数字随机振动控制均衡方法及其控制系统和设备.pdf

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摘要
申请专利号:

CN87107035.9

申请日:

1987.10.23

公开号:

CN1032864A

公开日:

1989.05.10

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

|||公开|||

IPC分类号:

G01M7/00

主分类号:

G01M7/00

申请人:

北京自动化技术研究所

发明人:

夏兆骏; 张越

地址:

北京市鼓楼西大街64号

优先权:

专利代理机构:

国家机械工业委员会机械专利事务所

代理人:

唐华

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内容摘要

一种数字随机振动控制均衡方法及其振动控制设备,它将由传感器拾取经变换器变换而得的振动功率谱,在平均计算之前,把振动强度就从中先分离出来,单独计算均衡修正,不再进行多次平均,而余下的“频谱”则用频谱均衡法均衡修正。此振动控制设备由振动台和控制装置所组成,控制装置为一控制系统,它由振动强度(频谱有效值)均衡修正系统和去除振动强度后余下的“频谱”均衡系统两部分所组成。

权利要求书

1: 一种数字随机振动控制均衡方法,它将由传感器拾取、经数一模变换器、时域一频域频谱变换器转换而得的振动功率谱在平均计算之前,把振动强度(均方根值)就先从中分离出,单独计算均衡修正,而不再进行多次平均计算,而余下的“频谱”则用频谱均衡法均衡修正。
2: 一种数字随机振动控制设备它包括振动台(包括功率放大器、激振器、试件、传感器)和由模-数变换器2、时域-频域变换器3及均衡修正系统所组成的数字随机振动控制系统两部分,其特征在于所述的均衡修正系统是由振动强度(频谱有效值)均衡修正系统和去除振动强度后所余下的“频谱”的均衡修正系统两部分所组成。
3: 按权利要求1所述的数字随机振动控制设备,其所述的“频谱”的均衡修正系统,包含有线性平均器
4: 指数平均器
5: 比较器
6: 随机相位产生器
7: 预定参考频率谱
8: 修正器
9: 频域-时域频谱变换器
10: 时域随机化产生器
11: 数-模变换器
12: 其特征在于它有一个与振动强度修正值相关的高精度增益放大器20,其所述的穸慷龋ň礁担┚庑拚低常怯删礁扑闫?1、预定参考均方根值22、比较器17、高精度增益放大器20、乘法器23所组成。 4、按权利要求1所述的数字随机振动控制设备,其所述的“频谱”均衡修正系统,包含有线性平均器4、指数平均器5、比较器6、预定参考频率谱8、随机相位产生器7、修正器9、频域-时域频谱变换器10、时域随机化产生器11、数-模转换器12、其特征在于它有一个与振动强度修正值相关的软件增益补偿器19,其所述的振动强度(均方根值)均衡修正系统,是由均方根计算器21、预定参考均方根值22、比较器17、乘法器23、软件增益补偿器19、数-模变换器12所组成。 5、按权利要求1所述的数字随机振动控制设备,其所述的“频谱”均衡修正系统是一个不等自由度的频谱均衡系统,包含有线性平均器、指数平均器、比较器6、预定参考频率谱8、随机相位产生器7、修正器9、频域-时频频谱变换器10、时域随机化产生器11、数-模转换器12、其特征在于它有一个与振动强度修正值相关的软件增益补偿器19,而线性平均器14、指数平均15均是可变自由度的,它们与比较器6、预定参考频率谱8、超差修正器13组成一个可变自由度快速修正系统,其所述的振动强度(均方根值)均衡修正系统,是由均方根计算器21、预定参考均方根值22、比较器17、乘法器23、软件增益补偿器19、数-模变换器12所组成。 6、按权利要求1所述的数字随机振动控制设备其所述的“频谱”均衡修正系统是一个不等自由度的频谱均衡系统,包含有线性平均器、 指数平均器、比较器6、预定参考频率谱8、随机相位产生器7、修正器9、频域-时频频谱变换器10、时域随机化产生器11、数-模转换器12,其特征在于它有一个与振动强度修正值相关的高精度增益放大器20,而线性平均器14、指数平均器15是可变自由度的,它们与比较器6、预定参考频率谱8、超差修正器13又组成一个可变自由度快速修正系统,其所述的振动强度(均方根值)均衡修正系统,是由均方根计算器21、预定参考均方根值22、比较器17、乘法器23、高精度增益放大器20所组成。 7、按权利要求3、4、5、6所述的数字随机振动控制设备,其特征在于所述的振动强度修正系统有一个PID调节器或其他DDC控制算法的校正环节。 8、按权利要求5、6所述的数字随机振动控制设备,其特征在于所述的可变自由度快速修正系统,有一个PID调节器或其他DDC控制算法的校正环节。

