振动试验实时控制

1、振动试验实时控制振动试验实时控制浙江大学机械系浙江大学机械系陈章位教授陈章位教授2振动试验振动试验工程背景工程背景u现代工业产品的制作工艺越来越复杂现代工业产品的制作工艺越来越复杂u复合材料的应用越来越多复合材料的应用越来越多u产品的使用范围越来越广产品的使用范围越来越广u产品的可靠性要求越来越高产品的可靠性要求越来越高3振动引发的故障模式振动引发的故障模式 结构疲劳破坏结构疲劳破坏 结构瞬时超越破坏结构瞬时超越破坏 仪器设备功能失效仪器设备功能失效 产品总体性能下降产品总体性能下降 对人体造成危害对人体造成危害u2.55Hz 之间的振动，可引起颈椎和腰椎的共振，振幅增大约之间的振动，可引起颈

2、椎和腰椎的共振，振幅增大约240u46Hz 间的振动，可使人的驱体、肩以及颈发生共振，振幅增大约间的振动，可使人的驱体、肩以及颈发生共振，振幅增大约200u2030Hz 间的振动，使人的关节与肩之间出现强共振，其振幅增大间的振动，使人的关节与肩之间出现强共振，其振幅增大250u60200Hz 间的振动，可使人的眼球、手指发生共振，共振幅增大约间的振动，可使人的眼球、手指发生共振，共振幅增大约230一般地面设备机械振动的频率范围是一般地面设备机械振动的频率范围是l0100Hz，舶船设备机械振动的频率范围是，舶船设备机械振动的频率范围是5l00Hz，可见这些振动对人体都是很有危害性的。，可见这些振

3、动对人体都是很有危害性的。4振动试验目的振动试验目的 研制试验研制试验 鉴定试验鉴定试验 功能试验功能试验 耐久试验耐久试验 可靠性试验可靠性试验 用于确定装备的特性，暴露设计和构造的不足及评价用于确定装备的特性，暴露设计和构造的不足及评价纠正措施纠正措施确定装备是否满足特定环境要求确定装备是否满足特定环境要求验证装备暴露在最恶劣的运行环境条件下是否能正常验证装备暴露在最恶劣的运行环境条件下是否能正常工作工作对环境寿命周期高精度的模拟对环境寿命周期高精度的模拟 获得装备失效率的统计规律获得装备失效率的统计规律, ,试验件通常较多试验件通常较多根据产品研发阶段的不同，其试验目的主要参见（根据产品

4、研发阶段的不同，其试验目的主要参见（MIL-STD-810FMIL-STD-810F）5振动试验目的振动试验目的把实际运行环境振动与冲击等抽象到理论高度，把实际运行环境振动与冲击等抽象到理论高度，形成各类力学环境试验标准；形成各类力学环境试验标准；根据各类试验标准，完成力学环境试验根据各类试验标准，完成力学环境试验目标：使产品在整个生命周期内完成预定功目标：使产品在整个生命周期内完成预定功能能在实验室环境里，模拟对象在实际运行环境中在实验室环境里，模拟对象在实际运行环境中有可能承受的振动与冲击；有可能承受的振动与冲击；62. 振动试验方法振动试验方法2.1 正弦振动试验正弦振动试验主要用途：主

5、要用途：（1 1）模拟激励源是周期函数的振动）模拟激励源是周期函数的振动（2 2）搜寻结构共振频率）搜寻结构共振频率（3 3）考核试件的疲劳强度）考核试件的疲劳强度（4 4）与随机振动叠加产生模拟）与随机振动叠加产生模拟实际环境的振动（实际环境的振动（SORSOR直升直升机、汽车发动机舱）机、汽车发动机舱）72. 振动试验方法振动试验方法82. 振动试验方法振动试验方法显示卡显示卡92. 振动试验方法振动试验方法-风扇风扇10分类：分类：（1 1）定频正弦振动试验）定频正弦振动试验（2 2）扫频正弦振动试验）扫频正弦振动试验正弦扫描搜寻找共振频率，在共振频率定频驻留，考核正弦扫描搜寻找共振频率

