M＝u^R+u^S

上式中的冲击信号分量表示为

其中，A为步骤1中定义的参考冲击幅值。k₁和k₂为幅值补偿系数，ω_s为冲击频率。幅值补偿系数、补偿信号的频率和冲击频率满足如下关系

ω₁(t₁-t₀)＝ω₂(t₂-t₁)＝2ω_s(t_m-t₂)＝π

通过调整设置幅值补偿系数和补偿信号的频率来完整定义冲击信号。

4)计算多输入的驱动信号，表示为

X＝ZU^M

其中X为耦合的驱动信号频谱；Z为对频响函数G求逆得到的矩阵；U^M为对u^M作傅氏变换得到的混合参考信号频谱。那么多输入时域驱动信号x可以通过对X作傅氏逆变换得到。

5)驱动信号经由信号输出模块输出并驱动控制对象振动。

6)利用加速度传感器采集振动响应信号，并通过信号输入模块传输至计算机系统。对采集的控制信号进行随机分量和冲击分量分离操作，即对采集的控制信号减去一个预设的冲击信号，当残余信号的峭度值最小时，即可估计获得冲击信号分量的幅值和位置。具体地，可以表示为

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号。

为残余信号，y(t)为实测的控制信号，

为待估计的冲击信号。利用非线性优化方法，通过寻找最优的幅值和冲击位置来使得残余信号的峭度最小，表示为

7)对分离的随机信号分量和冲击信号分量分别作功率谱密度估计和冲击幅值估计，记为S_yy和A_y，同时对控制谱矩阵S_yy进行Cholesky分解，表示为：

8)计算控制谱和参考谱以及控制幅值与参考幅值之间的误差矩阵，记为：

9)判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤10)，否则退出修正算法。

10)随机信号分量和冲击信号分量的控制算法分别表示为：

L^(k+1)＝E_sL^(k)

A^(k+1)＝E_kA^(k)

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L⁽⁰⁾＝L_r，A⁽⁰⁾＝A_r。

11)将修正后的矩阵L和A，代回步骤2和3进行新的多输入驱动信号计算。

一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法，包括以下步骤：

21)设置多振动台冲击加随机振动试验的试验条件和试验参数。所述试验参数包括控制频带、谱线数、三个正交轴向XYZ的参考自功率谱密度和互功率谱密度、三个正交轴向XYZ的参考冲击幅值。

2)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。控制对象的频响函数矩阵在低量级下进行测试，或从先前的试验数据中导入。

3)计算初始的时域驱动信号，通过输出模块加载到三轴向振动台系统上。

4)通过加速度传感器和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，计算分离的随机信号分量的控制谱和参考谱之间的误差矩阵以及分离的冲击信号分量的参考幅值与控制幅值之间的误差矩阵。

5)判断随机信号分量的功率谱与冲击分量的幅值的误差阈值，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。

本发明的一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法，能够同时对响应信号的随机分量和冲击分量进行分离并独立控制。本发明的试验系统及方法对变量控制稳定，结果精确，完全能够满足多输入多输出混合型振动环境试验的要求。

附图说明

图1为多振动台冲击加随机振动试验系统工作流程图。

图2为多振动台冲击加随机振动试验算法流程框图。

图3为本发明实施实例所设置的试验示意图。

图4为本发明实施实例所设置的试验条件，其中对角线元素为三个正交轴向XYZ的功率谱参考曲线，非对角线元素为三个正交轴向XYZ之间的相干系数和相位差参考曲线。

图5为本发明实施实例三轴向冲击加随机振动试验的随机信号分量的控制效果图，其中对角线元素为三个正交轴向XYZ的功率谱控制曲线，非对角线元素为三个正交轴向XYZ之间的相干系数和相位差控制曲线。

图6为本发明实施实例三轴向冲击加随机振动试验的冲击信号分量的控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所述的多振动台冲击加随机振动试验系统主要有如下部分：

首先，构建多振动台冲击加随机振动试验数字控制系统①。这部分由计算机来实现。计算机内安装多振动台冲击加随机振动试验算法程序，主要执行振动控制算法、数据处理以及结果显示等功能。

其次，构建信号发送与采集系统②。这部分主要由集成式的数据采集系统实现。完整的数据采集系统包括控制模块，信号输出模块，信号输入模块。

最后，构建振动试验系统③。这部分为试验对象内容，主要包括激振装置，功率放大器，传感器，夹具，试验件等。

其中，多振动台冲击加随机振动试验控制算法程序分为以下几个步骤：

1、定义控制点参考谱矩阵S_rr和参考冲击幅值A_r，对参考谱矩阵进行Cholesky分解，记为：

其中上标‘H’代表复共轭转置。

2、添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝LP

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即为L_r；P为随机相位对角矩阵，对角元元素是

θ_k为服从-π～π均匀分布的随机相位，n为控制点数目。

3、对信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号,表示为

u^R＝IFFT(U)