说明书


本发明属于振动环境试验设备的控制系统,以及带有这种系统的振动设备。

    在工业生产和工程中,许多试件是需要进行随机振动试验的。这种试验一般将试件安装于振动台上,用控制系统使振动台及其试件处在预定的随机振动状态之中。现常用的振动控制系统是以频谱均衡方法为原理的数字随机振动控制系统,参见美国专利3710082和3848115。这种振动控制系统可以在同一时刻激发多种频率的振动,频谱范围宽,且调整简单,再现性好,因此得到广泛地使用。这种数字随机振动控制系统,其方框原理图如图1所示,图中1为被控对象振动台(它包括功率放大器、激振器、试件、传感器),2为A/D变换器,3为时域-频域频谱变换器,4为线性平均器,5为指数加权平均器,6为比较器(除法器Sr/Sym),7为相位随机化器,8为参考功率谱存储器,9为修正S×n+=S×n(Sr/Syn)的修正器,10为频域-时域频谱变换器,11为时域随机化产生器,12为D/A变换器。

    该系统的控制过程为:由驱动信号S×n去驱动控制对象振动台1的激振器进行振动,并由振动台1的传感器拾取了试件的振动信号,此时因振动台本身和试件的传递特性及非线性,这时的信号与原驱动信号是不同的。此振动信号经A/D(模/数)转换器2变换为数字信号,再由时域/频域转换器3将时域信号变换为功率谱Syn,为要得到高置信度的控制功率谱Syn(ω)的值,需对Syn(ω)经过多次测量进行平均提高自由度,这由线性平均4(平均次数为K)和指数平均器5(加权系数为N)来进行,在平均计算中,当自由度NOF=2K(2N-1)愈大,Syn(ω)估值精度愈高。此控制功率谱Syn(ω)通过比较器6与预定的参考功率谱Sr(ω)相比较,把比较的差送到修正器9进行修正,Sxn+1(ω)=Sxn(ω)(Sr(ω)/Syn(ω))完成一次选代,而产生新的驱动功率谱Sxn+1(ω),此后将Sxn+1(ω)与随机相位产生器7合成为复数谱,并送到频域-时域频谱变换器10,使一帧频域驱动信号变为一帧时域驱动信号,然后由时域随机化产生器11将一帧时域驱动信号随机化,变为连续的多帧时域信号作为驱动信号使用,再由D/A(数-模)变换器12将11来的时域信号变为模拟信号,再次去驱动激振器,这样过程的重复操作,使得驱动振动台的驱动信号的功率谱Sxn按照振动台和试件的特性不断修改,使振动台及试件的振动功率谱(Syn)形状最后与予定的参考功率谱(Sr)相同,从而完成随机振动闭环控制过程。

    由上述可知,被控对象-振动台地闭环控制系统的频谱均衡,其基本原理是传递函数修正法,其选代公式为:

    Sxn+1(ω)= (Sr(ω))/(H(ω)) = (Sr(ω))/(Syn(ω)/Sxn(ω)) =Sxn(ω)· (Sr(ω))/(Syn(ω))

    式中H(ω)为被控对象的传递函数,

    Sr(ω)为参考功率谱,即试件要达到的振动频谱,

    Syn(ω)为第n次控制功率谱,

    Sxn(ω)为第n次驱动功率谱,

    Sx(n+1)(ω)为第n+1次驱动功率谱。

    上述数字随机控制系统存在的问题是:

