一种多振动台正弦加随机振动试验系统及控制方法

技术领域

本发明涉及振动试验技术领域，尤其是一种多振动台正弦加随机振动试验系统及控制方法。

背景技术

在工程实际中，对于含有旋转结构的产品(例如：直升机、汽车、发动机等)所产生的激励常表现为周期性振动与背景随机振动相结合的形式。所以，仅用单一的正弦振动或者随机振动无法完全的描述这种复杂的振动环境，而采用正弦加随机混合的振动方式更为合理。并且有案例表明即使先采用正弦振动然后再采用随机振动的试验方式，对结构产生的疲劳损伤仍然无法和正弦加随机混合振动产生的结果等效。因此，为了确保结构的可靠性，在实验室内准确的模拟产品在外场所受到的振动环境是强度设计的关键。多振动台试验是一种新的振动试验方式，相较于传统的单振动台试验可以提供更合理的应力分布以及更大的激振力。多振动台正弦加随机振动环境试验进一步完善了多输入多输出混合振动环境试验控制方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种多振动台正弦加随机振动试验系统及控制方法，该方法能够同时对响应信号的正弦分量和随机分量进行分离并独立控制。

为了实现上述效果，本发明申请提供一种多振动台正弦加随机振动试验控制方法，所述试验控制方法包括：

S1定义参考随机功率谱矩阵，定义参考正弦谱矩阵；

S2根据所述随机功率谱矩阵计算一帧高斯信号频谱；

S3获得随机分量驱动信号，根据参考正弦谱矩阵获取正弦分量驱动信号；

S4将两个分量驱动信号合成多通道驱动信号，将所述多通道驱动信号发送给振动测试系统对试验件进行测试；

S5采集所述试验件的控制信号；

S6对所述控制信号进行分离，得到多通道相应随机分量信号以及多通道相应正弦分量信号。

进一步的，所述S1具体为：

S11定义控制通道随机部分的参考功率谱矩阵S

其中上标‘H’代表复共轭转置；L

S12定义控制通道正弦部分的参考功率谱矩阵Cr为：

C

其中，A为控制点处的正弦幅值向量，j为虚数单位，θ为控制点处正弦信号的相位向量。

进一步的，所述S2具体为：

添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝ZLP

其中U为下三角矩阵的高斯信号频谱；Z为频响函数逆矩阵；L为谱修正矩阵，初始的L即为L

进一步的，所述S4具体为：

对所述高斯信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号，表示为：

u

进一步的，所述S3具体为：

多振动台正弦加随机混合振动的驱动信号表示为：

u

其中，u

u

其中，Im(·)表示取复数虚部，f为正弦激励的频率向量。

进一步的，所述S6具体为：

S61从采集的控制信号中提取出正弦分量，所述控制信号的方差可以表示为：

其中，var(·)表示信号方差算子，y

进一步的，所述试验控制方法还包括S7，所述S7对所述S6中的分量信号进行优化，得到优化的控制信号，将所述优化的控制信号与分量驱动信号相结合，得到优化后的驱动信号。

进一步的，所述S7具体为：

S71构建优化方程如下：

其中，

利用非线性优化方法，通过寻找最优解获得正弦分量的幅值和相位，表示为：

min v

仅在

S72随机信号分量用混合信号减去正弦信号获得：

/>

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号，

S73对分离的随机信号分量作功率谱密度估计，记为随机谱矩阵S

S74正弦部分和随机部分的修正记为：

S75判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤S76，否则退出修正算法；

S76随机信号分量和正弦信号分量的控制算法分别表示为：

L

C

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L

S77将修正后的矩阵L和C，代如步骤S4中进行新的多输入驱动信号。

本申请还提供一种多振动台正弦加随机振动试验系统，所述振动试验系统包括：振动台设备以及试验件，所述振动台设备包含三轴向振动台、功率谱放大器、传感器、工控计算机以及试验件和夹具；

