CN113204255B - 一种多自由度振动台功率谱加载控制方法 - Google Patents

一种多自由度振动台功率谱加载控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多自由度振动台功率谱加载控制方法，包括以下步骤：S1.获取目标功率谱密度信号；S2.基于目标功率谱密度信号进行随机相位Gω变换，获得伪随机谱信号；S3.基于伪随机谱信号，经过运算生成驱动谱；S4.基于驱动谱获得轴驱动信号，将轴驱动信号输入到作动器中并驱动振动台进行动作，获得响应谱；S5.将响应谱进行随机相位Gω反变换以及误差修正，并反馈给目标功率谱密度信号，重复S1‑S5，获得随机功率谱密度信号；S6.对S4中的响应谱进行实时补偿耦合，并通过作动器输出到振动台。本发明在多自由度随机振动实验中，通过将当前通道功率谱信号实时补偿到其他各个通道，对其他通道的耦合实现了有效抑制。

Description

一种多自由度振动台功率谱加载控制方法
技术领域
本发明涉及功率谱加载控制领域，特别涉及一种多自由度振动台功率谱加载控制方法。
背景技术
随机振动实验可以模拟产品在运输、安装及使用环境中遭受的各种振动环境，用来评定产品的抗振动性能。日常实验中可以生成符合给定功率谱密度函数的随机噪声来模拟随机振动。而振动台能准确的复现给定的功率谱或者波形，再现真实的振动环境，常用于对设备进行振动模拟试验。
在随机控制测试实验中，振动台的驱动方式为使其加速度的功率谱密度PSD(Power Spectral Density)匹配预定义的目标功率谱密度PSD，而目前大多数振动实验中通常由单个振动台进行，进而测试安装在该振动台上的试件，在上述过程中发现单个振动台不能复制多个振动台来模拟分析一些多自由度的振动实验。因此，本发明提出一种多自由度振动台功率谱加载控制方法，在保证目标轴功率谱密度PSD(Power SpectralDensity)匹配预定义的目标PSD的情况下，同时实现振动台多自由度功率谱加载的在线动态补偿控制，实时抑制耦合振动是非常必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种多自由度振动台功率谱加载控制方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够实现多自由度振动台功率谱控制，保证预设轴实现预期控制的情况下，并实时抑制其他各轴之间的耦合振动。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多自由度振动台功率谱加载控制方法，用于多输入多输出MIMO的随机振动控制系统，包括以下步骤：
S1.获取目标功率谱密度信号；
S2.基于所述目标功率谱密度信号进行随机相位Gω变换，获得伪随机谱信号；
S3.基于所述伪随机谱信号，经过运算生成驱动谱；
S4.基于所述驱动谱获得轴驱动信号，将所述轴驱动信号输入到作动器中并驱动振动台进行动作，获得响应谱；
S5.将所述响应谱进行随机相位Gω反变换以及误差修正，并反馈给所述目标功率谱密度信号，获得反馈功率谱密度信号，重复所述S1-S5，获得随机功率谱密度信号；
S6.对所述S4中的响应谱进行实时补偿耦合，获得其他轴驱动信号，并通过所述作动器输出到振动台。
优选地，所述S2中的随机相位Gω存储于所述多输入多输出MIMO的随机振动控制系统中。
优选地，所述S3中的驱动谱的具体运算过程为：先进行系统矩阵运算，再进行迭代，并对所述伪随机谱信号进行偏差修正。
优选地，所述误差修正包括随机偏移量计算和FFT滤波处理。
优选地，所述随机偏移量计算具体为：
Tn＝Tn-1+Δtn
其中，Tn为当前时间的功率谱密度信号，Tn-1为前一时间的功率谱密度信号，Δtn为Tn与Tn-1的变化值。
优选地，所述振动台或用于获得所述反馈功率谱密度信号的试件上设有加速度计，用于对随机振动测试进行反馈。
优选地，基于随机控制测试所述振动台的驱动方式为，根据所述加速度计获得加速度，并使所述加速度的功率谱密度匹配所述目标功率谱密度。
优选地，所述S5中的随机功率谱密度信号由若干个播放器和若干个记录器进行交替播放、记录。
本发明公开了以下技术效果：
1、功率谱信号易获取，可广泛应用于随机振动实验。
2、迭代算法使控制器快速地收敛到目标或处理干扰。
3、该算法根据目标谱分解成系列小的伪随机信号，再进行迭代逼近目标值，分解过程中的随机点被记录下来供后续反算验证。