加入冲击信号分量，则混合的参考信号可以表示为

u^M＝u^R+u^S

上式中的冲击信号分量表示为

其中，A为步骤1中定义的参考冲击幅值。k₁和k₂为幅值补偿系数，ω_s为冲击频率。幅值补偿系数、补偿信号的频率和冲击频率满足如下关系

ω₁(t₁-t₀)＝ω₂(t₂-t₁)＝2ω_s(t_m-t₂)＝π

通过调整设置幅值补偿系数和补偿信号的频率来完整定义冲击信号。

4、计算多输入的驱动信号，表示为

X＝ZU^M

其中X为耦合的驱动信号频谱；Z为对频响函数G求逆得到的矩阵；U^M为对u^M作傅氏变换得到的混合参考信号频谱。那么多输入时域驱动信号x可以通过对X作傅氏逆变换得到。

5、驱动信号经由信号输出模块输出并驱动控制对象振动。

6、利用加速度传感器采集振动响应信号，并通过信号输入模块传输至计算机系统。对采集的控制信号进行随机分量和冲击分量分离操作，即对采集的控制信号减去一个预设的冲击信号，当残余信号的峭度值最小时，即可估计获得冲击信号分量的幅值和位置。具体地，可以表示为

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号。

为残余信号，y(t)为实测的控制信号，

为待估计的冲击信号。利用非线性优化方法，通过寻找最优的幅值和冲击位置来使得残余信号的峭度最小，表示为

7、对分离的随机信号分量和冲击信号分量分别作功率谱密度估计和冲击幅值估计，记为S_yy和A_y，同时对控制谱矩阵S_yy进行Cholesky分解，表示为：

8、计算控制谱和参考谱以及控制幅值与参考幅值之间的误差矩阵，记为：

9、判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤10，否则退出修正算法。

10、随机信号分量和冲击信号分量的控制算法分别表示为：

L^(k+1)＝E_sL^(k)

A^(k+1)＝E_kA^(k)

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L⁽⁰⁾＝L_r，A⁽⁰⁾＝A_r。

11、将修正后的矩阵L和A，代回步骤2和3进行新的多输入驱动信号计算。

图3所示是本发明实施实例的三轴向冲击加随机振动试验的示意图。

在本实例中采用美国National Instruments公司的信号数据采集发送系统。输入和输出模块分别为PXIe-4492和PXI-6733，控制器模块为PXIe-8880模块，整个三大模块集成在PXIe-1062Q的机箱中。其中，控制器模块通过以太网卡接口连接计算机系统并进行通讯。计算机系统扮演上位机角色，通过里面的控制软件与用户交互，包括输入指令和显示结果等。下位机即为控制器模块系统，其内嵌高性能处理器，能够实时处理数据和分析数据。

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。

试验主要有如下几个步骤：

1、设置多振动台冲击加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。三个正交轴向XYZ的参考自功率谱密度和互功率谱密度如图4所示，三个正交轴向XYZ的参考冲击幅值分别为1、1和1.5g。

2、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。控制对象的频响函数矩阵在低量级下进行测试，也可从先前的试验数据中导入。

3、开始试验。首先计算初始的时域驱动信号，通过输出模块加载到三轴向振动台系统上。

4、通过加速度传感器和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，计算分离的随机信号分量的控制谱和参考谱之间的误差矩阵以及分离的冲击信号分量的参考幅值与控制幅值之间的误差矩阵。

5、判断随机信号分量的功率谱与冲击分量的幅值的误差阈值，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

本实例三轴向冲击加随机振动试验控制效果如图5和图6所示。图5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，实线是控制谱线，从图中可以看到，三个轴向的随机信号分量的控制谱自谱密度的谱线基本都在参考谱的±3dB误差限内，高频段个别谱线超出±3dB误差限，总体而言功率谱的控制效果令人满意。图6为各轴向冲击信号分量的幅值控制效果图，从图中可以看出约2次均衡修正后，冲击分量的响应幅值被稳定地控制在参考值附近。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (3)

1.一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统，其特征在于，包括数字控制子系统、信号发送与采集子系统及振动试验子系统；所述数字控制子系统由计算机实现，所述计算机安装有多振动台冲击加随机振动试验算法程序；所述信号发送与采集子系统包括控制模块、信号输出模块和信号输入模块；所述振动试验子系统包括激振装置、功率放大器、传感器、夹具和试验件；

所述多振动台冲击加随机振动试验算法程序采用的算法分为以下步骤：

1)定义控制点参考谱矩阵S_rr和参考冲击幅值A_r，对参考谱矩阵进行Cholesky分解，记为：

其中，上标‘H’代表复共轭转置；

2)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝LP

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即为L_r；P为随机相位对角矩阵，对角元元素是

θ_k为服从-π～π均匀分布的随机相位，n为控制点数目；

3)对信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号,表示为

u^R＝IFFT(U)

加入冲击信号分量，则混合的参考信号可以表示为

u^M＝u^R+u^S

上式中的冲击信号分量表示为

其中，A为步骤1中定义的参考冲击幅值；k₁和k₂为幅值补偿系数，ω_s为冲击频率；幅值补偿系数、补偿信号的频率和冲击频率满足如下关系

ω₁(t₁-t₀)＝ω₂(t₂-t₁)＝2ω_s(t_m-t₂)＝π

通过调整设置幅值补偿系数和补偿信号的频率来完整定义冲击信号；

4)计算多输入的驱动信号，表示为

X＝ZU^M

其中X为耦合的驱动信号频谱；Z为对频响函数G求逆得到的矩阵；U^M为对u^M作傅氏变换得到的混合参考信号频谱；那么多输入时域驱动信号x可以通过对X作傅氏逆变换得到；

