專利名稱：振動臺沖擊響應(yīng)生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動臺控制技術(shù)，具體說就是一種振動臺沖擊響應(yīng)生 成方法。
(二)
背景技術(shù)：
為了保證產(chǎn)品承受非重復(fù)性機(jī)械沖擊的適應(yīng)性，許多產(chǎn)品在出廠 前都需要經(jīng)受沖擊試驗(yàn)的考核，尤其是軍用設(shè)備。沖擊試驗(yàn)的目的主 要是用來確定元件、設(shè)備在使用和運(yùn)輸過程中經(jīng)受非多次重復(fù)的機(jī)械 沖擊的適應(yīng)性，以及評價結(jié)構(gòu)的完好性，其次還可以用于微電子器件 的內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。繼電器等開關(guān)類器件更容易受到?jīng)_擊的影響，圓軍標(biāo)
65B對繼電器有詳細(xì)規(guī)定，當(dāng)繼電器按國軍標(biāo)360A中方法213規(guī)定 的條件A 、 B或C進(jìn)行試驗(yàn)時，閉合觸點(diǎn)的斷開不得超過10us，斷 開觸點(diǎn)的閉合或橋接不得超過lus，不允許有機(jī)械或電氣損壞現(xiàn)象。
電動式振動臺是目前使用最廣泛的一種振動測試設(shè)備。電動式振 動臺的頻率范圍寬，小型振動臺頻率范圍為0-10kHz;動態(tài)范圍寬， 易于實(shí)現(xiàn)自動或手動控制，加速度波形良好，適合產(chǎn)生隨機(jī)波，可得 到很大的加速度。雖然振動臺不如沖擊機(jī)產(chǎn)生的沖擊加速度大，但由 于振動臺良好的可控性，可以產(chǎn)生更符合標(biāo)準(zhǔn)的沖擊響應(yīng)。
沖擊振動控制就是依據(jù)振動系統(tǒng)特性，針對設(shè)定的沖擊波參數(shù)通 過適當(dāng)?shù)乃惴óa(chǎn)生控制信號，激勵電動式振動臺再現(xiàn)設(shè)定的沖擊波 形。方法213中規(guī)定的是一種復(fù)現(xiàn)沖擊波形方法，是時域波形在振動 臺上的再現(xiàn)。針對時域波形控制，傳統(tǒng)方法是采用波形幅值均衡法和 傳遞函數(shù)均衡法，此類方法對所模擬的典型沖擊脈沖時域波形進(jìn)行修 正及控制，利用數(shù)字式控制方法實(shí)現(xiàn)對振動臺控制點(diǎn)處的沖擊響應(yīng)信 號的精確控制。在控制過程中，不斷修正時域波形的幅值、延遲時間 等相關(guān)參數(shù)或不斷確定試驗(yàn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，再利用規(guī)定波形的傅里 葉變換得到新的驅(qū)動波形信號，從而完成多次重復(fù)的、閉環(huán)的修正過程。此類方法是通過實(shí)時試驗(yàn)并修正控制信號的方法實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)， 一方面，此類方法過程繁瑣并需要傅里葉變換、閉環(huán)控制等，整個控 制系統(tǒng)對硬件的要求被提高；另一方面，在沖擊試驗(yàn)修正的過程中，
模擬沖擊波形的一些參數(shù)，如幅值、時間延遲等將受到噪聲和設(shè)備等 因素的影響發(fā)生變化，雖然沖擊波形滿足預(yù)期要求，但是不能保證在 沖擊試驗(yàn)中沖擊產(chǎn)生時，每一次的驅(qū)動信號都相同，這樣會對實(shí)驗(yàn)結(jié) 果引入無法量化的擾動。
對振動臺實(shí)現(xiàn)良好的控制，得到其傳遞函數(shù)是非常關(guān)鍵的，但是 目前對振動臺參數(shù)的辨識研究較少，只有一些基于測量頻率特性而估 計(jì)參數(shù)的研究方法，且操作繁瑣，不利于工程應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種所生成的沖擊響應(yīng)具有利用系統(tǒng)資 源少、每次沖擊下響應(yīng)一致、可靠性高的振動臺沖擊響應(yīng)生成方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的振動臺沖擊響應(yīng)生成方法步 驟如下
一、 分析振動臺的力學(xué)模型，得到其理論傳遞函數(shù)；根據(jù)理論傳 遞函數(shù)推導(dǎo)其離散傳遞函數(shù)，進(jìn)而確定其零極點(diǎn)個數(shù)；
二、 根據(jù)辨識波形圖所示形式作為振動臺輸入信號，通過振動臺 控制驅(qū)動系統(tǒng)加載到振動臺；
三、 加速度信號作為輸出從振動臺臺面上的加速度傳感器輸出到 可存儲波形的示波器，示波器同時記錄振動臺輸入信號；
四、 將上一步輸入輸出數(shù)據(jù)保存至上位機(jī)，利用Matlab系統(tǒng)辨 識工具箱的信號處理工具處理輸入輸出數(shù)據(jù)；
五、 在Matlab系統(tǒng)辨識辨識工具箱中選擇ARX模型，零極點(diǎn)個
數(shù)按第二步結(jié)果選擇；
六、 進(jìn)行系統(tǒng)辨識，如果辨識結(jié)果與實(shí)際波形擬合不好，改變第 四步信號處理時濾波環(huán)節(jié)的閥值，直至擬合成功(擬合度超過60% 可認(rèn)定擬合成功)，擬合成功會得到振動臺的離散傳遞函數(shù)；
