連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種以電動(dòng)或液壓振動(dòng)臺(tái)（帶產(chǎn)品）、激振系統(tǒng)及激振器為控制對(duì)象 的連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法，尤其適用于道路運(yùn)輸模擬、機(jī)載振動(dòng)模擬、武器飛 行振動(dòng)模擬及地震模擬等對(duì)連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程精確復(fù)現(xiàn)的振動(dòng)控制方面，屬于自動(dòng)控 制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性\暴露結(jié)構(gòu)材料和工藝缺陷\分析機(jī)械振動(dòng)特性所必 要的措施，也是解決各種機(jī)械和結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題的一個(gè)重要手段；另一方面，振動(dòng)試驗(yàn)也是模 擬各類振動(dòng)工況場(chǎng)景的必要手段，如車輛、機(jī)車及高鐵運(yùn)輸模擬，機(jī)載、艦載振動(dòng)環(huán)境模擬， 武器飛行振動(dòng)環(huán)境以及地震模擬等許多場(chǎng)合。
[0003] 對(duì)于振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)，通常的做法都是采用傳統(tǒng)振動(dòng)控制方式。對(duì)于連續(xù)振動(dòng) 環(huán)境模擬而言，通常都是以隨機(jī)振動(dòng)為主，而傳統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)控制方法僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)平穩(wěn)隨機(jī) 時(shí)間歷程信號(hào)的譜控制，針對(duì)非平穩(wěn)隨機(jī)或短時(shí)間隨機(jī)振動(dòng)只能采取統(tǒng)計(jì)和譜包絡(luò)加嚴(yán)的 方法轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)來進(jìn)行，這樣的試驗(yàn)是對(duì)振動(dòng)環(huán)境的近似模擬，通常會(huì)造成 對(duì)試件或產(chǎn)品的過考核問題。另外，對(duì)于短時(shí)振動(dòng)環(huán)境模擬，如地震、經(jīng)典沖擊、沖擊響應(yīng)譜 等，傳統(tǒng)控制器核心控制方法都是采用經(jīng)典的頻域數(shù)字迭代方法。試驗(yàn)過程中都是從低量 級(jí)開始，進(jìn)行多次預(yù)試驗(yàn)，最后到滿量級(jí)試驗(yàn)，這樣對(duì)試件或產(chǎn)品的考核明顯存在過試驗(yàn)問 題，以至于使得許多試驗(yàn)（如土模型的地震模擬）被迫采用模擬件作預(yù)試驗(yàn)或以損失控制 精度來減少預(yù)迭代次數(shù)的方法，來解決過試驗(yàn)問題。
[0004] 目前，振動(dòng)控制器產(chǎn)品包括中國國內(nèi)憶恒、騰振控制器，國際上的SD、DP和LMS控 制器等所具有的振動(dòng)控制功能，都是傳統(tǒng)的振動(dòng)控制功能包括隨機(jī)、正弦、隨機(jī)加正弦、隨 機(jī)加隨機(jī)、經(jīng)典沖擊、沖擊響應(yīng)譜以及波形再現(xiàn)等，都不具備連續(xù)振動(dòng)時(shí)間歷程信號(hào)復(fù)現(xiàn)控 制功能。另外，美國穆格公司在汽車測(cè)試試驗(yàn)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，開發(fā)的道路模擬試驗(yàn) 系統(tǒng)采用了連續(xù)振動(dòng)時(shí)間歷程信號(hào)模擬控制技術(shù)，但其核心算法封裝于控制軟件中沒有對(duì) 外公開，就其試驗(yàn)方法也需要進(jìn)行初始迭代，無法推廣應(yīng)用。
[0005] 經(jīng)搜索專利文獻(xiàn)資料，未見其他公開的關(guān)于連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法 的相關(guān)文獻(xiàn)，更未見相關(guān)方法在實(shí)際工作中應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn) 控制方法。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：
[0008] -種連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法，通過設(shè)于控制系統(tǒng)內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，包 括以下步驟：