6、，在共振频率定频驻留，考核疲劳强度；疲劳强度；正弦振动频率始终不变的试验叫定频正弦振动试验正弦振动频率始终不变的试验叫定频正弦振动试验正弦扫频试验中频率将按一定的规律发生变化，而正弦扫频试验中频率将按一定的规律发生变化，而振动量级是频率的函数振动量级是频率的函数交越频率交越频率：振动特征量由一种关系变为两种关系的频率：振动特征量由一种关系变为两种关系的频率严酷等级严酷等级频率范围、振动幅值、扫描方式、扫描速频率范围、振动幅值、扫描方式、扫描速率、持续时间率、持续时间2. 振动试验方法振动试验方法2.1 正弦振动试验正弦振动试验11扫描方式：扫描方式：线性扫描线性扫描频率变化是线性的，各频率振动

7、时间相同频率变化是线性的，各频率振动时间相同疲劳损伤与应力交变次数有关通常采用对数扫描疲劳损伤与应力交变次数有关通常采用对数扫描快速扫描快速扫描响应来不及进入非线性，用于模态分析响应来不及进入非线性，用于模态分析对数扫描对数扫描频率的对数线性变化，各频率振动次数近频率的对数线性变化，各频率振动次数近似相同似相同扫描速率：扫描速率：Hz/minHz/min、Oct/minOct/min慢速扫描慢速扫描激起最大的共振响应，用于搜寻共振频率激起最大的共振响应，用于搜寻共振频率采用快慢结合的方式搜寻共振频率采用快慢结合的方式搜寻共振频率2. 振动试验方法振动试验方法2.1 正弦振动试验正弦振动试验12

8、u所有试验频率成分同时激振而且在各频率的输入振幅是随机变化的所有试验频率成分同时激振而且在各频率的输入振幅是随机变化的u从时间轴上看，随机振动试验为多次瞬间随机振动的叠加，从试验从时间轴上看，随机振动试验为多次瞬间随机振动的叠加，从试验曲线上看，测点响应曲线的每一帧都不同曲线上看，测点响应曲线的每一帧都不同u数学模型更为复杂，控制设备要求较高数学模型更为复杂，控制设备要求较高u更加符合真实环境激励更加符合真实环境激励随机振动试验特点：随机振动试验特点：为什么随机信号能控制为什么随机信号能控制随机振动试验应用范围：随机振动试验应用范围：模拟车辆实际行驶过程中受到的振动模拟车辆实际行驶过程中受到的

9、振动模拟地震时的振动模拟地震时的振动模拟飞行器发动机运行时的振动模拟飞行器发动机运行时的振动模拟流体的紊流引发的振动模拟流体的紊流引发的振动2. 振动试验方法振动试验方法2.2 随机振动试验随机振动试验13随机振动假设：平稳、各态历经、高斯分布随机振动假设：平稳、各态历经、高斯分布平稳平稳统计特性与时间无关统计特性与时间无关高斯分布高斯分布瞬时加速度值的概率密度函数符合高斯分布瞬时加速度值的概率密度函数符合高斯分布各态历经各态历经每个子样可以代表过程的统计特性每个子样可以代表过程的统计特性严酷等级严酷等级频率范围、加速度谱密度、总均方根、持续频率范围、加速度谱密度、总均方根、持续时间时间2.

10、振动试验方法振动试验方法2.2 随机振动试验随机振动试验14随机振动中的计算：随机振动中的计算：均方根值：均方根值：最大推力：最大推力：功率谱密度斜率：功率谱密度斜率：最大位移：最大位移：2. 振动试验方法振动试验方法2.2 随机振动试验随机振动试验15随机振动试验条件的设置：随机振动试验条件的设置：频率范围频率范围输入试验频率的上下限输入试验频率的上下限自由度数自由度数统计中独立变量的个数统计中独立变量的个数分辨率分辨率最大频率与谱线数之比最大频率与谱线数之比谱设置谱设置按照试验规范将谱型输入至控制器按照试验规范将谱型输入至控制器容差设置容差设置推荐报警限为推荐报警限为3dB3dB与中断限与