4、该控制算法可同时满足多轴向的目标功率谱迭代计算。
5、该算法可以持续生成真正意义上的不重复随机信号，持续整个实验过程。
6、在多自由度随机振动实验中，当前通道功率谱信号实时补偿到其他各个通道，有效抑制其他通道的耦合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明实施例中生成实时随机PSD信号的流程图；
图3为本发明中PSD谱信号加载迭代控制的波形对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种多自由度振动台功率谱加载控制方法，用于多输入多输出MIMO的随机振动控制系统，具体包括如下步骤：
S1.获取目标功率谱密度信号Y；
S2.基于所述目标功率谱密度信号进行随机相位Gω变换，将随机相位叠加到原信号中，获得伪随机谱信号GY；并将随机相位Gω存储于所述多输入多输出MIMO的随机振动控制系统中；
S3.基于所述伪随机谱信号，先进行系统矩阵运算，再进行迭代，使所述伪随机谱信号接近目标值，生成驱动谱*X；系统矩阵运算是根据当前系统信息，在低幅度白噪声激励下进行目标识别，获取当前系统矩阵，系统矩阵会在迭代中参与运算，以获得系统响应，在每次迭代中都要将整个时间历程的控制信号作用于控制系统，并获取响应信号(伪随机谱信号)进行修正，所述S3中的驱动谱的具体运算过程为：
S3.1、基于所述多输入多输出MIMO的随机振动控制系统，在低幅度白噪音激励下，构建系统频域参考模型；
S3.2、通过对期望的响应信号进行计算，获得驱动信号；
S3.3.根据所述驱动信号下的响应与期望响应的偏差，对所述驱动信号进行修正；
S3.4.重复步骤S3.3直到获得满足要求的响应信号，生成驱动谱。
S4.基于所述驱动谱获得轴驱动信号cmd，将所述轴驱动信号输入到作动器中并驱动振动台进行动作，获得响应谱*Y；
S5.将所述响应谱进行随机相位Gω反变换以及误差修正，经过随机偏移量计算和FFT滤波处理后反馈给所述目标功率谱密度信号，获得反馈功率谱密度信号，重复所述S1-S5步骤，从而持续产生随机功率谱密度信号；
其中，随机偏移量计算具体为：
Tn＝Tn-1+Δtn
FFT滤波处理为：
Tn＝FFT(Tn)
式中，Tn为当前时间的功率谱密度PSD信号，Tn-1为前一时间的功率谱密度PSD信号，Δtn为Tn与Tn-1的变化值，Δtn可以设置其允许变化范围(比如±0.1g)。
S6.对所述S4中的响应谱进行实时补偿耦合，获得其他轴驱动信号，并通过所述作动器输出到振动台，振动台根据PSD生成的驱动信号作用于试件。在此过程中产生的信号值实时反馈到其他轴向，从而有效抑制其他轴之间耦合影响，达到实时动态补偿的目的。补偿耦合的具体过程为：在多自由度系统进行振动实验时，每个轴向的振动都会影响其他轴的实际振动，因此首先获取目标轴向的驱动信号，此时按照这个驱动信号计算出耦合误差，再将耦合误差加权到其他轴的驱动信号中，对其他轴驱动信号进行有效抑制，完成补偿耦合。
上述方法可以持续生成真正意义上的不重复随机信号，其核心为随机相位的变化，在所应用的多输入多输出MIMO随机振动试验中，其控制一个系统的多个自由度中的随机运动，同时最小化与运动轴物理交叉耦合的其他轴上的不必要的运动，并且为了继续提高随机性，能够将功率谱进一步修正。
利用多输入多输出MIMO随机振动试验测试安装在振动台上的试件，通过使振动台安装加速度计，实现振动台在位移上的控制，获得随机测试反馈，还能够在试件上安装单独的加速度计，测量试件顶部的垂直加速度，并与振动台加速度进行比较。对于随机控制测试，振动台的驱动方式是其加速度的功率谱密度PSD匹配预定义的目标PSD。
参照图2-3所示，本实施例中通过利用两个播放器(Replayer)和两个记录器(Datalogger)实现交替播放、记录和生成实时随机PSD信号，具体实现流程为：
当多输入多输出MIMO的随机振动控制系统输入目标功率谱密度信号Y时，经过随机相位处理后生成驱动功率谱密度信号X1，播放器1开始播放生成的驱动功率谱密度信号X1，此时记录器1记录驱动功率谱密度信号X1，并根据随机相位处理生成驱动功率谱密度信号X2；当播放器1播放驱动功率谱密度信号X1结束后，立即启动播放器2开始播放驱动功率谱密度信号X2，此时记录器2记录驱动功率谱密度信号X2，并根据随机相位处理生成驱动功率谱密度信号X3；当播放器2播放结束后立即启动播放器1开始播放驱动功率谱密度信号X3，此时记录器2记录驱动功率谱密度信号X3，并根据随机相位处理生成驱动功率谱密度信号X4，按照此方式一直交替往复，即能够生成实时和严格意义上的随机信号。
