超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)系統(tǒng)及其并行測控技術(shù)

杜太行　王雨　孫曙光

摘要：針對傳統(tǒng)隨機(jī)振動試驗(yàn)技術(shù)不能夠精確模擬實(shí)際超高斯隨機(jī)振動環(huán)境的問題，設(shè)計(jì)一種超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)系統(tǒng)，并給出其并行測控技術(shù)。首先構(gòu)建超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)的硬件系統(tǒng)；然后對振動加速度信號的峭度與功率譜密度兩項(xiàng)指標(biāo)采用并行修正的控制方法，其中峭度采用均衡算法，功率譜密度采用自適應(yīng)逆控制的迭代算法；最后利用泊松過程將修正后的峭度與功率譜密度信號合成超高斯驅(qū)動信號，以驅(qū)動振動試驗(yàn)臺。實(shí)際振動試驗(yàn)測試表明：驅(qū)動信號具有典型的超高斯特性，響應(yīng)功率譜密度符合±3dB的允差要求，響應(yīng)峭度控制在±7%的誤差范圍，達(dá)到更符合實(shí)際振動環(huán)境的試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞：振動試驗(yàn)；測控技術(shù)；并行控制；超高斯；自適應(yīng)逆控制；泊松過程

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674—5124（2018）02-0093-05

0引言

振動與沖擊是導(dǎo)致運(yùn)輸包裝件、車載電子產(chǎn)品在流通環(huán)境中破損失效的主要因素。隨機(jī)振動試驗(yàn)通過振動臺系統(tǒng)模擬產(chǎn)品在真實(shí)運(yùn)輸和使用過程中遭受的振動環(huán)境，是驗(yàn)證產(chǎn)品性能并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段。產(chǎn)品實(shí)際流通過程中測試發(fā)現(xiàn)，因環(huán)境的特殊性，或在運(yùn)輸工具啟動、制動、變速行駛或遇到坑洼而產(chǎn)生異常顛簸時，產(chǎn)品振動響應(yīng)往往呈現(xiàn)出超高斯的特性。對超高斯隨機(jī)信號特性的描述增加了三階與四階累積統(tǒng)計(jì)特性中偏斜度和峭度兩個參數(shù)，工程應(yīng)用中規(guī)定偏斜度為0，峭度>3。

GB/T 4857.23——2012《包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)第23部分：隨機(jī)振動試驗(yàn)方法》和GB/T2423.56——2006《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Fh：寬帶隨機(jī)振動（數(shù)字控制）和導(dǎo)則》等有關(guān)隨機(jī)振動試驗(yàn)的國標(biāo)，以加速度功率譜密度作為振動試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，且在試驗(yàn)方法中指出采用呈高斯分布的隨機(jī)驅(qū)動信號。僅對功率譜密度進(jìn)行控制的傳統(tǒng)高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)，控制準(zhǔn)確度不高，且忽略峭度因素往往造成欠試驗(yàn)，達(dá)不到試驗(yàn)的目的。超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)不僅要對功率譜密度進(jìn)行控制，還需對峭度進(jìn)行控制。蔣瑜等提出基于二次相位調(diào)制和時域隨機(jī)化的方法產(chǎn)生超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)信號，該方法需提前計(jì)算出相關(guān)修正系數(shù)，以降低時域隨機(jī)化過程中功率譜和峭度的相互影響。

本文搭建了便于實(shí)現(xiàn)的振動試驗(yàn)系統(tǒng)，并給出將功率譜密度和峭度兩項(xiàng)指標(biāo)分別獨(dú)立且并行測控的方法，在對峭度指標(biāo)控制的同時對功率譜指標(biāo)沒有干擾影響。對采集的振動加速度信號，分兩路分別采用峭度均衡算法和功率譜迭代算法進(jìn)行修正，并通過泊松過程將修正后的兩路信號合成超高斯驅(qū)動信號，以驅(qū)動振動臺振動。最后通過實(shí)際測試，對超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)系統(tǒng)及其并行測控技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。

1超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建及控制策略

建立超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成包括：工控機(jī)，具有D/A輸出和A/D采集功能的研華1712型PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡，LCl63型壓電式加速度傳感器，驅(qū)動機(jī)構(gòu)，電磁式振動臺等，如圖1所示。其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)部電路組成如圖2所示，由二級控制器TMS320F28335型DSP采集工控機(jī)實(shí)時給出的控制信號，通過控制逆變電路產(chǎn)生相應(yīng)的PWM電壓信號將指令信號精準(zhǔn)地放大，以驅(qū)動電磁振動臺。該系統(tǒng)能夠提供頻率為0.5～600hz，加速度幅值上限20g的隨機(jī)振動試驗(yàn)。

進(jìn)行振動試驗(yàn)時，工控機(jī)運(yùn)算出滿足指標(biāo)要求的振動驅(qū)動控制信號，通過多功能數(shù)據(jù)采集卡的D/A功能實(shí)時輸出給驅(qū)動機(jī)構(gòu)以驅(qū)動振動臺進(jìn)行預(yù)期振動。安裝在振動臺面的加速度傳感器檢測實(shí)時振動信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集該振動信號作A/D轉(zhuǎn)換送至工控機(jī)。在工控機(jī)內(nèi)借助LabVIEW軟件平臺分別同時對峭度和功率譜密度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行修正控制，其中利用軟件平臺插入MathScript算法節(jié)點(diǎn)的形式，對峭度指標(biāo)采用均衡修正，對功率譜密度指標(biāo)采用基于自適應(yīng)逆控制的功率譜迭代修正。然后將修正后的兩路信號，基于泊松過程合成超高斯驅(qū)動信號，經(jīng)D/A輸出至驅(qū)動機(jī)構(gòu)以驅(qū)動振動臺振動。由于系統(tǒng)噪聲和非線性因素的影響，需不斷進(jìn)行上述修正控制，以保證振動試驗(yàn)的準(zhǔn)確度要求。

