CN114577425A - 用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法 - Google Patents

用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，涉及振动试验领域，包括S1、获取振动试验系统的输入信号和振动试验点的输出信号；S2、功率谱密度估计获得输入谱矩阵；S3、判断每个频率的输入谱矩阵的奇异性，若输入普矩阵为非奇异矩阵，则进入S5，若输入普矩阵为奇异矩阵，则进入S4；S4、修正奇异矩阵，直到成为非奇异矩阵，并进入S5；S5、输出传递函数矩阵识别结果；通过对输入谱矩阵进行修正，可以确保传递函数矩阵识别过程不会因为输入谱矩阵的奇异性而中断，从而实现MIMO控制中传递函数识别的实时性。

Description

用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法
技术领域
本发明涉及振动试验领域，尤其涉及一种用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法。
背景技术
在装备振动环境试验技术领域，多激振器试验方法是一种新的环境效应考核手段，可应用于多轴振动环境模拟或多振动台并推振动试验加载。这种试验方法建立在多点激励控制方法的基础上，如MIMO控制方法，首先通过实测输入谱(激励驱动电压信号)矩阵和输出谱(响应加速度信号)矩阵，识别系统传递函数，然后实现输入谱矩阵的均衡，以满足响应加速度逼近谱矩阵的目的。
MIMO控制算法中，传递函数矩阵的识别需要对输入谱矩阵进行求逆运算，而矩阵求逆要求满足非奇异条件。工程应用中，输入谱矩阵出现奇异的工况难以避免，例如测量误差会导致信号的独立性差继而导致输入谱矩阵奇异、并推试验的同步性要求使得激励间互为相干信号等。应用MIMO控制方法时，当遇到求逆无法实现的工况，常规的处理办法是借用低量级试验的传递函数矩阵识别结果，而不进行传递函数实时更新。无法实现传递函数的实时更新，对多输入多输出振动试验的控制带来了固有风险。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，包括：
S1、获取振动试验系统的输入信号和振动试验点的输出信号；
S2、功率谱密度估计获得输入谱矩阵；
S3、判断每个频率的输入谱矩阵的奇异性，若输入普矩阵为非奇异矩阵，则进入S5，若输入普矩阵为奇异矩阵，则进入S4；
S4、修正奇异矩阵，直到成为非奇异矩阵，并进入S5；
S5、输出传递函数矩阵识别结果。
本发明的有益效果在于：通过对输入谱矩阵进行修正，可以确保传递函数矩阵识别过程不会因为输入谱矩阵的奇异性而中断，从而实现MIMO控制中传递函数识别的实时性。
附图说明
图1是本发明用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，包括：
S1、获取振动试验系统的输入信号和规定的振动试验控制点的输出信号，输入信号为x1(ti),x2(ti),......,xN(ti)，i＝0,1,......,ND-1，输出信号为a1(ti),a2(ti),......,aN(ti)，采样时间间隔为Ts；
S2、功率谱密度估计获得输入谱矩阵
Figure BDA0003534751560000031
输出谱矩阵
Figure BDA0003534751560000032
以及输入输出互功率谱矩阵
Figure BDA0003534751560000033
l,m＝1,2,......,M；k＝1,2,......NF，
Figure BDA0003534751560000034
Figure BDA0003534751560000041
X()、A()是x()、a()的傅里叶变换，Ak(m) *、Xk(m) *是X()、A()的共轭；
S3、计算输入谱矩阵的行列式计算值作为输入谱矩阵的非奇异因子θk，
Figure BDA0003534751560000042
并根据非奇异因子和预先设定的阈值判断每个频率的输入谱矩阵的奇异性，若输入普矩阵为非奇异矩阵，则进入S5，若输入普矩阵为奇异矩阵，则进入S4；
S4、修正奇异矩阵，直到成为非奇异矩阵，并进入S5，具体包括：
S41、通过列/行矩阵的摄动修正，形成虚拟输入谱矩阵
Figure BDA0003534751560000043
S411、生成2组各M个独立的摄动因子，摄动因子为M个取值在[-1,+1]之间的正态分布数，
Figure BDA0003534751560000044
S412、对奇异矩阵
Figure BDA0003534751560000045
进行摄动修正，构建2个虚拟输入谱矩阵
Figure BDA0003534751560000046