如果测试是第一次开始的(它在之前的中断后没有被恢复)，那么经过的时间可能需要重新设置，以便使用正确的测量测试持续时间。随机命令将从一个非常低的水平频率开始，并逐渐增加，直到目标和实现PSD之间的误差在选择的频率范围内达到最小。在加入目标功率谱密度信号后，系统实时将驱动谱信号迭代趋近目标功率谱密度。期间有最低容差和最高容差，当实验过程中驱动谱超过最低容差或最高容差范围，系统即停止，不再继续实验。
本发明的目的在于提供一种多自由度振动台功率谱加载控制算法，该算法实现多自由度振动台功率谱控制，保证预设轴实现预期控制的情况下，并实时抑制其他各轴之间的耦合振动。功率谱加载控制可以同时将目标谱应用在多个轴向上。本发明具有方法迭代速度快，效率高，系统稳定性好的特点，且实际功率谱信号能够快速准确地趋近目标信号。该发明既具有理论意义，也在实际应用中能够提高效率。将该算法应用于多输入多输出随机振动实验系统，从实验的角度论证本控制算法的有效性。
本发明公开了以下技术效果：
1、功率谱信号易获取，可广泛应用于随机振动实验。
2、迭代算法使控制器快速地收敛到目标或处理干扰。
3、该算法根据目标谱分解成系列小的伪随机信号，再进行迭代逼近目标值，分解过程中的随机点被记录下来供后续反算验证。
4、该控制算法可同时满足多轴向的目标功率谱迭代计算。
5、该算法可以持续生成真正意义上的不重复随机信号，持续整个实验过程。
6、在多自由度随机振动实验中，当前通道功率谱信号实时补偿到其他各个通道，有效抑制其他通道的耦合。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多自由度振动台功率谱加载控制方法，用于多输入多输出MIMO的随机振动控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1.获取目标功率谱密度信号；
S2.基于所述目标功率谱密度信号进行随机相位Gω变换，获得伪随机谱信号；
S3.基于所述伪随机谱信号，先进行系统矩阵运算，再进行迭代，并对所述伪随机谱信号进行偏差修正，生成驱动谱；
其中所述驱动谱的生成包括：
S3.1、基于所述多输入多输出MIMO的随机振动控制系统，在低幅度白噪音激励下，构建系统频域参考模型；
S3.2、通过对期望的响应信号进行计算，获得驱动信号；
S3.3.根据所述驱动信号下的响应与期望响应的偏差，对所述驱动信号进行修正；
S3.4.重复步骤S3.3直到获得满足要求的响应信号，生成驱动谱；
S4.基于所述驱动谱获得轴驱动信号，将所述轴驱动信号输入到作动器中并驱动振动台进行动作，获得响应谱；
S5.将所述响应谱进行随机相位Gω反变换以及误差修正，并反馈给所述目标功率谱密度信号，获得反馈功率谱密度信号，重复所述S1-S5，获得随机功率谱密度信号；
S6.对所述S4中的响应谱进行实时补偿耦合，获得其他轴驱动信号，并通过所述作动器输出到振动台；
在通过振动台进行多轴驱动时，首先需要获取目标轴向的驱动信号，再基于所述目标轴向的驱动信号计算耦合误差，并将所述耦合误差加权到其他轴的所述驱动信号中，完成补偿耦合。
2.根据权利要求1所述的多自由度振动台功率谱加载控制方法，其特征在于，所述S2中的随机相位Gω存储于所述多输入多输出MIMO的随机振动控制系统中。
3.根据权利要求1所述的多自由度振动台功率谱加载控制方法，其特征在于，所述误差修正包括随机偏移量计算和FFT滤波处理。
4.根据权利要求3所述的多自由度振动台功率谱加载控制方法，其特征在于，所述随机偏移量计算具体为：
Tn＝Tn-1+Δtn
其中，Tn为当前时间的功率谱密度信号，Tn-1为前一时间的功率谱密度信号，Δtn为Tn与Tn-1的变化值。
5.根据权利要求1所述的多自由度振动台功率谱加载控制方法，其特征在于，所述振动台或用于获得所述反馈功率谱密度信号的试件上设有加速度计，用于对随机振动测试进行反馈。
6.根据权利要求5所述的多自由度振动台功率谱加载控制方法，其特征在于，基于所述随机振动测试，所述振动台的驱动方式为：根据所述加速度计获得加速度，并使所述加速度的功率谱密度匹配所述目标功率谱密度。
7.根据权利要求1所述的多自由度振动台功率谱加载控制方法，其特征在于，所述S5中的随机功率谱密度信号由若干个播放器和若干个记录器进行交替播放、记录。
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