多输入多输出连续正弦扫频振动试验方法和试验系统与流程

本发明涉及振动试验技术领域，具体而言涉及一种多输入多输出连续正弦扫频振动试验方法和试验系统。

背景技术

振动环境试验是检验产品可靠性的重要依据。旋转机构在航空航天、汽车、船舶以及日用家电等产品中广泛出现，这些旋转机构在启动和停止时必然会对整体结构施以扫频振动激励。故而正弦扫频试验作为一种确认产品可靠性的重要手段，在产品研发过程中有着不可忽视的地位。现有的多输入多输出正弦扫频试验系统一般基于频域算法，通过频响函数生成激励信号。然而频响函数建立在稳态响应的假设基础上，而正弦扫频过程中，激励频率实时变化，并不满足这一假设。由于频域方法实现上的一些限制，多输入多输出正弦扫频试验往往以步进形式进行，但步进扫频破坏了扫频过程的连续性。因此，由时域方法能够更好地进行多输入多输出连续正弦扫频试验，以满足随着现代技术的发展不断提高的环境试验标准。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种多输入多输出连续正弦扫频振动试验方法和试验系统，该试验方法和系统实现了连续正弦扫频激励信号的生成，并可以同时对响应信号的幅值和相位进行控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多输入多输出连续正弦扫频振动试验方法，包括以下步骤：

1)识别多输入多输出连续正弦扫频振动试验系统的逆多步预测模型；

2)设置多输入多输出正弦扫描振动试验的参数；

3)进行低量级预试验；

4)恢复正常量级完成多输入多输出正弦扫频振动试验。

进一步的，所述步骤1)识别多输入多输出连续正弦扫频振动试验系统的逆多步预测模型包括以下过程：

11)识别系统的有限差分模型中的系数矩阵；

12)通过有限差分模型计算系统的多步预测模型；

13)对系统的多步预测模型求逆，得到逆多步预测方程。

进一步的，所述步骤11)中的系统的有限差分模型为：

其中y(k)和u(k)分别为k时刻的响应和输入向量，p为有限差分模型的阶数；由公式(1)得到系数矩阵和并由这些系数矩阵计算得到：

进一步的，所述步骤12)得到的多步预测模型为：

yq(k)＝tuq(k)+bup(k-p)-ayp(k-p)(4)

其中yq(k)和uq(k)分别由k到k-q-1时刻的响应与输入向量堆叠而成；同样地，yp(k-p)和up(k-p)也分别由k-p到k-1时刻的响应与输入向量堆叠而成，其具体表达式为:

公式(4)中的三个系数矩阵，由公式(2)和(3)计算得到，其表达式为：

进一步的，所述步骤13)中对正系统的多步预测模型中的t矩阵通过截断奇异值法求伪逆由此得到逆多步预测模型：

其中，

进一步的，所述步骤2)设置多输入多输出正弦扫描振动试验的参数的过程包括：

21)定义参考谱，由参考谱以及扫频参数生成参考正弦扫频信号；

22)在由所述步骤21)中生成的参考信号之前插入一段过渡信号；

23)将修正后的参考信号作为逆多步预测模型的输入，生成驱动信号；由于一次生成的驱动信号长度少于输入的参考信号，参考信号以重叠的方式输入逆多步预测模型；当参考信号不足时，补零；

24)用生成的激励信号激励系统，并在控制器内部自闭环两路幅值固定，但相位相差90度的标准正弦扫频信号；通过对标准正弦扫频进行hilbert变换得到正弦扫频信号的瞬时频率，并使用相关积分法得到响应的幅值和相位信息；

25)根据响应的幅值和相位信息，可以得到响应谱；通过响应谱与原始的参考谱的对比，得到误差，并依此对参考谱进行修正。

进一步的，所述步骤21)定义参考谱，由参考谱以及扫频参数生成参考正弦扫频信号的具体过程为：

正弦扫频信号可写作包络线与相位角的形式：

其中，a(t)为包络线函数，为相位角函数，而相位角的变化率即为瞬时角频率：

而根据扫频方式不同，瞬时频率f(t)应满足：

其中，f1为起始频率，另有中止频率与之对应f2，α和β分别为线性与对数扫频速率，当扫频时间t确定时，有：

或者，试验中直接定义扫频速率：当初相位为0时，相位角写作：

多输入多输出正弦扫频试验中，各路扫频信号的包络线函数ai(t)由参考谱中的幅值频率关系以及频率时间关系确定；同时，参考谱中还定义了不同频率下的初相位，同样可转化为时间的函数φi(t)；则参考信号可写为向量形式：

进一步的，所述步骤22)中过渡信号的生成是通过对频率与起始频率相同(f1)，幅值与相位和扫频信号相符合的定频信号:

其中，而为过度段的长度；而式中的幅值与初相位分别满足：

对这一定频信号施以1/4正弦窗，即可以得到完整的过渡信号；将过渡信号插入到参考信号前，完成对参考信号的修正。

进一步的，所述步骤25)对参考谱进行修正的过程为：

其中，sy(ω)为本次扫频的响应谱,rn(ω)为n次修正后的参考谱，r0是原始参考谱,en(ω)为当前的频谱误差,rn+1(ω)为修正后的参考谱,压缩因子ε为一小于1的正常数；在多输入多输出正弦扫频振动试验中，上述频谱皆为向量形式，和代表对应向量的第i个元素。