    1.频谱均衡的修正速度慢,不能及时响应系统的变化,这是因为:(1)频谱反馈控制不同于时域反馈,它要先采完一帧数据(比如1024点数据)才能开始进行频谱变换,而频谱变换本身计算量大、计算时间长,因而所需修正的时间间隔长。比如,在振动频带宽度为2KHZ时,采样帧时间为0.2秒,如果时域-频域变换的计算为0.1秒,那么需0.3秒时间才能测出功率谱。(2)由上面的迭代公式可知,频谱均衡的关键在于快速准确地测出被控对象的传递函数H(ω),亦即快速准确地测出控制功率谱Syn(ω)。在伪随机振动时,时域振动信号是周期的,理论上当对象为线性时不变系统时,一帧采样数据(一个周期)即可测出Syn(ω),即一次修正可达到均衡。但实际振动试验多采用真随机振动且实际系统都有非线性存在,根据随机过程理论,真随机振动信号的功率谱估值必须经过多次测量平均,若要提高Syn(ω)估值的准确度和置信度,就得加大测量的自由度NOF,亦即要提高K或N。比如要求测量精度为±1dB(90%置信度)时,在计算控制谱估值时,至少应累积126个自由度,但线性平均次数过大(K大),每次修正间隔的时间就长,均衡速度就慢,就不能及时响应系统的变化,试验不安全。比如当NOF=126时,如只用线性平均(N=1),则要求K=63,即每测量63次控制谱才修正一次,假如测量一次需0.3秒,63次就需19秒,这样在这19秒内发生的问题就无法控制;如加大指数加权系数N,如K=1则N=32,虽不增加修正时间间隔,但却要使系统响应变慢,产生时间滞后,比如当N=16时,根据指数加权平均公式SyneW=Syold+( (SyLast-syold)/(N) )式中Synew为新的指数平均值,SyoLd为上一次指数平均值,SyLaSt为本次控制谱的测量值,由公式可见,本次测量值对指数平均结果的贡献只占 1/(N) = 1/16 ,系统特性变化或外界干扰引起的误差至少要经过16次测量平均才明显显示出来,如测量一次为0.3秒则得5秒之后,由闭环控制理论而知,大的时间滞后易产生振荡,收敛迅速变慢,且过冲很大,使整个控制系统不稳定。由于上述的均衡方法所存在的问题,在实际应用的振动装置中,将会发生下列情况:

    (1)当振动强度升、降级时或者被控制对象增益变化时,振动强度要经过多次振荡才能达到稳定,比如当N=16时,则要经过几十次修正、多次振荡才能稳定,且此时的振荡幅度可达百分之几十以上。这种长时间过强振荡易使试件过试验,或者造成试件损坏。

    (2)当振动台试件本身特性发生变化或者系统受到强外界干扰而产生共振峰谷时,系统需经过几十次修正、多次振荡才能补偿好,均衡速度过慢,这时虽然系统总的振动强度变化不太大,但长时间存在局部共振峰,试件的共振部位易产生过试验或损坏。

    2已有的频谱均衡修正法的数字随机振动控制系统其动态品质差。这是因为系统中缺少校正环节的改善,在一般的控制系统中,为使系统稳定,均有校正环节,但因频谱修正要逐线比较,逐线校正(比如常用的512条谱线,同一修正算法就要重复512次)为了满足实时控制的要求,已有的传统频谱均衡法采用简单的乘除算法(Sxn+1=Sxn· (Sr)/(Syn) )这种算法较简单,修正时间比有校正环节的算法要短得多,但动态品质差。

    为了改善上述的存在问题,希望能有一种新的快速、稳定、高精度的均衡方法,它可使新的控制系统及其设备稳定性好,精度高,均衡速度快。实施这个目的的构思是:将已有的传统均衡方法中不需要进行多次平均计算的部分从传统的频谱修正中分出去,不进行多次平均,而用其他的方法妥善处理,而余下的频谱部分则仍用原来的频谱均衡方法。这样就可使振动控制系统减小时间滞后或修正的时间间隔,使振荡次数减少,加速均衡速度。

    上述构思可分别用二种新的均衡方法或二种新方法的结合去解决,其一是对振动台试件本身特性发生变化或者有强外界干扰而产生的局部共振峰情况(此时有过大的局部误差点),以采用局部减小自由度加速修正的方法,其二是从功率谱中把振动强度分出去单独控制,使振动强度快速、稳定、高精度地均衡,以防止振动强度超差及因振动强度偏离而使谱线大量超差情况的发生。