[0009] (1)目標(biāo)信號(hào)處理：分別采用隨機(jī)信號(hào)生成和原始信號(hào)導(dǎo)入兩種方式獲得目標(biāo)加 速度信號(hào)或位移、速度信號(hào)，對(duì)獲得的目標(biāo)加速度信號(hào)采用加窗方式進(jìn)行零起始零結(jié)束處 理和濾波處理；在獲得目標(biāo)信號(hào)后，再將目標(biāo)信號(hào)通過補(bǔ)零方式，保證總信號(hào)點(diǎn)數(shù)為單幀點(diǎn) 數(shù)的整數(shù)倍；
[0010] (2)系統(tǒng)自檢：發(fā)送目標(biāo)信號(hào)的低量級(jí)信號(hào)并逐級(jí)升高，通過檢測(cè)系統(tǒng)的輸出，來 判定系統(tǒng)是否工作正常，正常則進(jìn)入下一步驟，否則結(jié)束；
[0011] (3)初始傳遞函數(shù)估算：根據(jù)頻率范圍，按照與目標(biāo)信號(hào)相當(dāng)量級(jí)的短時(shí)寬帶隨 機(jī)信號(hào)直接進(jìn)行系統(tǒng)初始傳遞函數(shù)估算；
[0012] (4)時(shí)域振動(dòng)控制：按單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，在單幀時(shí)間周期內(nèi)分別完成以下 步驟:A、實(shí)時(shí)發(fā)送當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)幀數(shù)據(jù)；B、利用前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞函數(shù)的估算、插值、更 新；C、計(jì)算下一幀驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0013] 作為優(yōu)選，所述步驟（1)中，隨機(jī)信號(hào)生成通過隨機(jī)參考譜及真隨機(jī)信號(hào)處理獲 得；原始信號(hào)導(dǎo)入采取直接讀取或循環(huán)讀取目標(biāo)信號(hào)的方式獲得。
[0014] 所述步驟⑶中，初始傳遞函數(shù)估算公式如下：
[0017] 上述公式中，表示m個(gè)樣本//,.(/ = 1:,2.中的樣本，Η"表示m個(gè)樣本做第m 次線性平均所得的傳遞函數(shù)；Η Υω)表示辨識(shí)出的系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)，〃;Λ?)表示相干函數(shù) 補(bǔ)償前的系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)，γ (ω)為計(jì)算出的系統(tǒng)相干函數(shù)。
[0018] 所述步驟（4)中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)計(jì)算中采用幀重疊法消除信號(hào)的截?cái)嗾`差問題；引入 幅值誤差閥值反饋修正法改善頻域控制精度；采用非線性補(bǔ)償因子法改善時(shí)域復(fù)現(xiàn)控制精 度。
[0019] 進(jìn)一步，所述步驟（4)中，
[0020] 傳遞函數(shù)的估算公式如下：
[0023] 上述公式中，豆表示m個(gè)樣本瓦(/ = 1,2.·.，::ρ)中的樣本，Ηη表示m個(gè)樣本做第m 次線性平均所得的傳遞函數(shù)；Η Υω)表示辨識(shí)出的系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)，〃",:(的表示相干函數(shù) 補(bǔ)償前的系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)，γ (ω)為計(jì)算出的系統(tǒng)相干函數(shù)；
[0024] 傳遞函數(shù)更新公式如下：
[0025] H (k) = m*Hnew+ (1 -m) *H (k_ 1)
[0026] 上式中，H_表示當(dāng)前辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)，H(k)表示更新后的傳遞函數(shù)；
[0027] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)計(jì)算公式如下：
[0029] 上式中，α為非線性補(bǔ)償因子，μ為修正系數(shù)，其值小于l，errk Jco)為引入的反 饋修正控制幅值譜誤差，err(ω)為輸出響應(yīng)與目標(biāo)信號(hào)的頻譜差，其計(jì)算公式為：
[0030] err (ω) =γ(ω) -ref (ω)
[0031] 引入幅值誤差奇異點(diǎn)閥值，僅對(duì)誤差奇異點(diǎn)修正，其修正公式為：
[0033] 上式中，Ae 為誤差閥值，Ae = 〇· 2*refrnis(co);
[0034] α的計(jì)算公式如下：
[0036] 上式中，δ為非線性影響因子，取0.85~0.95 ;
[0037] 單幀長度取為ls，設(shè)置單幀點(diǎn)數(shù)為L，每次計(jì)算點(diǎn)數(shù)為Μ，其值大于2L，設(shè)置向后重 疊為Lh，向前重疊為Lq，則Lh = M-Lq-L，Lq = (M-L) /2,利用插值法將傳遞函數(shù)Η( ω J拓 展成Μ點(diǎn)數(shù)即Η(ωρ，其中j = 1，…，Μ;
