超高斯隨機振動試驗系統及其并行測控技術

杜太行　王雨　孫曙光

摘要：針對傳統隨機振動試驗技術不能夠精確模擬實際超高斯隨機振動環境的問題，設計一種超高斯隨機振動試驗系統，并給出其并行測控技術。首先構建超高斯隨機振動試驗的硬件系統；然后對振動加速度信號的峭度與功率譜密度兩項指標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動信號，以驅動振動試驗臺。實際振動試驗測試表明：驅動信號具有典型的超高斯特性，響應功率譜密度符合±3dB的允差要求，響應峭度控制在±7%的誤差范圍，達到更符合實際振動環境的試驗要求。

關鍵詞：振動試驗；測控技術；并行控制；超高斯；自適應逆控制；泊松過程

文獻標志碼：A

文章編號：1674—5124（2018）02-0093-05

0引言

振動與沖擊是導致運輸包裝件、車載電子產品在流通環境中破損失效的主要因素。隨機振動試驗通過振動臺系統模擬產品在真實運輸和使用過程中遭受的振動環境，是驗證產品性能并對其進行優化設計的重要手段。產品實際流通過程中測試發現，因環境的特殊性，或在運輸工具啟動、制動、變速行駛或遇到坑洼而產生異常顛簸時，產品振動響應往往呈現出超高斯的特性。對超高斯隨機信號特性的描述增加了三階與四階累積統計特性中偏斜度和峭度兩個參數，工程應用中規定偏斜度為0，峭度>3。

GB/T 4857.23——2012《包裝運輸包裝件基本試驗第23部分：隨機振動試驗方法》和GB/T2423.56——2006《電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法試驗Fh：寬帶隨機振動（數字控制）和導則》等有關隨機振動試驗的國標，以加速度功率譜密度作為振動試驗的標準，且在試驗方法中指出采用呈高斯分布的隨機驅動信號。僅對功率譜密度進行控制的傳統高斯隨機振動試驗，控制準確度不高，且忽略峭度因素往往造成欠試驗，達不到試驗的目的。超高斯隨機振動試驗不僅要對功率譜密度進行控制，還需對峭度進行控制。蔣瑜等提出基于二次相位調制和時域隨機化的方法產生超高斯隨機振動試驗信號，該方法需提前計算出相關修正系數，以降低時域隨機化過程中功率譜和峭度的相互影響。

本文搭建了便于實現的振動試驗系統，并給出將功率譜密度和峭度兩項指標分別獨立且并行測控的方法，在對峭度指標控制的同時對功率譜指標沒有干擾影響。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動信號，以驅動振動臺振動。最后通過實際測試，對超高斯隨機振動試驗系統及其并行測控技術的可行性和準確性進行了試驗驗證與分析。

1超高斯隨機振動試驗系統的構建及控制策略

建立超高斯隨機振動試驗系統，其組成包括：工控機，具有D/A輸出和A/D采集功能的研華1712型PCI總線接口數據采集卡，LCl63型壓電式加速度傳感器，驅動機構，電磁式振動臺等，如圖1所示。其中驅動機構內部電路組成如圖2所示，由二級控制器TMS320F28335型DSP采集工控機實時給出的控制信號，通過控制逆變電路產生相應的PWM電壓信號將指令信號精準地放大，以驅動電磁振動臺。該系統能夠提供頻率為0.5～600hz，加速度幅值上限20g的隨機振動試驗。

進行振動試驗時，工控機運算出滿足指標要求的振動驅動控制信號，通過多功能數據采集卡的D/A功能實時輸出給驅動機構以驅動振動臺進行預期振動。安裝在振動臺面的加速度傳感器檢測實時振動信號，經數據采集卡采集該振動信號作A/D轉換送至工控機。在工控機內借助LabVIEW軟件平臺分別同時對峭度和功率譜密度兩項指標進行修正控制，其中利用軟件平臺插入MathScript算法節點的形式，對峭度指標采用均衡修正，對功率譜密度指標采用基于自適應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動信號，經D/A輸出至驅動機構以驅動振動臺振動。由于系統噪聲和非線性因素的影響，需不斷進行上述修正控制，以保證振動試驗的準確度要求。

2超高斯隨機振動試驗控制算法分析

2.1峭度均衡

對峭度指標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的一幀信號，計算出信號的峭度并采取修正算法。當第i個響應信號峭度Kyi小于參考峭度Kr時，增加下一幀驅動信號的峭度值，當第i個響應信號峭度Kyi>Kr時，減小下一幀驅動信號的峭度值。對第i個響應信號yi峭度的修正表達式為

其中gms是由試驗指標給出的加速度均方根值，由此得到的μA、σA作為產生隨機過程A的參數，λ作為泊松過程的參數，由圖3所示原理根據式（11）即可調制出符合試驗要求的超高斯驅動信號。

3試驗分析

該系統利用LabVIEW圖形化程序設計平臺，實現數據采集、儀器控制、分析與顯示；利用Matlab編程實現峭度均衡、功率譜迭代和驅動信號生成等關鍵算法：并將關鍵算法通過添加MathScript節點的形式嵌入LabVIEW平臺內，優勢互補以構建綜合軟件測試系統。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、統計特性、功率譜密度、峭度等多種試驗指標的實時顯示與分析。

以超高斯隨機振動試驗系統在運輸包裝件可靠性試驗應用為例，選用中公路運輸隨機振動試驗國際通用的功率譜密度（見表1），作為試驗目標功率譜，并根據某已知路段路況近似峭度信息設置峭度目標值為5，以驗證本系統及測控技術的合理性。由上述目標譜和峭度生成的一段超高斯時域驅動信號如圖5所示，圖中有部分信號幅值起伏變化劇烈，呈現較明顯的超高斯特性。為進一步驗證該驅動信號的統計特性，取10000個樣本點，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相對更高，樣本點在高斯分布統計特性中2σ～4σ之間的范圍分布較多。

將該驅動信號通過搭建的硬件系統平臺進行實際振動試驗，分析響應功率譜密度和響應峭度的控制效果。圖7為采用自適應逆控制的功率譜迭代算法，由10組試驗數據取平均值得到的加速度均方根誤差與迭代次數的關系。由于在試驗開始前采用頻響函數預辨識初始化權向量，使得響應加速度均方值經10次迭代便達到國標要求的±15%誤差范圍，在經過13次迭代后趨于收斂，且誤差穩定在±10.5%范圍內。圖8為經13次迭代后功率譜密度控制效果，響應功率譜密度被較好地控制在工程應用規定的±3dB誤差限帶內。響應信號峭度控制效果如圖9所示，經反復均衡修正的響應峭度值趨近目標值小幅波動，在第160s出現低于目標值7%的最大偏差值0.35，遠低于±10%的預期誤差。綜上，響應功率譜密度和峭度兩項指標均達到了較好的試驗準確度要求。

4結束語

1）為能使隨機振動試驗提供接近真實環境的測試效果，本文設計了一種超高斯振動試驗系統，給出系統硬件構成并闡述其并行測控方法，使振動響應信號的功率譜密度和峭度得到精準的修正且互不影響。

2）通過對振動試驗系統進行實際測試，驗證了采用該并行測控技術的振動試驗系統驅動信號具有較典型的超高斯特性，響應功率譜與峭度指標均較好地滿足試驗目標要求，且系統具有較好的收斂性。振動試驗系統達到更接近真實環境的試驗效果，從而為產品與包裝件振動環境下可靠性檢驗和性能改善提供更有效的測試技術。