    上述两种方法可以根据实际的振动环境的需要,选择采用其中一个,也可以将二方法结合采用。

    有关局部加速修正方法及其所组成的不等自由度频谱修正振动控制系统及其设备,我们已同时提出专利申请,并在申请文件中详细叙述,参见中国专利申请87/07034。

    本发明涉及的是一种新的数字随机振动控制均衡方法及其控制系统和设备,其目的是改善已有的振动控制系统,使由这种新系统控制的振动设备均衡速度快、稳定性能好、精度高。

    本发明的特征是:它由振动台1、模-数变换器2、时域-频域变换器3、振动强度(频谱有效值)均衡修正系统、和去除振动强度后的频谱的均衡修正系统所组成。亦即将由振动台的传感器拾取的振动信号,由数-模(A/D)变换器2、时域-频域频谱变换器3转换的振动功率谱,在多次平均计算之前,将振动强度(均方根值)先从频谱中分离出,使功率谱分成振动强度和“谱形”两部分,对其分别进行均衡修正。

    本发明的原理在于振动强度(均方根值)其本身是由系统的总增益决定,它不是随机过程,不需要多次平均计算,将它在平均计算之前就从谱形中分离出,单独对均方根值(有效值)进行均衡、修正,而不再进行平均计算,这就使有效值的修正时间大大缩短(比如10倍左右),同时还可避免了因指数加权平均所引起的时间滞后,使闭环反馈稳定,振荡次数减少,使对系统增益变化、振动强度变化的补偿比已有的传统方法快得多,即均衡速度加快,并增强了试验的安全性;对于剩下的“谱形”的均衡,由于振动强度已被分离出去,驱动信号的有效值就可以是较稳定的,这样在谱形均衡中,就不会由于强度偏离而产生过大的误差,均衡中振荡次数就减少。综合上述,由于本发明在平均计算之前将振动强度先分离出,单独均衡修正,使整个振动控制系统的滞后时间少,变化响应快,振荡减少,稳定性好,均衡速度快,因而它可抑制因振动强度升、降级或被控对象增益变化时过渡过程振荡所引起的过强振动,使试验更安全,频谱时间加快,效率高。同时,本发明在有效值修正的控制算法中,可采用校正环节来校正被控对象的特性,以改善系统的动态品质。比如采用PID数字式比例积分微分调节器或其他DDC算法,因振动强度是单一变量,不会明显增加均衡计算时间。

    图1为传统的频谱均衡方法(等自由度频谱均衡)为原理的数字随机振动控制系统的方框图

    图2~图5为本发明的几种实施状况的方框图,其中

    图2、图4为带有高精度的增益放大器的振动强度均衡修正系统和频谱均衡修正系统的数字随机振动控制系统的方框图。其中图2的频谱均衡修正系统为传统的(等自由度)频谱均衡,而图4的为不等自由度的频谱均衡。

    图3、图5为带有软件增益补偿器的振动强度修正系统和频谱均衡修正系统的数字随机振动控制系统的方框图。其中图3的频谱均衡修正系统为传统的(等自由度)频谱均衡,而图5的为不等自由度的频谱均衡。

    图2~图5中的1~12与图1中的1~12相同,13为异常超差点局部减小自由度加速修正器,14为可变自由度线性平均器,15为可变自由度指数加权平均器,16为校正环节,17为比较器,18为校正环节,19为软件增益补偿器,20为高精度的增益放大器,21为均方根值计算器,22为预定参考均方根值,23为乘法器。

    图2、图3、图4、图5所示数字随机振动控制系统中“谱形”修正系统和振动强度修正系统的组合如下:

