本發(fā)明涉及振動試驗控制領(lǐng)域，特別涉及一種超低頻正弦掃頻信號濾波與幅值識別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

產(chǎn)品在運輸、存儲和使用過程中，有時會遇到很低的振動頻率，如地震、艦(船)載設(shè)備、車載設(shè)備，其主要基波頻率可能低至1Hz以下。因此，需要進行相關(guān)試驗來測試產(chǎn)品的動力學(xué)特性和可靠性水平，而正弦掃頻振動測試就是其中一類基本的環(huán)境與可靠性試驗類型。

目前實驗室用得最多的是電動振動臺，而國內(nèi)外電動振動臺的低頻端一般從5～10Hz開始，隨著技術(shù)的發(fā)展其已經(jīng)可以實現(xiàn)1～2Hz的低頻起振，但想要進行更低頻率的振動控制還存在著一些困難。

正弦掃頻振動控制流程包括：產(chǎn)生一個正弦掃頻信號輸出來激勵振動臺，檢測振動臺輸出信號幅值，比較檢測到的幅值和參考幅值，然后適當?shù)母买?qū)動信號幅值。幅值識別精度直接影響振動臺的控制精度。為了測量振動臺輸出信號幅值，檢測器可以使用一個跟蹤濾波器，或者可以測量信號的均方跟、峰值或者平均值。這些方法主要針對頻帶范圍在5～2000Hz的傳統(tǒng)正弦掃頻測試，在超低頻情況下，幅值識別精度很低，無法滿足振動控制對反饋信號的要求。

振動臺存在著實時控制的要求，控制回路時間要求越短越好，隨之而來的就是在超低頻段無法獲得整周期的信號來進行識別及反饋控制。同時，正弦掃頻信號本身的時變特性也使得與之相關(guān)的信號分析與特征提取變得更加困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于變采樣率采樣的振動臺超低頻正弦掃頻信號幅值識別方法，替代傳統(tǒng)的跟蹤濾波器、均方根、峰值、平均值幅值識別方法，可以有效解決超低頻掃頻信號時變、數(shù)據(jù)量少導(dǎo)致的幅值識別精度低的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，

參照圖1，一種基于變采樣率采樣的振動臺超低頻正弦掃頻信號幅值識別方法，包括以下步驟：

第一步，信號采集

通過振動臺上安裝的振動傳感器采集得到振動臺振動信號即振動臺掃頻信號，然后將采集到的振動臺掃頻信號經(jīng)低通濾波器抗混疊濾波后濾除其中的高頻成分，目的是降低噪聲的影響。

第二步，變采樣率采樣，實現(xiàn)振動臺掃頻信號的等相位間隔采樣。

第三步采用最小二乘擬合幅值識別方法實現(xiàn)掃頻信號幅值識別。

本發(fā)明提供兩種方法來實現(xiàn)第二步中振動臺掃頻信號的等相位間隔采樣。

第一種方法，采用硬件實現(xiàn)的方法：通過間隔相同相位間隔對經(jīng)第一步中低通濾波器抗混疊濾波后得到的信號進行采樣，得到等相位間隔的信號。基于實時控制的要求，可以根據(jù)控制回路時間確定數(shù)據(jù)長度，進而確定相位間隔假設(shè)振動臺進行一次反饋控制需要的時間為T_c，采樣點數(shù)為N，當前掃描頻率為F_s，則一幀數(shù)據(jù)的相位長度為

由此，采樣點間的相位間隔為

變采樣率采樣過程可以表示如下。

a.設(shè)置采樣點數(shù)N，計數(shù)器初值L＝0；

b.逐步增加振動臺控制器輸出信號相位如果觸發(fā)A/D變換器對經(jīng)第一步中低通濾波器抗混疊濾波后得到的信號進行采樣，獲得一個數(shù)據(jù)點。同時設(shè)置L＝L+1；

c.如果L≥N，則采集到了包含N個數(shù)據(jù)點的一幀信號，對這一幀信號進行第三步的幅值識別的計算并進行反饋控制，更新振動控制器的驅(qū)動信號。同時設(shè)置L＝0，循環(huán)進行b、c步驟。

由于

其中為振動臺掃頻信號相位，為振動臺掃頻信號初始相位，f(t)為振動臺掃頻信號頻率，f₀為振動臺掃頻信號初始頻率。

對于離散系統(tǒng)，無法求得控制器輸出信號相位的精確值，也就無法進行精確的采樣觸發(fā)操作。在這里，采用小間隔逐步計算逼近的方法來得到振動臺控制器輸出信號相位的離散解即

其中，k--當前時間；

f(k)--當前頻率，Hz；

ν--掃描頻率，Oct/min；

Δt--數(shù)值計算時間間隔，s。

第二種方法，采用軟件實現(xiàn)的方法：對經(jīng)第一步中低通濾波器抗混疊濾波后得到的信號進行時域A/D采樣得到等時間間隔的振動信號。同時，由振動控制器輸出當前振動臺的頻率大小，通過計算得到等相位間隔對應(yīng)的重采樣相位大小，插值濾波器根據(jù)重采樣相位大小進行線性插值得到等相位間隔的重采樣信號。其中：重采樣的相位間隔通過計算兩個點間的相位差進行設(shè)定，即

其中，m、n代表離散信號點。

利用插值濾波器對經(jīng)A/D采樣得到等時間間隔的振動信號進行等相位間隔重采樣，得到重采樣信號。插值濾波器主要根據(jù)重采樣相位間隔大小的要求，在需要的相位點進行插值處理，得到相應(yīng)點的信號大小。信號插值主要通過線性插值的方法實現(xiàn)。經(jīng)驗證，相對于其他的如樣條插值、傅里葉級數(shù)插值等方法，線性插值方法可以滿足信號辨識對精度的要求，且算法簡單、速度快。