七、 通Matlab的d2c命令將離散傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成連續(xù)傳遞函數(shù)；八、 通過理論模型形式修正系統(tǒng)辨識的結(jié)果，用數(shù)值代替原有參
數(shù)；
九、 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入simulink參數(shù)估計(jì)，模型應(yīng)用理論模型，參數(shù)初 值采用上步獲得數(shù)值；
十、進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，如果估計(jì)不收斂，改變迭代規(guī)則，直至計(jì)算 收斂，最終得到接近真實(shí)模型的傳遞函數(shù)；
i^一、根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，在simulink中進(jìn)行PID仿真計(jì)算， 直至其生成符合國軍標(biāo)規(guī)定的波形復(fù)現(xiàn)法的沖擊響應(yīng)；
十二、將仿真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際，開環(huán)控制即滿足要求；也可以將 PID參數(shù)應(yīng)用到閉環(huán)控制中，最終生成符合國軍標(biāo)要求的沖擊響應(yīng)。
本發(fā)明提供一種振動臺沖擊響應(yīng)生成方法，該方法可以得到振動 臺準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)；在得到傳遞函數(shù)的情況下，通過仿真可得到理想 的控制方法；本發(fā)明生成的沖擊響應(yīng)嚴(yán)格符合國軍標(biāo)要求，并具有利 用系統(tǒng)資源少，每次沖擊下響應(yīng)一致，可靠性高的特點(diǎn)。
(四)


圖l為本發(fā)明的辨識波形圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)辨識流程圖3為本發(fā)明的振動臺控制驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖4為本發(fā)明的電動式振動臺等效參數(shù)模型圖5為本發(fā)明的6ms寬半正弦沖擊輸入和輸出響應(yīng)圖6為本發(fā)明的辨識出的沖擊的仿真輸出與實(shí)際輸出圖7為本發(fā)明的模型的PID控制方框圖8為本發(fā)明的開環(huán)控制的輸出與輸入圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1:結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明一種振動臺沖擊響應(yīng)生成方 法，所述的沖擊響應(yīng)生成方法步驟如下
一、分析振動臺的力學(xué)模型，得到其理論傳遞函數(shù)；根據(jù)理論傳 遞函數(shù)推導(dǎo)其離散傳遞函數(shù)，進(jìn)而確定其零極點(diǎn)個數(shù)；二、 根據(jù)辨識波形圖(圖l)所示形式作為振動臺輸入信號，通
過振動臺控制驅(qū)動系統(tǒng)加載到振動臺；
三、 加速度信號作為輸出從振動臺臺面上的加速度傳感器輸出到 可存儲波形的示波器，示波器同時記錄振動臺輸入信號；
四、 將上一步輸入輸出數(shù)據(jù)保存至上位機(jī)，利用Matlab系統(tǒng)辨 識工具箱的信號處理工具處理輸入輸出數(shù)據(jù)；
五、 在Matlab系統(tǒng)辨識辨識工具箱中選擇ARX模型，零極點(diǎn)個 數(shù)按第二步結(jié)果選擇；
六、 進(jìn)行系統(tǒng)辨識，如果辨識結(jié)果與實(shí)際波形擬合不好，改變第 四步信號處理時濾波環(huán)節(jié)的閥值，直至擬合成功(擬合度超過60% 可認(rèn)定擬合成功)，擬合成功會得到振動臺的離散傳遞函數(shù)；
七、 通Matlab的d2c命令將離散傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成連續(xù)傳遞函數(shù)；
八、 通過理論模型形式修正系統(tǒng)辨識的結(jié)果，用數(shù)值代替原有參
數(shù)；
九、 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入simulink參數(shù)估計(jì)，模型應(yīng)用理論模型，參數(shù)初 值采用上步獲得數(shù)值；
十、進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，如果估計(jì)不收斂，改變迭代規(guī)則，直至計(jì)算 收斂，最終得到接近真實(shí)模型的傳遞函數(shù)；
十一、根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，在simulink中進(jìn)行PID仿真計(jì)算， 直至其生成符合國軍標(biāo)規(guī)定的波形復(fù)現(xiàn)法的沖擊響應(yīng)要求；