    图2的“谱形”修正系统由4、5、6、7、8、9、10、11、12、20所组成,振动强度修正系统由17、20、21、22、23所组成。

    图3的“谱形”修正系统由4、5、6、7、8、9、10、11、19、12所组成,振动强度修正系统由12、17、19、21、22、23所组成。

    图4的“谱形”修正系统由13、14、15、6、7、8、9、10、11、12、20所组成,振动强度修正系统由17、20、21、22、23所组成。

    图5的“谱形”修正系统由13、14、15、6、7、8、9、10、11、19、12所组成,振动强度修正系统由12、17、19、21、22、23所组成。

    上述四种实施情况的控制过程为:由振动台传感器1、A/D转换器2、时频-频域域变换器3而得的振动功率谱,在平均计算前,由均方根计算器21将振动频谱的均方根值算出,再与参考均方根值22在比较器17进行比较,将其差值信号输入到增益补偿器19或增益放大器20,与经过修正的频谱谱形合成,得到一个新的驱动功率谱去调整对象的振动。均方根值计算可在频域中(在时域-频域频谱变换器3后)进行,也可在时域中(在时域-频域频谱变换器前)进行,后者较前者速度快,它由乘法器23将其分离出去。振动强度修正系统由均方根值计算器21、预定参考均方根值22、比较器17、乘法器23与增益补偿器19或增益放大器20所组成,为了改善系统的动态特性,通常可在比较器17后,加一PID校正环节(或其他DDC控制算法)。图2~图5系统中的频谱修正系统,图2、图3为传统的等自由频谱均衡修正系统,图4、图5为不等自由度的频谱均衡修正系统,其特征在于线性平均器14、指数平均器15均是可变自由度,该两个平均器与比较器6、预定参考频率谱8、超差修正器13组成一个可变自由度的快速修正系统。当功率谱估值与参考功率谱的误差在估值精度范围内时,此系统不起作用,频谱修正按传统修正方法进行,用高自由度,使谱估值精度高,如局部谱线误差过大时,则局部加速修正器发出信号,可变自由度平均器就减小自由度,使修正过程迅速稳定下来,误差很快减小到谱估值精度范围内,然后再加大自由度按传统频谱修正法修正。

    为了使D/A数一模变换器的位数充分利用,图2、图4的系统比图3、图5更好,动态范围更可提高,当高精度的程控放大器的精度为0.1dB时可视为连续可变的,可使输出动态范围明显提高。因为图2、图4的系统中,频谱线的修正是在将振动强度分离出后,一直到D/A数-模变换后到高精度增益放大器时才与振动强度修正值合成,因此D/A变换器可始终保持在最佳幅度状态,这就可最大限度地利用了D/A的动态范围,但图2、图4的系统比图3、图5的系统须增加一个高精度的增益放大器。而图3、图5的系统中,频谱修正与振动强度修正的合成在D/A数-模变换器前,因此D/A的动态范围就不能充分利用。

    上述图2与图4系统或图3与图5系统,其不同之处是图2、图3系统主要用于外界强干扰或者振动台试件本身特性发生变化而产生的局部共振峰谷较小的场合(此时不易有过大的局部误差点)此时剩下的“谱形”的均衡可用等自由度的频谱均衡系统,反之,则用图4或图5的系统。此时频谱修正系统采用局部加速修正法的不等自由度的频谱修正系统。

    图2~图5的四种控制系统均可在均方根值比较器17和增益放大器20或软件增益补偿器19之间、加速修正器13与修正器9之间增加一校正环节18、16,改善系统的动态器质。

    对于振动强度升、降级变化较大、或被控对象增益变化较大的而外界干扰又较多的振动状态采用图4的系统最为理想。因为振动强度修正系统已把振动强度单独均衡,大大加快了谱形的均衡速度,而去除了振动强度的“谱形”,当自由度足够高时,比如NOF=126时,“谱形”与预定参考谱的误差应在相应的频谱估值精度范围内,因此“谱形”在均衡过程中,振荡次数少,速度快,稳定性好,D/A变换器精度可充分利用,此系统的动态品质远远优化,即使有局部谱线误差超过频谱估值精度时,此时亦因有不等自由度修正系统,使局部超差谱线因减少平均次数而提高稳定性,抑止振荡。当该谱线误差迅速减小后,可再恢复到和其他谱线一样的平均次数再进行均衡,而其他谱线仍然依据各谱线的误差情况有各自的均衡自由度,这样既加快了超差谱线的均衡速度,又不影响其余已均衡好的谱线的精度,仍然使“谱形”的均衡速度大大提高,精度也很好。