11、中断限6dB6dB2. 振动试验方法振动试验方法2.2 随机振动试验随机振动试验16（1 1）正弦叠加随机振动（）正弦叠加随机振动（SORSOR）模拟真实的工作环境宽带随机正弦和或模拟真实的工作环境宽带随机正弦和或/ /窄带随机窄带随机2. 振动试验方法振动试验方法2.3 混合振动试验混合振动试验17（2 2）随机叠加随机振动（）随机叠加随机振动（RORROR）（3 3）正弦叠加随机再叠加随机振动（）正弦叠加随机再叠加随机振动（SRORSROR）2. 振动试验方法振动试验方法2.3 混合振动试验混合振动试验18适合模拟复杂激励下的振动试验适合模拟复杂激励下的振动试验可分段完成的大量级振动试验可

12、分段完成的大量级振动试验uSROR SROR 模式下，宽带随机的振动量级较小，窄带随机模式下，宽带随机的振动量级较小，窄带随机和正弦振动量级较大和正弦振动量级较大uROR ROR 模式下，可用实现输出较小的激振力进行较大量模式下，可用实现输出较小的激振力进行较大量级的振动级的振动特点：特点：应用范围：应用范围：2. 振动试验方法振动试验方法2.3 混合振动试验混合振动试验19冲击环境来自于弹性体之间的机械撞击冲击环境来自于弹性体之间的机械撞击2. 振动试验方法振动试验方法2.4 冲击试验冲击试验冲击环境：冲击环境：u运输过程中的随机性弹跳冲击运输过程中的随机性弹跳冲击u操作过程中的意外敲击、震

13、摇、跌落操作过程中的意外敲击、震摇、跌落u利用冲击能的受控冲击环境利用冲击能的受控冲击环境u化学能或其他能量的突然释放化学能或其他能量的突然释放20电工电子产品的结构强度和性能稳定性与产品响应的应力直电工电子产品的结构强度和性能稳定性与产品响应的应力直接相关。接相关。【在弹性极限内，产品受到的应力相同，其变形相在弹性极限内，产品受到的应力相同，其变形相同，所以表现的故障也相同同，所以表现的故障也相同】2. 振动试验方法振动试验方法2.4 冲击试验冲击试验冲击试验中的等效损伤原则冲击试验中的等效损伤原则冲击故障类型冲击故障类型a a）结构变形）结构变形b b）安装松动产生裂纹甚至断裂）安装松动产

14、生裂纹甚至断裂c c）电气连接松动，接触不良，使得产品工作性能不稳定）电气连接松动，接触不良，使得产品工作性能不稳定d d）产品内部各单元的相对位置发生变化，造成性能下降，）产品内部各单元的相对位置发生变化，造成性能下降，甚至元器件破裂，使其无法工作甚至元器件破裂，使其无法工作21数学表达式数学表达式根据函数根据函数f f（t t）不同的表达式，冲击可分为：）不同的表达式，冲击可分为： （1 1）、半正弦波）、半正弦波（2 2）、矩形波）、矩形波（3 3）、后峰锯齿波）、后峰锯齿波（4 4）、前锋锯齿波）、前锋锯齿波（5 5）、前后峰锯齿波可组成三角波）、前后峰锯齿波可组成三角波tatfDsi

15、n)(00)(atfDtatf0)()1 ()(0Dtatf)( , 0)0(),(0DtDttfaa冲击波形复现冲击波形复现2. 振动试验方法振动试验方法2.4 冲击试验冲击试验22冲击响应谱时单自由度系统在冲击作用下的最大响应同冲击响应谱时单自由度系统在冲击作用下的最大响应同系统固有频率之间的关系，其间不包含相位信息，因此系统固有频率之间的关系，其间不包含相位信息，因此冲击脉冲波形与冲击响应谱之间不存在唯一的对应关系。冲击脉冲波形与冲击响应谱之间不存在唯一的对应关系。冲击响应谱复现冲击响应谱复现不同的冲击脉冲可以有相同的冲击响应谱，同一冲击响不同的冲击脉冲可以有相同的冲击响应谱，同一冲击响