十二、將傳真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際，開環(huán)控制即滿足要求；也可以將 PID參數(shù)應(yīng)用到閉環(huán)控制中，最終生成符合國軍標(biāo)要求的沖擊響應(yīng)。
實(shí)施例2，結(jié)合圖l、圖2、圖3、圖4、圖5，本發(fā)明振動臺沖 擊響應(yīng)生成方法，具體實(shí)施步驟如下
選擇生成沖擊的振動臺是某國產(chǎn)小型電動式振動臺。
第一步，分析振動臺的力學(xué)模型，得到其理論傳遞函數(shù)；根據(jù)理論傳
遞函數(shù)推導(dǎo)其離散傳遞函數(shù)，進(jìn)而確定其零極點(diǎn)個數(shù)；(結(jié)合圖3)
□"。,+化+"e (2)
=肌=祝， (3)
0D []
F = 5￡/。=附x+cx十Ax (4)
式中^一輸入電壓；Z。一濾波器等效電感；C。一濾波器等效電容； i ,一濾波器等效電阻；^一線圈電流；"。一線圈電壓；等效電阻； 丄一等效電感；5—?dú)庀洞琶?；F —電動力；電樞和工作臺質(zhì)量； c—阻尼比；yt—彈性系數(shù)；x—臺面位移；/一電樞等效長度；"。一 振動臺等效電壓；/。一驅(qū)動電流。
通常情況下可忽略模型中濾波器作用，將式(3)、 (4)代入式(2)
中，可得
W =——XH--XH--XH--X
" 說 放 說 說
經(jīng)拉氏變換，可得輸入電壓"。與振動加速度x的傳遞函數(shù)G(力
剛=見-^-r (6)
w。 0) (Ly+i )(ms^ + cs+A:)+s 將式(6)轉(zhuǎn)換成零極點(diǎn)表示形式
G(s) =-^- (7)
系統(tǒng)連續(xù)傳函為三階，同時含有三個極點(diǎn)和三個零點(diǎn)。為滿足數(shù) 字控制的要求，將理論模型的連續(xù)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散傳遞函數(shù)，從
而完成系統(tǒng)辨識。采用零階保持器^:串接連續(xù)傳函，由z^換得
式中T —采樣時間；a。 = —a3ewK ; a, = a3 (e+ + es'^ ); a2 = —a3(e''r + + ; a3 = (s, - s2)(s2 - - s3);<formula>formula see original document page 8</formula>得到離散域的零、極點(diǎn)數(shù)，主要是目的是獲得極點(diǎn)數(shù)，零點(diǎn)個數(shù)
為3，極點(diǎn)個數(shù)為3。
第二步，根據(jù)圖1的波形圖所示形式作為振動臺輸入信號，通過振動
臺控制驅(qū)動系統(tǒng)加載到振動臺；
第三步，加速度信號作為輸出從振動臺臺面上的加速度傳感器輸出到 可存儲波形的示波器，示波器同時記錄振動臺輸入信號；(結(jié)合圖4) 第四步，將上一步輸入輸出數(shù)據(jù)保存至上位機(jī)，利用Matlab系統(tǒng)辨 識工具箱的信號處理工具處理輸入輸出數(shù)據(jù)；
第五步，在Matlab系統(tǒng)辨識辨識工具箱中選擇ARX模型，零點(diǎn)個數(shù)
為3，極點(diǎn)個數(shù)為3，延遲選擇l (表示無延遲)；
第六步，進(jìn)行系統(tǒng)辨識，如果辨識結(jié)果與實(shí)際波形擬合不好，改變第
四步信號處理時濾波環(huán)節(jié)的閥值，直至擬合成功(擬合度超過60%
可認(rèn)定擬合成功)，擬合成功會得到振動臺的離散傳遞函數(shù)；(結(jié)合圖
<formula>formula see original document page 8</formula>
第七步，通Matlab的d2c命令將離散傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成連續(xù)傳遞函數(shù)；
<formula>formula see original document page 8</formula>
第八步，通過理論模型形式修正系統(tǒng)辨識的結(jié)果，用數(shù)值代替原有參 數(shù)；
<formula>formula see original document page 8</formula>(11)
第九步，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入simulink參數(shù)估計(jì)，模型應(yīng)用理論模型，參數(shù)初 值采用上步獲得數(shù)值；第十步，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，如果估計(jì)不收斂，改變迭代規(guī)則，直至計(jì)算
收斂，最終得到接近真實(shí)模型的傳遞函數(shù)；
卿=-n-- (13)
4.8451xl0-、3 +0.028289 +13.6235+1308.7