[0038] 驅(qū)動(dòng)幀計(jì)算公式如下：
[0039] Dk (t) = Dmk (n)，n = Lq，…，（M-Lh)
[0040] 上式中，Dk(t)為實(shí)際輸出的驅(qū)動(dòng)幀，Djt)為M點(diǎn)數(shù)下的驅(qū)動(dòng)幀。
[0041] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0042] 本發(fā)明在頻域數(shù)字迭代控制基礎(chǔ)之上，提出了一種更優(yōu)的針對(duì)連續(xù)振動(dòng)方式下的 振動(dòng)控制方法，通過采用時(shí)域控制方法，不僅控制穩(wěn)定，且具有良好的振動(dòng)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控 制精度，適用于連續(xù)隨機(jī)、正弦等振動(dòng)試驗(yàn)，能夠更加真實(shí)的模擬如運(yùn)輸、飛行振動(dòng)、機(jī)載、 艦載的時(shí)間歷程振動(dòng)環(huán)境。
[0043] 更具體來說，本復(fù)現(xiàn)控制方法利用在線辨識(shí)并更新系統(tǒng)傳遞函數(shù)，實(shí)時(shí)輸出驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，利用幀重疊技術(shù)解決截?cái)嗾`差問題，引入譜誤差反饋修正和非線性補(bǔ)償因子提高譜 及均方根控制精度，同時(shí)也能獲得時(shí)間歷程信號(hào)的精確復(fù)現(xiàn)控制；相比傳統(tǒng)的隨機(jī)、正弦振 動(dòng)控制，本復(fù)現(xiàn)控制方法不僅能獲得滿意的幅值譜控制精度，而且相位也是受控的；本復(fù)現(xiàn) 控制方法僅需初始的傳遞函數(shù)辨識(shí)，無需開展從低量級(jí)到高量級(jí)的預(yù)試驗(yàn)過程，優(yōu)化了整 個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)過程。
[0044] 本復(fù)現(xiàn)控制方法不僅針對(duì)加速度信號(hào)控制，也可針對(duì)振動(dòng)位移、振動(dòng)速度等信號(hào) 的復(fù)現(xiàn)控制；另外，本復(fù)現(xiàn)控制方法還具有使用硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、模塊少、易于安裝、維修方便 等優(yōu)點(diǎn)，非常適宜作為振動(dòng)試驗(yàn)的控制裝置。
【附圖說明】
[0045] 圖1是本發(fā)明所述連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法采用的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 框圖；
[0046] 圖2是本發(fā)明所述連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0048] 如圖1所示，本發(fā)明所述連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法采用的控制系統(tǒng)包 括普通計(jì)算機(jī)、NI CRI09033控制器、FPGA9269模擬輸出模塊（2路模擬輸出通道）、FPGA 9234模擬輸入模塊（4路差分輸出通道），普通計(jì)算機(jī)中有連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制 軟件，用于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)PGA9234模擬輸入模塊用于采集加速度傳感器或位移傳 感器信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)絅I CRI09033控制器中參與算法計(jì)算，計(jì)算并更新傳遞函數(shù)，計(jì) 算驅(qū)動(dòng)信號(hào)并重疊搭接，將獲得的當(dāng)前驅(qū)動(dòng)幀信號(hào)，由FPGA9269模擬輸出模塊輸出至被控 對(duì)象，進(jìn)行單幀步長的循環(huán)工作來實(shí)現(xiàn)連續(xù)振動(dòng)工作。FPGA9269模擬輸出模塊、FPGA9234 模擬輸入模塊安裝在NI CRI09033控制器的FPGA機(jī)箱的FPGA插槽內(nèi)。
[0049] 如圖2所示，本發(fā)明所述連續(xù)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方法，通過設(shè)于控制系 統(tǒng)內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：
[0050] (1)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：基本參