16、应谱可以对应无穷多个冲击脉冲。应谱可以对应无穷多个冲击脉冲。用振动台进行冲击试验的实质就是利用冲击响应谱的不用振动台进行冲击试验的实质就是利用冲击响应谱的不唯一性，人为地产生一种冲击脉冲，使其能够匹配规定唯一性，人为地产生一种冲击脉冲，使其能够匹配规定的冲击响应谱。的冲击响应谱。产生冲击脉冲的方法一般是波形综合法。产生冲击脉冲的方法一般是波形综合法。2. 振动试验方法振动试验方法2.4 冲击试验冲击试验23试验条件的获取：试验条件的获取：实测数据、类似产品、相关标准实测数据、类似产品、相关标准常用标准：常用标准：军工产品：军工产品：GJB150GJB150、MILMILSTDSTD810F81

17、0F电子产品：电子产品：GB/T2423GB/T2423、IEC60068IEC60068汽车零部件：汽车零部件：ISO16750ISO16750、GM3127GM3127轨道交通：轨道交通：IEC61373IEC61373、TB3058TB3058包装运输：包装运输：GB/T4857GB/T4857、ASTMASTM、ISTAISTA2. 振动试验方法振动试验方法2.5 振动试验条件振动试验条件24边界条件的模拟：边界条件的模拟：（1 1）正确模拟边界条件，才能保证试验的正确性夹具）正确模拟边界条件，才能保证试验的正确性夹具（2 2）激励试验时不需模拟实际边界条件）激励试验时不需模拟实际边界

18、条件ESSESS传感器的安装位置：传感器的安装位置：控制点夹具上试件与夹具的结合面，靠近固定点控制点夹具上试件与夹具的结合面，靠近固定点测量点试件上刚度较大的位置，避免局部薄壁振动测量点试件上刚度较大的位置，避免局部薄壁振动2. 振动试验方法振动试验方法2.6 振动试验的共性问题振动试验的共性问题25再现性再现性不是试验与实际环境的再现性，而是不同不是试验与实际环境的再现性，而是不同人在不同场合进行试验时结果的一致性人在不同场合进行试验时结果的一致性振动的疲劳累积效应振动的疲劳累积效应加速试验加速试验振动耐久试验振动耐久试验通过增大振动量级缩短试验时间通过增大振动量级缩短试验时间2. 振动试验

19、方法振动试验方法2.6 振动试验的共性问题振动试验的共性问题26振动、温度与湿度的综合模拟工作环境、温度振动、温度与湿度的综合模拟工作环境、温度引起材料性能的改变、振动传递特性变化引起材料性能的改变、振动传递特性变化温度与振动综合传感器灵敏度变化的影响温度与振动综合传感器灵敏度变化的影响多维振动试验更加真实模拟实际环境多维振动试验更加真实模拟实际环境2. 振动试验方法振动试验方法2.6 振动试验的共性问题振动试验的共性问题273. 振动试验系统振动试验系统3.1 振动试验系统的构成振动试验系统的构成驱动信号驱动信号实际振动实际振动振动台振动台功功率率放放大大器器励磁激励励磁激励振动控制仪振动控

20、制仪283.1 试验系统中的信号流试验系统中的信号流3. 振动试验系统振动试验系统运动信号运动信号电荷信号电荷信号电荷信号电荷信号电压信号电压信号电压信号电压信号电压信号电压信号数字信号数字信号293.2 振动控制器振动控制器国内厂家：国内厂家：杭州亿恒科技有限公司等杭州亿恒科技有限公司等按照功能分：按照功能分：正弦控制仪，随机控制仪和多功能控正弦控制仪，随机控制仪和多功能控制仪制仪按照控制方式分：按照控制方式分：模拟式和数字式模拟式和数字式3. 振动试验系统振动试验系统30a a、频率范围、频率范围b b、频率稳定度、频率稳定度c c、扫描功能、扫描功能d d、压缩的动态范围、压缩的动态范围

