專利名稱：基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量各種回轉(zhuǎn)體或非規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辯識(shí)方法，特 別是涉及一種基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法。
技術(shù)背景在雷達(dá)等自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一個(gè)重要參量。而被控對(duì) 象往往是由許多光學(xué)、機(jī)械零部件、電氣元部件組成。其復(fù)雜的幾何形狀，很 難準(zhǔn)確的計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，工程中常需要用測(cè)量的方法確定其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法主要有復(fù)擺法、三線扭擺法、落體法、單線扭 擺法、金屬扭桿扭振法等測(cè)量方法。但上述方法存在誤差較大，精度較低，測(cè) 量大工件時(shí)安裝不安全和測(cè)量過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的扭擺法一般都是對(duì)被測(cè) 物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期直接進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)阻尼比的變化會(huì)影響周期，造成測(cè)量周 期的不準(zhǔn)確；在測(cè)試信號(hào)中存在噪聲，對(duì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生影響，計(jì)算周期時(shí) 造成的誤差，因此傳統(tǒng)的扭擺法很難保證測(cè)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精度。為此提出一種準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)物件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的的方法。裝置采用扭擺法產(chǎn) 生振動(dòng)信號(hào)，用A/D卡采集振動(dòng)信號(hào)，用振動(dòng)過(guò)程的全部數(shù)據(jù)計(jì)算振動(dòng)系統(tǒng)的 阻尼比和固有頻率，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題，是提供一種應(yīng)用彈簧扭擺裝置產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)， 通過(guò)最小條件法對(duì)振動(dòng)信號(hào)的固有頻率進(jìn)行檢測(cè)。以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng) 用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)將被測(cè)工件安裝在 定軸測(cè)試系統(tǒng)上，采用加速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的自由擺動(dòng)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理 模塊處理，經(jīng)A/D采集卡采集到計(jì)算機(jī)，應(yīng)用LabVIEW軟件形成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量檢測(cè) 軟件系統(tǒng)，分析并處理采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)，計(jì)算被測(cè)工件的固有頻率，并 依此計(jì)算工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法。采用的技術(shù)方案是.基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，本方法應(yīng)用扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量測(cè)試裝置，該裝置利用垂直軸上裝有的兩個(gè)緊固在垂直軸上的螺旋形彈簧， 用以產(chǎn)生彈性恢復(fù)力矩，垂直軸與支座之間裝可使摩擦力矩盡可能降低的角接3觸球軸承，在垂直軸上方通過(guò)夾具安裝各種待測(cè)物體，基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別 理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，包括下列步驟步驟一將待測(cè)物體用通用夾具固定在扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試裝置的垂直軸上方；步驟二將待測(cè)物體在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度e，在螺旋彈簧恢復(fù)力矩的作用下，物體開(kāi)始繞垂直軸做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊 將扭擺振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由12位A/D采集卡和通過(guò)USB接口到計(jì)算機(jī)對(duì) 信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存入內(nèi)存；步驟三應(yīng)用LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。本發(fā)明通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)可知轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)可以達(dá)到精度要求，其誤差 小于1%，在本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，阻尼變化對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影 響，避免了阻尼產(chǎn)生的誤差。


圖1是扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試裝置示意圖。圖2是理論振動(dòng)曲線X (t)。圖3是含有噪聲的振動(dòng)信號(hào)Xn。圖4是系統(tǒng)擬合特征參數(shù)。圖5是軟件流程圖。圖6是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施方式