2超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)控制算法分析

2.1峭度均衡

對峭度指標(biāo)的修正控制采用峭度均衡方法。加速度傳感器采集振動響應(yīng)的一幀信號，計(jì)算出信號的峭度并采取修正算法。當(dāng)?shù)趇個響應(yīng)信號峭度Kyi小于參考峭度Kr時，增加下一幀驅(qū)動信號的峭度值，當(dāng)?shù)趇個響應(yīng)信號峭度Kyi>Kr時，減小下一幀驅(qū)動信號的峭度值。對第i個響應(yīng)信號yi峭度的修正表達(dá)式為

其中g(shù)ms是由試驗(yàn)指標(biāo)給出的加速度均方根值，由此得到的μA、σA作為產(chǎn)生隨機(jī)過程A的參數(shù)，λ作為泊松過程的參數(shù)，由圖3所示原理根據(jù)式（11）即可調(diào)制出符合試驗(yàn)要求的超高斯驅(qū)動信號。

3試驗(yàn)分析

該系統(tǒng)利用LabVIEW圖形化程序設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、分析與顯示；利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)峭度均衡、功率譜迭代和驅(qū)動信號生成等關(guān)鍵算法：并將關(guān)鍵算法通過添加MathScript節(jié)點(diǎn)的形式嵌入LabVIEW平臺內(nèi)，優(yōu)勢互補(bǔ)以構(gòu)建綜合軟件測試系統(tǒng)。其中軟件整體控制部分流程如圖4所示，測試部分則涵蓋了振動時域信號、統(tǒng)計(jì)特性、功率譜密度、峭度等多種試驗(yàn)指標(biāo)的實(shí)時顯示與分析。

以超高斯隨機(jī)振動試驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)輸包裝件可靠性試驗(yàn)應(yīng)用為例，選用中公路運(yùn)輸隨機(jī)振動試驗(yàn)國際通用的功率譜密度（見表1），作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)功率譜，并根據(jù)某已知路段路況近似峭度信息設(shè)置峭度目標(biāo)值為5，以驗(yàn)證本系統(tǒng)及測控技術(shù)的合理性。由上述目標(biāo)譜和峭度生成的一段超高斯時域驅(qū)動信號如圖5所示，圖中有部分信號幅值起伏變化劇烈，呈現(xiàn)較明顯的超高斯特性。為進(jìn)一步驗(yàn)證該驅(qū)動信號的統(tǒng)計(jì)特性，取10000個樣本點(diǎn)，將其概率密度曲線與之同均值同方差的高斯信號概率密度函數(shù)對比，如圖6所示。超高斯信號概率密度曲線相對鐘形高斯曲線更尖銳，在均值附近分布相對更集中，且尾部比高斯分布更長且厚，超高斯信號在極大極小值處分布頻數(shù)相對更高，樣本點(diǎn)在高斯分布統(tǒng)計(jì)特性中2σ～4σ之間的范圍分布較多。

將該驅(qū)動信號通過搭建的硬件系統(tǒng)平臺進(jìn)行實(shí)際振動試驗(yàn)，分析響應(yīng)功率譜密度和響應(yīng)峭度的控制效果。圖7為采用自適應(yīng)逆控制的功率譜迭代算法，由10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值得到的加速度均方根誤差與迭代次數(shù)的關(guān)系。由于在試驗(yàn)開始前采用頻響函數(shù)預(yù)辨識初始化權(quán)向量，使得響應(yīng)加速度均方值經(jīng)10次迭代便達(dá)到國標(biāo)要求的±15%誤差范圍，在經(jīng)過13次迭代后趨于收斂，且誤差穩(wěn)定在±10.5%范圍內(nèi)。圖8為經(jīng)13次迭代后功率譜密度控制效果，響應(yīng)功率譜密度被較好地控制在工程應(yīng)用規(guī)定的±3dB誤差限帶內(nèi)。響應(yīng)信號峭度控制效果如圖9所示，經(jīng)反復(fù)均衡修正的響應(yīng)峭度值趨近目標(biāo)值小幅波動，在第160s出現(xiàn)低于目標(biāo)值7%的最大偏差值0.35，遠(yuǎn)低于±10%的預(yù)期誤差。綜上，響應(yīng)功率譜密度和峭度兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了較好的試驗(yàn)準(zhǔn)確度要求。

4結(jié)束語

1）為能使隨機(jī)振動試驗(yàn)提供接近真實(shí)環(huán)境的測試效果，本文設(shè)計(jì)了一種超高斯振動試驗(yàn)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)硬件構(gòu)成并闡述其并行測控方法，使振動響應(yīng)信號的功率譜密度和峭度得到精準(zhǔn)的修正且互不影響。

2）通過對振動試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試，驗(yàn)證了采用該并行測控技術(shù)的振動試驗(yàn)系統(tǒng)驅(qū)動信號具有較典型的超高斯特性，響應(yīng)功率譜與峭度指標(biāo)均較好地滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，且系統(tǒng)具有較好的收斂性。振動試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到更接近真實(shí)環(huán)境的試驗(yàn)效果，從而為產(chǎn)品與包裝件振動環(huán)境下可靠性檢驗(yàn)和性能改善提供更有效的測試技術(shù)。