    本发明的实施例如由下列装置组成的闭环反馈系统,及由此控制系统的振动设备。

    振动台1可以是电磁振动台或电液伺服液压振动台,或其他激振器。

    A/D转换器2可用通用的12位、转换速度<25μs的A/D变换器。

    时域-频域频谱变换器3

    (1)由LSI数字信号芯片如TMS32010或TMS32020,1024点FFT变换时间小于50mS,速度快。

    (2)由16×16位硬件乘法器,如TRN1010和软件混合完成1024点FFT变换约300mS。

    (3)由16位微机软件程序完成1024点FFT变换,需约1秒。

    线性平均器4由微机软件完成

    指数加权平均器5由微机软件完成

    比较器6、17由微机软件完成

    相位随机化器7由硬件移位寄存器逻辑电路产生伪随机二进制序列,作为随机相位;也可用微机软件完成。

    参考功率谱存储器8由微机内存储器完成

    修正器(乘法器)9由16位硬件乘法器完成,如TRW1010,也可由微机软件指令完成。

    频域-时域频谱变换器10和3用同一硬件,只是软件用IFFT程序即可。

    时域随机化产生器11。

    (1)可由硬件逻辑电路移位寄存器、计数器和存储器等完成。

    (2)可由TMS320.10数字信号处理芯片加存储器完成时域随机化,更简单、快速。

    (3)可由微机软件完成。

    模-数转换器12可用通用12位、转换速度<5μs    D/A变换器即可,如DAC80。

    异常超差点局部减小自由度加速修正器13可由微机软件完成。

    可变K的线性平均器14由微机软件完成。

    可变N的指数加权平均器15由微机软件完成。

    校正环节16、18为数字PID调节器或其他DDC控制算法,由微机软件完成。

    软件增益补偿器19由计算机完成。

    高精度的增益补偿器见另一专利申请。

    均方根值计算器21、预定参考均方根值22、乘法器23皆由微机完成。

    最佳实施例:除了振动台1,时域-频域频谱变换器3(频域-时域频谱变换器10)、修正器9、高精度增益放大器20、数-模(A/D)、模-数(D/A)变换器2、12外,其余均由微机完成。

    图6、7为振动强度升级时,有效值的阶跃响应模似曲线,横座标为修正次数,纵座标为振动强度,自由度NOF=248(K=4,N=16)图6是假定被控对象的有效值响应为理想状态时的阶跃响应。曲线(1)为传统频谱修正法的响应曲线,它经过多次振荡,几十次修正才能趋于稳定,曲线(2)采用图2、3振动强度分离均衡修正的控制设备,其有效值响应原理上一次修正即可稳定。图7仍然采用图2、3振动强度分离均衡修正的振动控制设备,但假定被控对象的有效值响应存在时间滞后,图中曲线(4)为此时的有效值阶跃响应曲线,由图可见存在明显的振荡。曲线(3)为在振动强度修正中加入PID校正后的阶跃响应曲线,由图可见阶跃响应明显改善,只是略有上冲振荡已经大大减弱了。

    图8、图9为共振或强外界干扰引起局部谱线过度超差时的模似修正曲线。自由度NOF=248(K=4    N=16),横座标为修正次数,纵座标为振动强度,曲线1为理想修正曲线,一次修正好,曲线(2)为传统方法多次平均后的曲线,曲线(3)为传统方法多次平均前的曲线,曲线(2)、(3)均存在时滞,修正速度慢,有长时间的过大超差存在,曲线(4)是采用不等自由度频谱修正,由图9可见两次修正后误差就迅速减小,很快就稳定,并达到谱估值精度。

    由上述这些曲线可知,新的修正方法在修正速度、修正精度、稳定性等方面均较已有的传统修正法优越,安全,它具有显著的实用价值和经济效益。

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一种数字随机振动控制均衡方法及其振动控制设备,它将由传感器拾取经变换器变换而得的振动功率谱,在平均计算之前,把振动强度就从中先分离出来,单独计算均衡修正,不再进行多次平均,而余下的“频谱”则用频谱均衡法均衡修正。此振动控制设备由振动台和控制装置所组成,控制装置为一控制系统,它由振动强度(频谱有效值)均衡修正系统和去除振动强度后余下的“频谱”均衡系统两部分所组成。 。

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