振动试验实时控制系统的研究

论文摘要

环境振动试验是可靠性工程的重要组成部分之一，在近五十年中，随着航空、航天、军事装备、各民用行业对产品性能以及可靠性要求的不断提高，对环境振动试验的要求越来越高。其试验方法也从以前的正弦试验逐步发展到具有随机试验、正弦加随机、随机加随机、冲击试验、冲击响应谱以及随机信号的时域再现等诸多试验方法，以满足不同应用以及科学研究领域的需要。这些振动试验的控制算法在进行试验的过程中起着至关重要的作用，直接影响着振动试验的控制精度、控制动态范围以及试验结果的可信度等。因此，针对振动试验的控制算法展开研究是具有十分重要的意义。 本论文主要以随机振动试验作为研究对象，综合国内外文献资料以及工程中实际反映的问题，主要针对以下方面进行了详细的理论和试验研究。首先，随机振动试验中的控制动态范围是衡量振动试验系统控制性能和控制精度的主要指标。目前国内振动试验控制器仅能做到60dB的控制动态范围，而国际同类技术水平能达到90dB。因此，本论文在对传统随机振动试验算法进行分析的基础上，揭示控制动态范围低的问题所在：加窗重叠所带来的频谱泄漏以及时域统计特性变化，并在分析的基础上提出了时域的修正算法，给出了基于两帧重叠的修正因子关系式。该解决方法使得随机振动试验的控制动态范围达到了90dB以上，满足了随机振动试验高控制动态范围的要求。其次，复合振动试验更能真实反映产品在实际环境中所受到的振动激励。在目前的正弦加随机振动控制算法中普遍存在低频正弦信号从宽带随机信号中分离精度不高，以及多个低频正弦信号不易分离的难题。本论文采用从频域分离的思想，在多分辨率谱分析方法的基础上，提出了基于多分辨率谱分析方法与维纳-辛钦定理相结合的幅值分离算法，提高了正弦信号分离的精度，从而提高了正弦加随机振动试验的控制精度。此外，本文对基于32位浮点高速处理器DSP和FPGA实时硬件系统的设计做了深入的研究，并与前述研究内容结合在一起，在实际振动试验系统中进行了控制算法的对比研究，试验结果再次证明了本文的研究算法是正确的。 有关各章内容分述如下： 第1章阐述了本课题的来源、研究的目的和意义；重点介绍了国内外振动试验控制系统的发展历史和研究动态；介绍了相关研究领域的研究状况；最后对论文的总体研究内容以及研究结果进行概括性论述。 第2章对随机振动试验控制原理及其算法进行了详细的介绍。重点介绍了其中的谱估计、传递函数均衡、相位随机化、时域随机化等关键技术；并对随机振动信号的时域分布进行了介绍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图和表格索引
• 插图
• 表格
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景以及研究意义
• 1.2 常用振动试验方法
• 1.3 振动试验控制系统的国内外发展概况
• 1.3.1 国外发展概况
• 1.3.2 国内发展概述
• 1.3.3 振动台的发展概况
• 1.3.4 目前研究方向和研究进展
• 1.4 相关领域的研究概况
• 1.4.1 谱分析理论的发展
• 1.4.2 时频分析的研究
• 1.4.3 自适应滤波的发展
• 1.5 博士论文研究内容和创新点
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 创新点
• 第2章 随机振动试验算法的研究
• 2.1 电动振动台的幅频特性
• 2.2 随机振动试验的等价条件
• 2.3 随机振动试验控制算法
• 2.3.1 功率谱密度估计方法
• 2.3.2 逆传递函数的均衡与激励谱的求解
• 2.3.3 相位随机化
• 2.3.4 时域随机化
• 2.4 振动信号的幅值分布的研究
• 2.5 随机振动试验中的重要技术指标
• 2.6 小结
• 第3章 随机振动试验中控制动态范围影响因素的研究
• 3.1 振动试验控制动态范围的分析
• 3.2 影响控制动态范围的因素分析
• 3.2.1 加窗重叠技术的研究
• 3.2.2 窗函数的影响以及仿真研究
• 3.3 汉宁窗的问题
• 3.4 基于时域修正的算法
• 3.5 小结
• 第4章 正弦加随机振动试验低频控制精度的研究
• 4.1 正弦信号分离的常用算法
• 4.1.1 复数二差法
• 4.1.2 基于最小二乘法的分离算法
• 4.2 基于多分辨率谱分析的信号分离方法
• 4.2.1 多分辨率分析的谱分析方法研究
• 4.2.2 基于多抽样率的多分辨率谱分析
• 4.2.3 正弦信号幅值的分离
• 4.2.4 基于多分辨率谱分析的正弦加随机振动试验算法
• 4.2.5 正弦信号的闭环控制
• 4.2.6 随机信号的闭环控制
• 4.3 正弦加随机振动试验的算法仿真研究
• 4.3.1 仿真试验
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 小结
• 第5章 实时硬件平台设计以及优化
• 5.1 数字集成电路概述
• 5.1.1 高性能DSP处理器
• 5.1.2 可编程逻辑器件
• 5.1.3 通讯接口
• 5.2 实时硬件系统的研究
• 5.2.1 DSP的选择与应用
• 5.2.2 FPGA
• 5.2.3 USB的选择
• 5.3 实时控制系统的设计以及优化
• 5.4 系统的优化
• 5.4.1 算法的优化
• 5.4.2 程序流程以及与芯片相关的优化
• 5.5 小结
• 第6章 实时振动试验对比研究
• 6.1 试验系统的组成
• 6.1.1 功率放大器 + 振动台
• 6.1.2 振动试验控制器
• 6.1.3 加速度传感器
• 6.2 随机振动试验试验研究
• 6.3 正弦加随机振动试验研究
• 第7章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 相关工作展望
• 参考文献
• 攻读博士期间已发表和投寄的论文
• 致谢