所述试验件通过试验夹具固定在三轴向振动台上；

所述工控计算机用于生成试验件的驱动信号，所述驱动信号经功率谱放大器放大后发送给所述三轴向振动台；

所述传感器用于采集所述试验件指定部位的加速度振动控制信号，并传输至工控计算机中。

进一步的，所述工控计算机用于：

定义参考随机功率谱矩阵，定义参考正弦谱矩阵；

根据所述随机功率谱矩阵计算一帧高斯信号频谱；

获得随机分量驱动信号，根据参考正弦谱矩阵获取正弦分量驱动信号；

将两个分量驱动信号合成多通道驱动信号，将所述多通道驱动信号发送给振动测试系统对试验件进行测试。

有益效果

本发明所提供的多振动台正弦加随机振动试验算法能够同时对响应信号的正弦分量和随机分量进行分离并独立控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，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的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。

图1为多振动台正弦加随机振动试验系统工作流程图。；

图2为多振动台正弦加随机振动试验算法流程框图；

图3为本发明实施实例所设置的试验示意图；

图4为本发明实施实例中试验中振动台X轴和Y轴向为例的控制效果示意图；

图5、图6、图7为本发明实施实例中试验中振动台X轴和Y轴向上正弦加随机振动试验中随机信号分量的控制效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合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，所描述的实施案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，本领域的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。

实施例1

本发明申请提供本申请还提供一种多振动台正弦加随机振动试验系统，所述振动试验系统包括：振动台设备以及试验件，所述振动台设备包含三轴向振动台、功率谱放大器、传感器、工控计算机以及试验件；

所述试验件放置在三轴向振动台上；

所述工控计算机用于生成试验件的控制信号，所述控制信号经功率谱放大器放大后发送给所述三轴向振动台；

所述传感器用于采集所述试验件底部的加速度振动响应信号，并发送给工控计算机。

进一步的，所述工控计算机用于：

定义参考随机功率谱矩阵，定义参考正弦谱矩阵；

根据所述随机功率谱矩阵计算一帧高斯信号频谱；

获得随机分量驱动信号，根据参考正弦谱矩阵获取正弦分量驱动信号；

将两个分量驱动信号合成多通道驱动信号，将所述多通道驱动信号发送给振动测试系统对试验件进行测试。

图3所示是本发明实施实例的双轴向正弦加随机振动试验的示意图。

在本实例中数据采集与发送系统采用及集成式设备。控制器模块PXIe-8880、输入模块PXIe-4492和输出模块PXI-6733集成在PXIe-1062Q的机箱中。其中，控制器模块通过以太网卡接口连接计算机系统并进行通讯。计算机系统扮演上位机角色，通过里面的控制软件与用户交互，包括输入指令和显示结果等。下位机即为控制器模块系统，其内嵌高性能处理器，能够实时处理数据和分析数据。

振动台设备及控制对象由三轴向振动台、功率谱放大器、传感器以及试验件等组成。本实例中采用三轴向振动台和与之匹配的振动台功放实现空间两个正交轴向同时激振，传感器采用PCB三轴向加速度传感器，测试振动台上试验件底部的加速度振动响应信号。

