本發(fā)明屬于振動(dòng)校準(zhǔn)領(lǐng)域，尤其適用于正弦振動(dòng)的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡合成方法。

背景技術(shù)：

振動(dòng)傳感器廣泛應(yīng)用在航空航天、動(dòng)力機(jī)械、交通運(yùn)輸、軍械兵器、能源工業(yè)、土木建筑、電子工業(yè)以及環(huán)境保護(hù)等各領(lǐng)域。振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)技術(shù)是保障測(cè)量有效性和可靠性的必要途徑。隨著高靈敏度、寬頻率范圍等振動(dòng)傳感器的發(fā)展以及工業(yè)上日益增長的高精度振動(dòng)測(cè)量需求，振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)技術(shù)正變得越加重要。

傳統(tǒng)單軸向振動(dòng)臺(tái)生成正弦振動(dòng)合成一條單方向的直線軌跡，兩軸向振動(dòng)系統(tǒng)生成任意相對(duì)幅值和相位的正弦振動(dòng)將合成平面內(nèi)的橢圓軌跡，其中直線軌跡(相位相同，幅值任意)和圓形軌跡(相位正交，幅值相等)可認(rèn)為是橢圓軌跡的特例。單向直線軌跡和平面橢圓軌跡都無法為傳感器提供空間振動(dòng)激勵(lì)，只能通過重新安裝來獲得傳感器的空間響應(yīng)特性，這樣不僅耗時(shí)較長，而且還會(huì)引入一定的安裝誤差。三軸向振動(dòng)臺(tái)能夠生成三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，提供更接近實(shí)際環(huán)境的振動(dòng)激勵(lì)。隨著多分量加速度計(jì)和地震計(jì)等應(yīng)用的日益增多，對(duì)多分量振動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)提出了迫切需求。因此有必要提出三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡振動(dòng)合成方法，支撐三軸向振動(dòng)校準(zhǔn)方法的建立，促進(jìn)我國振動(dòng)計(jì)量向更接近實(shí)際測(cè)量環(huán)境的計(jì)量體系發(fā)展，滿足各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苷駝?dòng)計(jì)量的需求，支承我國先進(jìn)制造業(yè)的升級(jí)與進(jìn)步。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于多分量振動(dòng)校準(zhǔn)的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡的合成方法。鑒于已有單軸向運(yùn)動(dòng)軌跡和平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的不足，本發(fā)明將基于三軸向振動(dòng)臺(tái)來實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡振動(dòng)合成的目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種用于振動(dòng)校準(zhǔn)的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡振動(dòng)合成方法，包括：理想空間運(yùn)動(dòng)軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀1的描述、目標(biāo)的x軸向幅值和相位2的計(jì)算、目標(biāo)的y軸向幅值和相位3的計(jì)算、目標(biāo)的z軸向幅值和相位4的計(jì)算、振動(dòng)控制器5、三軸向振動(dòng)臺(tái)6、x軸向正弦振動(dòng)7的生成、y軸向正弦振動(dòng)8的生成、z軸向正弦振動(dòng)9的生成、三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡10的合成。

通過三軸向振動(dòng)臺(tái)生成相互正交的x軸向正弦振動(dòng)7、y軸向正弦振動(dòng)8、z軸向正弦振動(dòng)9，任意幅值和相位的x、y、z軸向正弦振動(dòng)合成空間直線15、空間圓形和空間橢圓14三種類型的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡。其中空間直線15和空間圓形被認(rèn)為是空間橢圓14的兩個(gè)特例。

通過正交矩陣來描述空間橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的空間姿態(tài)，正交矩陣的前兩個(gè)列向量分別平行于橢圓的長軸和短軸，第三個(gè)列向量垂直于橢圓平面；通過長軸和短軸的長度來描述空間運(yùn)動(dòng)軌跡的軌跡形狀。

根據(jù)空間橢圓的姿態(tài)和形狀計(jì)算目標(biāo)的目標(biāo)的x軸向幅值和相位2、目標(biāo)的y軸向幅值和相位3、目標(biāo)的z軸向幅值和相位4。振動(dòng)控制器5通過反復(fù)迭代修正驅(qū)動(dòng)頻譜19，使反饋的響應(yīng)頻譜20達(dá)到理想的參考頻譜21，控制三軸向振動(dòng)臺(tái)6生成特定幅值和相位的x軸向正弦振7、y軸向正弦振8、z軸向正弦振動(dòng)9。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

⑴本發(fā)明振動(dòng)合成方法給出了任意幅值和相位的x、y、z軸向正弦振動(dòng)所合成的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡的類型、形狀以及空間姿態(tài)。

⑵本發(fā)明振動(dòng)合成方法可以通過x、y、z軸向正弦振動(dòng)的幅值和相位調(diào)整三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀。

⑶本發(fā)明振動(dòng)合成方法在傳統(tǒng)正弦振動(dòng)控制迭代算法的基礎(chǔ)上，只需增加幅值和相位計(jì)算環(huán)節(jié)，可以基于傳統(tǒng)多軸向振動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行，方法較為簡單。