行矩阵摄动修正时，取l为某一固定值如第一行取l＝1，m＝1,2,......,M，虚拟输入谱矩阵为这一行的摄动修正；类似地，如果选择列矩阵摄动修正，则取m为某一固定值如第一列取m＝1，l＝1,2,......,M。
S42、计算虚拟输入谱矩阵的非奇异因子θk，并根据非奇异因子和预先设定的阈值判断虚拟输入谱矩阵的奇异性，若虚拟输入普矩阵为非奇异矩阵，则进入S43，若虚拟输入普矩阵为奇异矩阵，则返回S41；
S43、用2组虚拟输入谱矩阵激励试验件系统，测量响应加速度；
S44、估计虚拟输出谱矩阵
Figure BDA0003534751560000047
和
Figure BDA0003534751560000048
S45、摄动识别传递函数矩阵
Figure BDA0003534751560000051
Figure BDA0003534751560000052
S46、以摄动传递函数矩阵识别结果进行激励均衡修正并作用于试验件，实测并估计其响应加速度功率谱密度矩阵
Figure BDA0003534751560000053
构建虚拟识别传递函数精度因子ξ，
Figure BDA0003534751560000054
S47、判断精度因子ξ0是否满足预先设定的精度指标ξ0，即ξ≤ξ0，若满足，则直接进入S5，若不满足，则减小摄动因子取值期间，并返回S41。
S5、输出传递函数矩阵识别结果，具体为：
若由S3直接进入S5，输出的传递函数矩阵识别结果为直接识别传递函数的识别结果
Figure BDA0003534751560000055
Figure BDA0003534751560000056
为输入输出互功率谱矩阵，
Figure BDA0003534751560000057
输出谱矩阵
Figure BDA0003534751560000058
Figure BDA0003534751560000059
其中l,m＝1,2,......,M；k＝1,2,......NF；
若由S4进入S5，则输出的传递函数矩阵识别结果为摄动识别传递函数矩阵的识别结果，
Figure BDA00035347515600000510
该方法通过对输入谱矩阵进行摄动修正，可以确保传递函数矩阵识别过程不会因为输入谱矩阵的奇异性而中断，从而实现MIMO控制中传递函数识别的实时性。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，其特征在于，包括：
S1、获取振动试验系统的输入信号和振动试验点的输出信号；
S2、功率谱密度估计获得输入谱矩阵；
S3、判断每个频率的输入谱矩阵的奇异性，若输入普矩阵为非奇异矩阵，则进入S5，若输入普矩阵为奇异矩阵，则进入S4；
S4、修正奇异矩阵，直到成为非奇异矩阵，并进入S5；
S5、输出传递函数矩阵识别结果。
2.根据权利要求1所述的用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，其特征在于，在S3中，计算输入谱矩阵的非奇异因子，非奇异因子为输入谱矩阵的行列式计算值，根据非奇异因子判断每个频率的输入谱矩阵的奇异性。
3.根据权利要求1所述的用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，其特征在于，在S4中包括：
S41、通过列/行矩阵的摄动修正，形成虚拟输入谱矩阵
Figure FDA0003534751550000011
S42、判断虚拟输入谱矩阵的奇异性，若虚拟输入普矩阵为非奇异矩阵，则进入S43，若虚拟输入普矩阵为奇异矩阵，则返回S41；
S43、测量获取与虚拟输入普矩阵对应的输出信号；
S44、估计虚拟输出谱矩阵；
S45、摄动识别传递函数矩阵；
S46、以摄动传递函数矩阵识别结果进行激励均衡修正并作用于试验件，实测并估计其输出谱矩阵，构建虚拟识别传递函数精度因子；
S47、判断精度因子是否满足预先设定的精度指标，若满足，则直接进入S5，若不满足，则减小摄动因子取值期间，并返回S41。
4.根据权利要求3所述的用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，其特征在于，在S41中包括：
S411、生成2组各M个独立的摄动因子；
S412、对奇异矩阵进行摄动修正，构建2个虚拟输入谱矩阵。
5.根据权利要求3所述的用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，其特征在于，在①中，摄动因子为M个取值在[-1,+1]之间的正态分布数，
Figure FDA0003534751550000021
6.根据权利要求3所述的用于多输入多输出振动试验系统的传递函数识别方法，其特征在于，在S5中，若由S3直接进入S5，输出的传递函数矩阵识别结果为直接识别传递函数的识别结果，若由S4进入S5，则输出的传递函数矩阵识别结果为摄动识别传递函数矩阵的识别结果。
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