一种用于上述试验方法的试验系统，包括多输入多输出连续正弦扫频振动试验数字控制子系统、数字信号发生与采集子系统和振动试验子系统；

所述多输入多输出连续正弦扫频振动试验数字控制子系统在计算机上实现：在计算机中部署多输入多输出连续正弦扫频振动试验程序，实现人机用户交互操作，算法执行等功能；

所述数字信号发生与采集子系统包括与计算机相连接的控制模块，信号输出模块，信号输入模块；

所述振动试验子系统为试验对象内容，包括激振装置、功率放大器、传感器、夹具、试验件。

本发明的多输入多输出连续正弦扫频振动试验方法和试验系统，实现了连续正弦扫频激励信号的生成，能够实现扫频信号频率的连续变换，并对响应信号的幅值和相位同时进行控制。通过本发明的试验方法和试验系统，得到更加精确的试验结果，为被检验产品的研发和生产提供更加准确有效的参考数据。

附图说明

图1为多输入多输出连续正弦扫频振动试验系统结构组成示意图；

图2为逆多步预测模型生成激励信号过程示意图；

图3为多输入多输出连续正弦扫频振动试验控制算法流程框图；

图4为本发明实施实例试验配置示意图；

图5为本发明实施实例所设置的x轴、y向的控制点参考幅值曲线试验条件；

图6为本发明实施实例所设置的x轴、y向的控制点参考相位曲线试验条件；

图7为本发明实施实例低量级预试验中未进行控制时的控制效果图，其中(a)为x和y轴向的控制点幅频控制曲线，(b)为x和y轴向的控制点相频控制曲线；

图8为本发明实施实例低量级预试验中进行控制后的控制效果图，其中(a)为x和y轴向的控制点幅频控制曲线，(b)为x和y轴向的控制点相频控制曲线；

图9为本发明实施实例正常量级试验控制效果图，其中(a)为x和y轴向的控制点幅频控制曲线，(b)为x和y轴向的控制点相频控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的多输入多输出连续正弦扫频振动试验系统，首先，构建多输入多输出连续正弦扫频振动试验数字控制系统①。这部分在计算机上实现。在计算机中部署多输入多输出连续正弦扫频振动试验程序，实现人机用户交互操作，算法执行等功能。其次，构建数字信号发生与采集系统②。这部分主要由与计算机相连接的控制模块，信号输出模块，信号输入模块组成。最后，构建振动试验系统③。这部分为试验对象内容，主要包括激振装置，功率放大器，传感器，夹具，试验件等。

图4是本发明实例的多输入多输出连续正弦扫频振动试验的示意图。

在本实例中信号采集处理模块采用美国vtiinstruments公司生产的16通道24位1024.4ksa/s带dsp和iepe调理的vt1436数字化仪，信号输出模块采用美国vtiinstruments公司生产的4通道vt1434a任意波形发生器，vt1436和vt1434a装在该公司生产的e8408a4槽便携式vxi主机箱内，同时采用该公司生产的ex2500lxi-vxi零槽控制器与上位控制计算机用以太网卡接口进行通讯。

控制对象由振动台、振动台功放和传感器组成。本实例中采用三轴向振动台和与之匹配的振动台功放，实现对空间xy轴向同时激振，传感器采用pcb加速度传感器，测试振动台上的加速度振动响应信号。

如图3所示，本发明的多输入多输出连续正弦扫频振动试验主要有如下几个步骤：

1、识别系统的逆多步预测模型。设置采样频率5120hz，对试验对象施加白噪声随机激励。

a)识别系统的有限差分模型中的系数矩阵。取有限差分模型的系数p＝128通过系统响应与激励，可以识别出系统的有限差分模型系数矩阵。

b)计算系统的多步预测模型。令多步预测模型参数q＝1024，由系统的有限差分模型计算得到多步预测模型中的t、a和b矩阵。

c)对系统的多步预测模型求逆，得到逆多步预测方程。通过截断奇异值法得到t矩阵的伪逆，令逆多步预测方程的系数l＝512，计算得到逆多步预测模型的和用于激励信号的生成。

2、设置多输入多输出正弦扫频振动试验的参数。起始频率(f1)为20hz,中止频率(f2)为1000hz,以对数方式进行扫频,扫频速率(β)为2倍频程每分钟。x与y轴的参考谱设置如图5(幅值)和图6(相位)，由此可以得到时域的参考信号，并同时生成两路相位相差90度的标准扫频信号。对生成的参考信号，前端加入一段过渡段，对于标准扫频信号，则加入一段相同长度全为0的信号。将修改过的参考信号作为逆多步预测模型的输入，得到激励信号。生成激励信号时，由于逆多步预测方程的特殊性质，输入的参考信号相互重叠，其生成过程如图2所示。

3、低量级预试验。由于多输入多输出振动试验中，试验对象往往无法直接进入容差范围内，为了防止损坏试验对象，应进行低量级预试验，待预试验已得到良好的控制效果后，再恢复正常量级进行试验。在实施实例的预试验中，对参考谱幅值缩小到原来的-6db进行试验。未控制前的响应频谱如图7所示，可见在未控制前响应的幅值既已在容差范围内，但相位仍有较大偏差。经过控制算法修正后的响应谱如图8所示，此时幅值和相位都已控制在容差范围内。

4、正常量级扫频试验。在预试验已得到良好的控制效果后，再恢复正常量级的参考谱进行试验。图9表明，此时幅值和相位的控制效果都满足容差要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。