实施例2

基于实施例1中提供的试验系统，本申请还提供一种多振动台正弦加随机振动试验控制方法，所述试验控制方法包括：

S1定义参考随机功率谱矩阵，定义参考正弦谱矩阵；

S2根据所述随机功率谱矩阵计算一帧高斯信号频谱；

S3获得随机分量驱动信号，根据参考正弦谱矩阵获取正弦分量驱动信号；

S4将两个分量驱动信号合成多通道驱动信号，将所述多通道驱动信号发送给振动测试系统对试验件进行测试；

S5采集所述试验件的控制信号；

S6对所述控制信号进行分离，得到多通道相应随机分量信号以及多通道相应正弦分量信号。

进一步的，所述S1具体为：

S11定义控制通道随机部分的参考功率谱矩阵S

其中上标‘H’代表复共轭转置；L

S12定义控制通道正弦部分的参考功率谱矩阵C

C

其中，A为控制点处的正弦幅值向量，j为虚数单位，θ为控制点处正弦信号的相位向量。

进一步的，所述S2具体为：

添加随机相位矩阵计算一帧高斯信号频谱：

U＝ZLP

其中U为下三角矩阵的高斯信号频谱；Z为频响函数逆矩阵；L为谱修正矩阵，初始的L即为L

进一步的，所述S4具体为：

对所述高斯信号频谱U作傅里叶逆变换得到n个通道的高斯随机信号，表示为：

u

进一步的，所述S3具体为：

多振动台正弦加随机混合振动的驱动信号表示为：

u

其中，u

u

其中，Im(·)表示取复数虚部，f为正弦激励的频率向量。

进一步的，所述S6具体为：

S61从采集的控制信号中提取出正弦分量，控制信号时随机加正弦类型的混合信号，也就是说控制信号是一种混合信号。y

其中，var(·)表示信号方差算子；y

进一步的，所述试验控制方法还包括S7，所述S7对所述S6中的分量信号进行优化，得到优化的控制信号，将所述优化的控制信号与分量驱动信号相结合，得到优化后的驱动信号。

进一步的，所述S7具体为：

S71构建优化方程如下：

其中，

利用非线性优化方法，通过寻找最优解获得正弦分量的幅值和相位，表示为：

min v

仅在

S72随机信号分量用混合信号减去正弦信号获得：

其中，上标‘f’表示拟合估计的信号，

S73对分离的随机信号分量作功率谱密度估计，记为随机谱矩阵S

S74正弦部分和随机部分的修正记为：

S75判断误差矩阵阈值，若未达到试验控制目标，则进入步骤S76，否则退出修正算法；

S76随机信号分量和正弦信号分量的控制算法分别表示为：

L

C

其中上标(k)表示迭代次数，当k＝0时，L

S77将修正后的矩阵L和C，代如步骤S4中进行新的多输入驱动信号。

根据上述试验控制方法，本申请提供的试验主要有如下几个步骤：

1、设置多振动台正弦加随机振动的试验条件和试验参数，设置参数分为两步。第一步：设置随机振动相关参数，本实例中设置随机振动试验控制频带为20Hz至2000Hz，谱线数400线。X轴和Y轴向上的参考自功率谱密度和互功率谱密度如图4所示。第二步：设置正弦振动相关参数，在X轴和Y轴上的各有两个正弦分量，正弦频率分别为100Hz和200Hz，并且X轴和Y轴之间100Hz的相位差为60°，200Hz的相位差为30°。100Hz的参考幅值为0.6g，200Hz的参考幅值为0.7g。

2、测试控制对象的频响函数矩阵，并计算频响函数矩阵的逆阵Z。试验系统的频响函数矩阵在低量级振动下进行测试。

3、开始试验。首先计算初始的时域驱动信号，通过输出模块加载到振动台系统上。

4、通过加速度传感器和输入模块采集控制对象的各个轴向上控制点的加速度信号。对采集的信号传输到计算机控制系统进行分析，首先对采集到的混合信号进行分离，分别提取出混合信号中的正弦分量和随机分量。然后计算各个分量与给定参考之间的误差，分别包含随机部分的误差矩阵和正弦部分的误差矩阵。

5、判断随机部分和正弦部分的误差是否满足给定的误差阈值，若未达到试验控制条件，则进入迭代修正环节，否则退出修正算法。

本实例中，X和Y轴向上正弦加随机振动试验控制效果如图5、图6和图7所示，其中对角线元素为两个轴向的自功率谱控制曲线，非对角线元素为两个轴向之间的相干系数和相位差控制曲线。图5中最外侧的点划线表示参考谱的±6dB的误差限，次外侧虚线表示±3dB的误差限，中间的点虚线是参考谱线，实线是控制谱线，从图中可以看到，两个轴向上的随机信号分量的自谱密度基本都被控制在参考谱的±3dB误差限内，未出现超过±3dB的误差限，总体而言功率谱的控制效果令人满意。图6为X轴和Y轴向上正弦分量的幅值控制效果图，正弦分量的响应幅值被稳定地控制在参考值附近。图7为X轴与Y轴之间正弦分量的相位控制效果图，各频率上两个轴之间的相位被稳定在参考值附近。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，还可以做出若干改动和调整。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。