基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，如圖1所示，在垂直軸 上裝有的兩個(gè)緊固在垂直軸上的螺旋形彈簧l，用以產(chǎn)生彈性恢復(fù)力矩，垂直軸 與支座之間裝可使摩擦力矩盡可能降低的角接觸球軸承，在垂直軸上方通過(guò)夾 具安裝各種待測(cè)物體3，測(cè)量方法是將待測(cè)工件3在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度62后，在彈簧1恢復(fù)力矩的作用下， 物體開(kāi)始繞垂直軸做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器4和信號(hào)調(diào)理模塊5將 扭擺振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)6，由12位A/D采集卡7和通過(guò)USB接口 8到計(jì)算機(jī) 9對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存入內(nèi)存；應(yīng)用LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 最后直接計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為(1)其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣j:，ke為彈簧剛度，C為系統(tǒng)阻尼，e為轉(zhuǎn)過(guò)的角度，M為系統(tǒng)的扭矩。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為S2 + 25^a> + o"2其中系統(tǒng)的固有頻率為:雙=7^77經(jīng)過(guò)計(jì)算可得 不加任何工件,初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jo時(shí)當(dāng)加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的標(biāo)準(zhǔn)試塊定標(biāo)時(shí): 當(dāng)加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量人的被測(cè)工件時(shí) 由(5) (6) (7)可推得J。 =&/fi> 。《- (2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)因此，只要測(cè)定上述條件下系統(tǒng)各自的固有頻率^ ，既可以通過(guò)公式(8)計(jì)算出將被測(cè)工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 應(yīng)用最小條件系統(tǒng)識(shí)別方法測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)^轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，可以用式(1) (2)表述，階躍激勵(lì)下的扭 擺振動(dòng)信號(hào)符合二階衰減函數(shù)，它的理論振動(dòng)曲線如圖2 ?？梢员硎緸?c0) =sin(0d x f + ^。 ) ( 9 )但是在實(shí)際測(cè)試時(shí)，被測(cè)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)A/D采集卡采樣信號(hào)為；c" (n=0,l,2......N-l)，信號(hào)中含有噪聲，振動(dòng)信號(hào)如圖3。將x (t)進(jìn)行離散得Jc(".A0 = 4>e—""、inOv".^+A) (11)兩信號(hào)的差方和:w—i(12)一組使差方和Mx最小的特征系數(shù)4， a , %，卩。為系統(tǒng)的特征系數(shù)。 采取軟件計(jì)算的方法進(jìn)行求解，處理步驟如下1)首先根據(jù)各個(gè)特征系數(shù)的定義，應(yīng)用圖3所示的振動(dòng)信號(hào)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行初步估計(jì)。尋找第一個(gè)最大值點(diǎn)，并且作為信號(hào)的開(kāi)始點(diǎn)X。,取A^Xo，①(T9(f;尋找過(guò)零點(diǎn)計(jì)算振蕩周期Td和^;搜索曲線第一個(gè)波峰值與第n個(gè)波峰值，依據(jù)算式a=MzM計(jì)算所得的結(jié)果給a。 ("-恥2) 將其中一個(gè)參數(shù)在估計(jì)值附近進(jìn)行小量等間隔細(xì)化，并且?guī)胧?12) 進(jìn)行計(jì)算，求得是差方和最小的參數(shù)值，并且作為替換此參數(shù)的修正值；3) 按上述方法依此對(duì)另外3個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)；3)將2、 3步驟反復(fù)循環(huán)三至五次，所得到的結(jié)果接近式(12)最小條件 真值A(chǔ)。、 ％、①q、 a 。再由公式(15)計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率"n。(13)w" w",/Vi"^ (14)由(13) (14)得 《 2=%2+a2 (15)搜索循環(huán)一次所得的結(jié)果如圖4。 軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖5。啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)，分別在系統(tǒng)空載、放入標(biāo)準(zhǔn)試件和放入被測(cè)工件 時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果如表6所示。權(quán)利要求
1、基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，其特征在于包括下列步驟步驟一將待測(cè)物體(3)用通用夾具固定在扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試裝置的垂直軸上方；步驟二將待測(cè)物體(3)在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ(2)，在螺旋彈簧(1)恢復(fù)力矩的作用下，物體開(kāi)始繞垂直軸做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器(4)和信號(hào)調(diào)理模塊(5)將扭擺振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)(6)，由12位A/D采集卡(7)和通過(guò)USB接口(8)到計(jì)算機(jī)(9)對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存入內(nèi)存；步驟三應(yīng)用LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顯示在計(jì)算機(jī)(9)屏幕上。
全文摘要
基于最小條件系統(tǒng)識(shí)別理論的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，其步驟一為將待測(cè)物體用通用夾具固定在扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試裝置的垂直軸上方；步驟二為將待測(cè)物體在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ，在螺旋彈簧恢復(fù)力矩的作用下，物體開(kāi)始繞垂直軸做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊將扭擺振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由12位A/D采集卡和通口USB接口到計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存入內(nèi)存；步驟三為應(yīng)用LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。本發(fā)明通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)可知轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)可以達(dá)到精度要求，其誤差小于1％，在本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，阻尼變化對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，避免了阻尼產(chǎn)生的誤差。
文檔編號(hào)G01M1/10GK101581619SQ200910011858
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者叢培田, 張宗媛, 麗 慕, 輝 韓 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)理工大學(xué)