第H"^—步，根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，在simulink中進(jìn)行PID仿真計(jì)算， 直至其生成符合國軍標(biāo)規(guī)定的波形復(fù)現(xiàn)法的沖擊響應(yīng)要求；(結(jié)合圖 6)
第十二步，將傳真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際，開環(huán)控制即滿足要求；也可以將 PID參數(shù)應(yīng)用到閉環(huán)控制中，最終生成符合國軍標(biāo)要求的沖擊響應(yīng)。 (結(jié)合圖7)
產(chǎn)生一個時間為6 ms的半正弦沖擊，沖擊之后15ms產(chǎn)生了一個 向下的沖擊，這是因?yàn)閳D8所示是加速度波形，振動臺臺面在沖擊后 會保持靜止，加速度的積分值也就是振動臺臺面的運(yùn)動速度應(yīng)為零， 在仿真時PID閉環(huán)控制下，使得這個向下的補(bǔ)償沖擊延遲了 15ms， 滿足了國軍標(biāo)對沖擊的要求。
權(quán)利要求
1.一種振動臺沖擊響應(yīng)生成方法，其特征在于振動臺沖擊響應(yīng)生成方法步驟如下一、分析振動臺的力學(xué)模型，得到其理論傳遞函數(shù)；根據(jù)理論傳遞函數(shù)推導(dǎo)其離散傳遞函數(shù)，進(jìn)而確定其零極點(diǎn)個數(shù)；二、根據(jù)辨識波形圖所示形式作為振動臺輸入信號，通過振動臺控制驅(qū)動系統(tǒng)加載到振動臺；三、加速度信號作為輸出從振動臺臺面上的加速度傳感器輸出到可存儲波形的示波器，示波器同時記錄振動臺輸入信號；四、將上一步輸入輸出數(shù)據(jù)保存至上位機(jī)，利用Matlab系統(tǒng)辨識工具箱的信號處理工具處理輸入輸出數(shù)據(jù)；五、在Matlab系統(tǒng)辨識辨識工具箱中選擇ARX模型，零極點(diǎn)個數(shù)按第二步結(jié)果選擇；六、進(jìn)行系統(tǒng)辨識，如果辨識結(jié)果與實(shí)際波形擬合不好，改變第四步信號處理時濾波環(huán)節(jié)的閥值，直至擬合成功(擬合度超過60％可認(rèn)定擬合成功)，擬合成功會得到振動臺的離散傳遞函數(shù)；七、通過Matlab的d2c命令將離散傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成連續(xù)傳遞函數(shù)；八、通過理論模型形式修正系統(tǒng)辨識的結(jié)果，用數(shù)值代替原有參數(shù)；九、將數(shù)據(jù)導(dǎo)入simulink參數(shù)估計(jì)，模型應(yīng)用理論模型，參數(shù)初值采用上步獲得數(shù)值；十、進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，如果估計(jì)不收斂，改變迭代規(guī)則，直至計(jì)算收斂，最終得到接近真實(shí)模型的傳遞函數(shù)；十一、根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，在simulink中進(jìn)行PID仿真計(jì)算，直至其生成符合國軍標(biāo)規(guī)定的波形復(fù)現(xiàn)法的沖擊響應(yīng)要求；十二、將仿真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際，開環(huán)控制即滿足要求；也可以將PID參數(shù)應(yīng)用到閉環(huán)控制中，最終生成符合國軍標(biāo)要求的沖擊響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種所生成的沖擊響應(yīng)具有利用系統(tǒng)資源少、每次沖擊下響應(yīng)一致、可靠性高的振動臺沖擊響應(yīng)生成方法。方法包括分析振動臺的力學(xué)模型，得到其理論傳遞函數(shù)；根據(jù)辨識波形圖所示形式作為振動臺輸入信號，通過振動臺控制驅(qū)動系統(tǒng)加載到振動臺；進(jìn)行系統(tǒng)辨識，根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，在simulink中進(jìn)行PID仿真計(jì)算，直至其生成符合國軍標(biāo)規(guī)定的波形復(fù)現(xiàn)法的沖擊響應(yīng)；將仿真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際，開環(huán)控制即滿足要求；也可以將PID參數(shù)應(yīng)用到閉環(huán)控制中，最終生成符合國軍標(biāo)要求的沖擊響應(yīng)。本發(fā)明生成的沖擊響應(yīng)嚴(yán)格符合國軍標(biāo)要求，并具有利用系統(tǒng)資源少，每次沖擊下響應(yīng)一致，可靠性高的特點(diǎn)。
文檔編號G01M7/02GK101576432SQ200910072258
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者任萬濱, 康云志, 梁慧敏, 健 王, 翟國富 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)