附圖說明

圖1為三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡合成方法示意圖；

圖2為x、y、z軸向正弦振動(dòng)示意圖；

圖3為空間橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖；

圖4為空間直線運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖；

圖5為正交單位向量示意圖；

圖6為迭代控制算法示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：

1-理想空間運(yùn)動(dòng)軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀；2-目標(biāo)的x軸向幅值和相位；3-目標(biāo)的y軸向幅值和相位；4-目標(biāo)的z軸向幅值和相位；5-振動(dòng)控制器；6-三軸向振動(dòng)臺(tái)；7-x軸向正弦振動(dòng)；8-y軸向正弦振動(dòng)；9-z軸向正弦振動(dòng)；10-空間運(yùn)動(dòng)軌跡；11-x軸向正弦振動(dòng)；12-y軸向正弦振動(dòng)；13-z軸向正弦振動(dòng)；14-空間橢圓；15-空間直線；16-系統(tǒng)頻響函數(shù)估計(jì)；17-系統(tǒng)阻抗矩陣；18-迭代算法；19-驅(qū)動(dòng)頻譜；20-響應(yīng)頻譜；21-參考頻譜；22-誤差頻譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施實(shí)例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)時(shí)方式。

圖1為一種三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡合成方法示意圖。三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡合成方法包括：根據(jù)理想的空間運(yùn)動(dòng)軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀1計(jì)算得出目標(biāo)的x軸向幅值和相位2、y軸向幅值和相位3、z軸向幅值和相位4；振動(dòng)控制器5上執(zhí)行迭代算法，根據(jù)x、y、z軸向振動(dòng)的目標(biāo)幅值和相位以及反饋幅值和相位生成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三軸向振動(dòng)臺(tái)6生成x軸向正弦振動(dòng)7、y軸向正弦振動(dòng)8、z軸向正弦振動(dòng)9；x、y、z軸向的正弦振動(dòng)將實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡10的合成。

圖2、圖3、圖4分別為x、y、z軸向正弦振動(dòng)、空間橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡、空間直線運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。同頻率的x軸向正弦振動(dòng)11、y軸向正弦振動(dòng)12、z軸向正弦振動(dòng)13將合成空間橢圓14、空間圓形、空間直線15三種類型的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡10。其中空間直線15和空間圓形對(duì)應(yīng)為當(dāng)橢圓的短軸為零和長短軸長度相等兩種情況。因此，同頻率任意幅值和相位的正弦振動(dòng)合成三維空間橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，橢圓的空間姿態(tài)和軌跡形狀取決于x、y、z軸的振動(dòng)幅值和相位。

圖5為正交單位向量示意圖。采用一組相互正交的單位向量[u,v,w]來描述空間橢圓的空間姿態(tài)：

u＝[u1u2u3]^t,v＝[v1v2v3]^t,w＝u×v(1)

其中：u平行于橢圓的長軸，v平行于橢圓的短軸，w垂直于空間橢圓平面，u1、u2、u3為單位向量u的坐標(biāo)分量，v1、v2、v3為單位向量v的坐標(biāo)分量。采用λ1和λ2來描述空間橢圓的軌跡形狀，當(dāng)λ2＝0時(shí)對(duì)應(yīng)空間直線軌跡，當(dāng)λ1＝λ2時(shí)對(duì)應(yīng)空間圓形軌跡。則計(jì)算得出目標(biāo)的x軸向幅值和相位y軸向幅值和相位z軸向幅值和相位分別為：

圖6為迭代控制算法示意圖。振動(dòng)控制器5上執(zhí)行迭代算法原理為：提前激勵(lì)系統(tǒng)來獲取系統(tǒng)的頻響函數(shù)估計(jì)16，對(duì)系統(tǒng)頻響函數(shù)求逆得到系統(tǒng)的阻抗矩陣17，控制目標(biāo)為使測(cè)量的響應(yīng)頻譜達(dá)到理想的參考頻譜21，根據(jù)參考頻譜21和響應(yīng)頻譜20、計(jì)算誤差頻譜22，根據(jù)式(5)的迭代算法18修正驅(qū)動(dòng)頻譜19：

dn+1(f)＝dn(f)+αz(f)(r(f)-cn(f))(5)

式中，dn(f)為第n次迭代驅(qū)動(dòng)譜；dn+1(f)為所求的第n+1次迭代驅(qū)動(dòng)譜；z(f)為系統(tǒng)阻抗矩陣；α為迭代增益，通常選取迭代增益0＜α＜1以提高控制穩(wěn)定性。通過反復(fù)迭代修正驅(qū)動(dòng)頻譜19，使系統(tǒng)輸出的響應(yīng)頻譜20不斷趨近設(shè)定的參考頻譜21。

以上所述詳細(xì)說明是針對(duì)本發(fā)明有效可行實(shí)施實(shí)例的具體說明，并非用以對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限定。應(yīng)當(dāng)指出的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在未脫離本發(fā)明技術(shù)原理下做出若干改進(jìn)、變更或有效實(shí)施，這些改進(jìn)、變更或有效實(shí)施均應(yīng)包含于本發(fā)明的保護(hù)范圍。