21、e e、测振指示精度、测振指示精度f f、控制精度、控制精度振动控制仪的主要技术指标：振动控制仪的主要技术指标：正弦振动控制正弦振动控制：随机振动控制随机振动控制：a a、频率范围、频率范围b b、频率分辨率、频率分辨率c c、动态范围、动态范围d d、均衡精度、均衡精度e e、回路时间、回路时间3.2 振动控制器振动控制器3. 振动试验系统振动试验系统313.3 振动台振动台（1 1）机械式振动台）机械式振动台直接作用式：凸轮驱动工作台直接作用式：凸轮驱动工作台惯性式：偏心质量块旋转产生的离心力作为激振力惯性式：偏心质量块旋转产生的离心力作为激振力优点：优点：价格低廉、工作可靠、载荷和推力大

22、价格低廉、工作可靠、载荷和推力大缺点：缺点：工作频率范围窄，加速度失真较大。可满足试验工作频率范围窄，加速度失真较大。可满足试验方法中低频段试验要求方法中低频段试验要求3. 振动试验系统振动试验系统32（2 2）电液式振动试验台）电液式振动试验台原理：原理：通过能量转换装置，将油泵流出的高压流通过能量转换装置，将油泵流出的高压流体的能量转换成激振力体的能量转换成激振力优点：优点：下限频率低，易于实现大推力，载荷重，位下限频率低，易于实现大推力，载荷重，位移大移大缺点：缺点：设备复杂，价格昂贵，对基础要求高。设备复杂，价格昂贵，对基础要求高。可满足试验方法中低、中频段的试验要求可满足试验方法中低

23、、中频段的试验要求3.3 振动台振动台3. 振动试验系统振动试验系统33（3 3）电动式振动试验台）电动式振动试验台原理：原理：恒定磁场和位于磁场中通有一交变电流的线恒定磁场和位于磁场中通有一交变电流的线圈相互作用，产生激振力圈相互作用，产生激振力优点优点：工作频带宽，振动波形好，易于自动控制，操：工作频带宽，振动波形好，易于自动控制，操作调节方便作调节方便缺点缺点：结构复杂，价格较贵，载荷和工作台面较小。：结构复杂，价格较贵，载荷和工作台面较小。可满足试验要求中可满足试验要求中5Hz5Hz以上的各频段试验要求以上的各频段试验要求3.3 振动台振动台3. 振动试验系统振动试验系统振动试验控制的

24、目标振动试验控制的目标是在振动台再现规定的试验条件，是在振动台再现规定的试验条件，使传感器测得的响应信号与目标信号相一致。使传感器测得的响应信号与目标信号相一致。时域波形再现时域波形再现频谱再现随机振动频谱再现随机振动汽车道路模拟、地震模拟汽车道路模拟、地震模拟宽带随机振动试验宽带随机振动试验窄带随机振动试验窄带随机振动试验4 4. . 振动试验实时控制振动试验实时控制频谱再现随机振动频谱再现随机振动宽带随机振动试验宽带随机振动试验窄带随机振动试验窄带随机振动试验4 4. . 振动试验实时控制振动试验实时控制问题问题:1、随机信号可以控制、随机信号可以控制2、频域控制、频域控制称之称之:频谱再

25、现频谱再现,由于是单自由度由于是单自由度不考虑相位不考虑相位.364 4. . 振动试验实时控制振动试验实时控制数模转换数模转换时域随机化时域随机化IFFTIFFT频谱均衡频谱均衡PSDPSD计算计算模数转换模数转换参考谱参考谱相位随机化相位随机化振动台振动台与试件与试件功率功率放大器放大器振动测量振动测量传感器传感器37振动台传感器相位随机化传递函数估计均衡处理时域随机化重叠存储功率谱估计参考谱IFFT频谱均衡4 4. . 振动试验实时控制振动试验实时控制38迭代控制：迭代控制： u 辨识系统的传递函数；辨识系统的传递函数；u 计算初始驱动信号；计算初始驱动信号；u 迭代过程；迭代过程；u