通過線性插值的方法對經(jīng)A/D采樣得到等時間間隔的振動信號進行重采樣計算過程。

a通過振動控制器得到當前掃頻振動頻率f和掃描率，，由可以計算得到對應(yīng)的相位信號序列

b以任意m、n兩點確定重采樣相位間隔

c每隔進行一次線性插值操作，重復(fù)進行，直到一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。

線性插值方法如下：

假設(shè)需要插值的點位于兩個通過等時間間隔采樣的數(shù)據(jù)之間，即其中，為相位是步驟a中計算得到的，x_r振動信號大小，是待求量；則利用線性插值方法可得

本發(fā)明的，第三步中最小二乘擬合幅值識別方法如下：

變采樣率采樣得到的數(shù)據(jù)長度為L，以相位間隔為間隔，得到參考信號相位

由此可得參考信號

對上述等相位間隔采樣信號與參考信號進行最小二乘擬合，可以求得中間參數(shù)

Q＝(x_ref^Tx_ref^-1)x_ref^TY

其中，x_ref為構(gòu)造的參考信號，Y為經(jīng)A/D采樣得到等時間間隔的振動信號。且

最終，可求得正弦掃頻信號的幅值

本發(fā)明采用變采樣率采樣方法將時變的正弦掃頻信號變?yōu)闃藴收倚盘?，便于對信號進行分析處理；最小二乘擬合可以得到非整周期信號幅值，保證了振動控制的實時性要求。兩者結(jié)合解決了超低頻正弦掃頻信號幅值識別存在的時變和非整周期的問題。

本發(fā)明變采樣率采樣可以有效解決掃頻信號時變處理的問題，將隨時間變化的信號變換為極短時間內(nèi)的標準正弦信號，為下一步的識別打下了基礎(chǔ)；最小二乘擬合方法可以準確識別非整周期正弦信號的幅值大小，最終提高了振動臺的超低頻振動實時控制精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體原理框圖。

圖2為本發(fā)明的通過第一種方法實現(xiàn)變采樣率采樣幅值識別的流程圖；

圖3為本發(fā)明的通過第二種方法實現(xiàn)變采樣率采樣幅值識別的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

如圖2所示，為本發(fā)明的通過第一種方法即采用硬件的方法實現(xiàn)變采樣率采樣幅值識別的流程圖。第一種方法通過間隔相同相位間隔對經(jīng)第一步中低通濾波器抗混疊濾波后得到的信號進行采樣，得到等相位間隔的信號。一種基于變采樣率采樣的振動臺超低頻正弦掃頻信號幅值識別系統(tǒng)，其采用第一種方法實現(xiàn)變采樣率采樣。其由以下幾部分組成：低通濾波器、硬件觸發(fā)A/D變換器、重采樣時間計算模塊、參考信號生成模塊以及最小二乘擬合模塊。通過振動臺上安裝的振動傳感器采集得到振動臺掃頻信號，然后將采集到的振動臺掃頻信號經(jīng)低通濾波器抗混疊濾波后濾除其中的高頻成分。之后，重采樣時間計算模塊實時計算振動臺控制器輸出信號相位變化，判斷相位間隔是否到達指定大小，如果為是，則發(fā)送信號觸發(fā)A/D變換器進行采樣，得到等相位間隔信號。參考信號生成模塊生成參考信號。最小二乘擬合模塊將變采樣率采樣得到的等相位間隔信號與參考信號進行最小二乘擬合，計算得到正弦掃頻信號的幅值A(chǔ)，從而進行相應(yīng)的反饋控制。本實施例中變采樣率采樣方法的實現(xiàn)方式以及最小二乘擬合幅值識別方法在發(fā)明內(nèi)容中已有詳細的說明，在此不再贅述。

如圖3所示，第二種方法即采用軟件的方法通過對經(jīng)第一步中低通濾波器抗混疊濾波后得到的信號進行時域A/D采樣，得到等相位間隔的振動信號。一種基于變采樣率采樣的振動臺超低頻正弦掃頻信號幅值識別系統(tǒng)，通過第二種方法實現(xiàn)變采樣率采樣。其由以下幾部分組成：低通濾波器、時域A/D變換器、插值濾波器、重采樣相位計算模塊、參考信號生成模塊以及最小二乘擬合模塊。通過振動臺上安裝的振動傳感器采集得到振動臺掃頻信號，然后將采集到的振動臺掃頻信號經(jīng)低通濾波器抗混疊濾波后濾除其中的高頻成分。之后，通過時域A/D變換器進行時域A/D采樣得到等時間間隔的振動信號。通過計算得到等相位間隔對應(yīng)的重采樣相位大小，插值濾波器根據(jù)重采樣相位大小進行線性插值得到等相位間隔的重采樣信號。參考信號生成模塊生成參考信號。最小二乘擬合模塊將變采樣率采樣得到的等相位間隔信號與參考信號進行最小二乘擬合，計算得到正弦掃頻信號的幅值A(chǔ)，從而進行相應(yīng)的反饋控制。本實施例中變采樣率采樣方法的實現(xiàn)方式以及最小二乘擬合幅值識別方法在發(fā)明內(nèi)容中已有詳細的說明，在此不再贅述。

以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，這是為了詳細說明本發(fā)明的技術(shù)特征，并不是想要將發(fā)明內(nèi)容限制在實施例所描述的具體形式中，依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容主旨進行的其他修改和變型也受本專利保護。本發(fā)明內(nèi)容的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實施例的具體描述所界定。