杜太行　王雨　孫曙光

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)不能夠精確模擬實(shí)際超高斯隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境的問題，設(shè)計(jì)一種超高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，并給出其并行測(cè)控技術(shù)。首先構(gòu)建超高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的硬件系統(tǒng)；然后對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)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(hào)合成超高斯驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試表明：驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)環(huán)境的試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)試驗(yàn)；測(cè)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(hào)：1674—5124（2018）02-0093-05

0引言

振動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)通過振動(dòng)臺(tái)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(dòng)環(huán)境，是驗(yàn)證產(chǎn)品性能并對(duì)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(cè)試發(fā)現(xiàn)，因環(huán)境的特殊性，或在運(yùn)輸工具啟動(dòng)、制動(dòng)、變速行駛或遇到坑洼而產(chǎn)生異常顛簸時(shí)，產(chǎn)品振動(dòng)響應(yīng)往往呈現(xiàn)出超高斯的特性。對(duì)超高斯隨機(jī)信號(hào)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(gè)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(dòng)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(dòng)（數(shù)字控制）和導(dǎo)則》等有關(guān)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的國(guó)標(biāo)，以加速度功率譜密度作為振動(dòng)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(dòng)信號(hào)。僅對(duì)功率譜密度進(jìn)行控制的傳統(tǒng)高斯隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)不僅要對(duì)功率譜密度進(jìn)行控制，還需對(duì)峭度進(jìn)行控制。蔣瑜等提出基于二次相位調(diào)制和時(shí)域隨機(jī)化的方法產(chǎn)生超高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)，該方法需提前計(jì)算出相關(guān)修正系數(shù)，以降低時(shí)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(dòng)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(cè)控的方法，在對(duì)峭度指標(biāo)控制的同時(shí)對(duì)功率譜指標(biāo)沒有干擾影響。對(duì)采集的振動(dòng)加速度信號(hào)，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(hào)合成超高斯驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。最后通過實(shí)際測(cè)試，對(duì)超高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)及其并行測(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁式振動(dòng)臺(tái)等，如圖1所示。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部電路組成如圖2所示，由二級(jí)控制器TMS320F28335型DSP采集工控機(jī)實(shí)時(shí)給出的控制信號(hào)，通過控制逆變電路產(chǎn)生相應(yīng)的PWM電壓信號(hào)將指令信號(hào)精準(zhǔn)地放大，以驅(qū)動(dòng)電磁振動(dòng)臺(tái)。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(dòng)試驗(yàn)。

進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，工控機(jī)運(yùn)算出滿足指標(biāo)要求的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，通過多功能數(shù)據(jù)采集卡的D/A功能實(shí)時(shí)輸出給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行預(yù)期振動(dòng)。安裝在振動(dòng)臺(tái)面的加速度傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集該振動(dòng)信號(hào)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(tái)分別同時(shí)對(duì)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(tái)插入MathScript算法節(jié)點(diǎn)的形式，對(duì)峭度指標(biāo)采用均衡修正，對(duì)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(hào)，基于泊松過程合成超高斯驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)D/A輸出至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。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(dòng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度要求。

2超高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制算法分析

2.1峭度均衡

對(duì)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(dòng)響應(yīng)的一幀信號(hào)，計(jì)算出信號(hào)的峭度并采取修正算法。當(dāng)?shù)趇個(gè)響應(yīng)信號(hào)峭度Kyi小于參考峭度Kr時(shí)，增加下一幀驅(qū)動(dòng)信號(hào)的峭度值，當(dāng)?shù)趇個(gè)響應(yīng)信號(hào)峭度Kyi>Kr時(shí)，減小下一幀驅(qū)動(dòng)信號(hào)的峭度值。對(duì)第i個(gè)響應(yīng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)。

3試驗(yàn)分析

該系統(tǒng)利用LabVIEW圖形化程序設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(dòng)信號(hào)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(tái)內(nèi)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以構(gòu)建綜合軟件測(cè)試系統(tǒng)。其中軟件整體控制部分流程如圖4所示，測(cè)試部分則涵蓋了振動(dòng)時(shí)域信號(hào)、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(shí)顯示與分析。

以超高斯隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)國(guó)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(cè)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(shí)域驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖5所示，圖中有部分信號(hào)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(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，取10000個(gè)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(hào)概率密度函數(shù)對(duì)比，如圖6所示。超高斯信號(hào)概率密度曲線相對(duì)鐘形高斯曲線更尖銳，在均值附近分布相對(duì)更集中，且尾部比高斯分布更長(zhǎng)且厚，超高斯信號(hào)在極大極小值處分布頻數(shù)相對(duì)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(dòng)信號(hào)通過搭建的硬件系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際振動(dòng)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(shí)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(guó)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(hào)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(dòng)，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(yǔ)

1）為能使隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)提供接近真實(shí)環(huán)境的測(cè)試效果，本文設(shè)計(jì)了一種超高斯振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)硬件構(gòu)成并闡述其并行測(cè)控方法，使振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)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(duì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了采用該并行測(cè)控技術(shù)的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(dòng)環(huán)境下可靠性檢驗(yàn)和性能改善提供更有效的測(cè)試技術(shù)。