26、用离线修正好的驱动信号进行激振，用离线修正好的驱动信号进行激振， 开始正式试验。开始正式试验。4.4.振动试验控制理论振动试验控制理论394 4. . 振动试验实时控制振动试验实时控制 振动控制系统的振动控制系统的”实时性实时性”是完成一次闭环控是完成一次闭环控制的循环时间。制的循环时间。 微处理单元微处理单元 数字信号处理器数字信号处理器 为算法的实现与改进提供可能为算法的实现与改进提供可能404.4.振动试验控制理论振动试验控制理论4.1 4.1 功率谱密度估计功率谱密度估计 振动试验控制系统是一个振动试验控制系统是一个实时控制系统实时控制系统，基于参数化模型，基于参数化模型的谱估计方法虽

27、然具有高的分辨率，如应用到振动试验中的谱估计方法虽然具有高的分辨率，如应用到振动试验中可以显著提高谱估计精度、提高系统的控制收敛速度，但可以显著提高谱估计精度、提高系统的控制收敛速度，但是却具有建立系统模型难、对噪声非常敏感、运算量要求是却具有建立系统模型难、对噪声非常敏感、运算量要求高的难点。高的难点。 而而周期图法周期图法虽然具有谱估计方差大的缺点，但由于计算简虽然具有谱估计方差大的缺点，但由于计算简单，可以通过多次统计平均减小方差对谱估计的影响，因单，可以通过多次统计平均减小方差对谱估计的影响，因此广泛应用于各种实时控制系统中。此广泛应用于各种实时控制系统中。 2| )(|1)(kXNP

28、Nper10/2)(1)(NrNkrjNerxNkX414.2 4.2 频谱均衡频谱均衡)(th)(H)(tx)(ty)(xS)(yS激励激励响应响应时域时域频域频域系统的传递特性系统的传递特性)()()(2xySHS均衡均衡就是对输出给功率放大器的激励信号，在就是对输出给功率放大器的激励信号，在不同频率不同频率段进行不同程度的放大和衰减段进行不同程度的放大和衰减，使振动台的振动能达到设，使振动台的振动能达到设定目标谱的过程。定目标谱的过程。4 4. . 振动试验实时控制振动试验实时控制422/ HSSyxrxSS 2/ HSSrxxySSH/2H2)()()(HSSrx激励激励测试测试1H频

29、谱均衡公式频谱均衡公式2)()()(HSSyx)()(yrSS4.4.振动试验控制理论振动试验控制理论434.3 4.3 随机驱动信号的产生随机驱动信号的产生伪随机信号伪随机信号 10/21)(1)(NkNknjsekfSNntx)(1kfS)(sntx4.4.振动试验控制理论振动试验控制理论44伪随机信号是多次重复其自身，其频谱为离散谱，能量伪随机信号是多次重复其自身，其频谱为离散谱，能量集中在原谱的采样频率点上，其时域信号是以一帧信号的集中在原谱的采样频率点上，其时域信号是以一帧信号的采样时间采样时间T T为周期。为周期。 虽然不存在频谱泄漏问题，但是伪随机信号的幅值分布虽然不存在频谱泄漏问题，但是伪随机信号的幅值分布具有尖刺，其幅值概率密度函数仅近似于高斯（正态）分具有尖刺，其幅值概率密度函数仅近似于高斯（正态）分布。布。 在共振带宽小于在共振带宽小于2 2 （ 为频率分辨率）时可能产生欠为频率分辨率）时可能产生欠试验。试验。 ff伪随机信号伪随机信号4.4.振动试验控制理论振动试验控制理论45真随机信号真随机信号时域随机化的过程，就是对相位随机化后的伪随机信号进时域随机化的过程，就是对相位随机化后的伪随机信号进行行延时延时和和反向