5)驱动信号经由信号输出模块输出并驱动控制对象振动；

6)利用加速度传感器采集振动响应信号，并通过信号输入模块传输至计算机系统；对采集的控制信号进行随机分量和冲击分量分离操作，即对采集的控制信号减去一个预设的冲击信号，当残余信号的峭度值最小时，即可估计获得冲击信号分量的幅值和位置；具体地，可以表示为

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号；

为残余信号，y(t)为实测的控制信号，

为待估计的冲击信号；利用非线性优化方法，通过寻找最优的幅值和冲击位置来使得残余信号的峭度最小，表示为

7)对分离的随机信号分量和冲击信号分量分别作功率谱密度估计和冲击幅值估计，记为S_yy和A_y，同时对控制谱矩阵S_yy进行Cholesky分解，表示为：

8)计算控制谱和参考谱以及控制幅值与参考幅值之间的误差矩阵，记为：

9)判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤10)，否则退出修正算法；

10)随机信号分量和冲击信号分量的控制算法分别表示为：

L^(k+1)＝E_sL^(k)

A^(k+1)＝E_kA^(k)

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L⁽⁰⁾＝L_r，A⁽⁰⁾＝A_r；

11)将修正后的矩阵L和A，代回步骤2和3进行新的多输入驱动信号计算。

2.一种多振动台冲击加随机振动试验算法，其特征在于，分为以下步骤：

1)定义控制点参考谱矩阵S_rr和参考冲击幅值A_r，对参考谱矩阵进行Cholesky分解，记为：

其中，上标‘H’代表复共轭转置；

2)添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝LP

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即为L_r；P为随机相位对角矩阵，对角元元素是

θ_k为服从-π～π均匀分布的随机相位，n为控制点数目；

3)对信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号,表示为

u^R＝IFFT(U)

加入冲击信号分量，则混合的参考信号可以表示为

u^M＝u^R+u^S

上式中的冲击信号分量表示为

其中，A为步骤1中定义的参考冲击幅值；k₁和k₂为幅值补偿系数，ω_s为冲击频率；幅值补偿系数、补偿信号的频率和冲击频率满足如下关系

ω₁(t₁-t₀)＝ω₂(t₂-t₁)＝2ω_s(t_m-t₂)＝π

通过调整设置幅值补偿系数和补偿信号的频率来完整定义冲击信号；

4)计算多输入的驱动信号，表示为

X＝ZU^M

其中X为耦合的驱动信号频谱；Z为对频响函数G求逆得到的矩阵；U^M为对u^M作傅氏变换得到的混合参考信号频谱；那么多输入时域驱动信号x可以通过对X作傅氏逆变换得到；

5)驱动信号经由信号输出模块输出并驱动控制对象振动；

6)利用加速度传感器采集振动响应信号，并通过信号输入模块传输至计算机系统；对采集的控制信号进行随机分量和冲击分量分离操作，即对采集的控制信号减去一个预设的冲击信号，当残余信号的峭度值最小时，即可估计获得冲击信号分量的幅值和位置；具体地，可以表示为

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号；

为残余信号，y(t)为实测的控制信号，

为待估计的冲击信号；利用非线性优化方法，通过寻找最优的幅值和冲击位置来使得残余信号的峭度最小，表示为

7)对分离的随机信号分量和冲击信号分量分别作功率谱密度估计和冲击幅值估计，记为S_yy和A_y，同时对控制谱矩阵S_yy进行Cholesky分解，表示为：

8)计算控制谱和参考谱以及控制幅值与参考幅值之间的误差矩阵，记为：

9)判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤10)，否则退出修正算法；

10)随机信号分量和冲击信号分量的控制算法分别表示为：

L^(k+1)＝E_sL^(k)

A^(k+1)＝E_kA^(k)

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L⁽⁰⁾＝L_r，A⁽⁰⁾＝A_r；

11)将修正后的矩阵L和A，代回步骤2和3进行新的多输入驱动信号计算。

3.一种用于多振动台冲击加随机振动试验的系统及方法，其特征在于，包括以下步骤：

21)设置多振动台冲击加随机振动试验的试验条件和试验参数；所述试验参数包括控制频带、谱线数、三个正交轴向XYZ的参考自功率谱密度和互功率谱密度、三个正交轴向XYZ的参考冲击幅值；

2)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；控制对象的频响函数矩阵在低量级下进行测试，或从先前的试验数据中导入；

3)计算初始的时域驱动信号，通过输出模块加载到三轴向振动台系统上；

4)通过加速度传感器和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，计算分离的随机信号分量的控制谱和参考谱之间的误差矩阵以及分离的冲击信号分量的参考幅值与控制幅值之间的误差矩阵；

5)判断随机信号分量的功率谱与冲击分量的幅值的误差阈值，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。

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