一种三维空间运动轨迹振动合成方法与流程

本发明属于振动校准领域，尤其适用于正弦振动的三维空间运动轨迹合成方法。

背景技术：

振动传感器广泛应用在航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业以及环境保护等各领域。振动传感器的校准技术是保障测量有效性和可靠性的必要途径。随着高灵敏度、宽频率范围等振动传感器的发展以及工业上日益增长的高精度振动测量需求，振动传感器的校准技术正变得越加重要。

传统单轴向振动台生成正弦振动合成一条单方向的直线轨迹，两轴向振动系统生成任意相对幅值和相位的正弦振动将合成平面内的椭圆轨迹，其中直线轨迹(相位相同，幅值任意)和圆形轨迹(相位正交，幅值相等)可认为是椭圆轨迹的特例。单向直线轨迹和平面椭圆轨迹都无法为传感器提供空间振动激励，只能通过重新安装来获得传感器的空间响应特性，这样不仅耗时较长，而且还会引入一定的安装误差。三轴向振动台能够生成三维空间的运动轨迹，提供更接近实际环境的振动激励。随着多分量加速度计和地震计等应用的日益增多，对多分量振动校准技术提出了迫切需求。因此有必要提出三维空间运动轨迹振动合成方法，支撑三轴向振动校准方法的建立，促进我国振动计量向更接近实际测量环境的计量体系发展，满足各应用领域对高性能振动计量的需求，支承我国先进制造业的升级与进步。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于多分量振动校准的三维空间运动轨迹的合成方法。鉴于已有单轴向运动轨迹和平面内运动轨迹的不足，本发明将基于三轴向振动台来实现三维空间运动轨迹振动合成的目标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于振动校准的三维空间运动轨迹振动合成方法，包括：理想空间运动轨迹的空间姿态和轨迹形状1的描述、目标的x轴向幅值和相位2的计算、目标的y轴向幅值和相位3的计算、目标的z轴向幅值和相位4的计算、振动控制器5、三轴向振动台6、x轴向正弦振动7的生成、y轴向正弦振动8的生成、z轴向正弦振动9的生成、三维空间运动轨迹10的合成。

通过三轴向振动台生成相互正交的x轴向正弦振动7、y轴向正弦振动8、z轴向正弦振动9，任意幅值和相位的x、y、z轴向正弦振动合成空间直线15、空间圆形和空间椭圆14三种类型的三维空间运动轨迹。其中空间直线15和空间圆形被认为是空间椭圆14的两个特例。

通过正交矩阵来描述空间椭圆运动轨迹的空间姿态，正交矩阵的前两个列向量分别平行于椭圆的长轴和短轴，第三个列向量垂直于椭圆平面；通过长轴和短轴的长度来描述空间运动轨迹的轨迹形状。

根据空间椭圆的姿态和形状计算目标的目标的x轴向幅值和相位2、目标的y轴向幅值和相位3、目标的z轴向幅值和相位4。振动控制器5通过反复迭代修正驱动频谱19，使反馈的响应频谱20达到理想的参考频谱21，控制三轴向振动台6生成特定幅值和相位的x轴向正弦振7、y轴向正弦振8、z轴向正弦振动9。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

⑴本发明振动合成方法给出了任意幅值和相位的x、y、z轴向正弦振动所合成的三维空间运动轨迹的类型、形状以及空间姿态。

⑵本发明振动合成方法可以通过x、y、z轴向正弦振动的幅值和相位调整三维空间运动轨迹的空间姿态和轨迹形状。

⑶本发明振动合成方法在传统正弦振动控制迭代算法的基础上，只需增加幅值和相位计算环节，可以基于传统多轴向振动控制系统执行，方法较为简单。

附图说明

图1为三维空间运动轨迹合成方法示意图；

图2为x、y、z轴向正弦振动示意图；

图3为空间椭圆运动轨迹示意图；

图4为空间直线运动轨迹示意图；

图5为正交单位向量示意图；

图6为迭代控制算法示意图；

图中标号：

1-理想空间运动轨迹的空间姿态和轨迹形状；2-目标的x轴向幅值和相位；3-目标的y轴向幅值和相位；4-目标的z轴向幅值和相位；5-振动控制器；6-三轴向振动台；7-x轴向正弦振动；8-y轴向正弦振动；9-z轴向正弦振动；10-空间运动轨迹；11-x轴向正弦振动；12-y轴向正弦振动；13-z轴向正弦振动；14-空间椭圆；15-空间直线；16-系统频响函数估计；17-系统阻抗矩阵；18-迭代算法；19-驱动频谱；20-响应频谱；21-参考频谱；22-误差频谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施实例详细说明本发明的实时方式。

图1为一种三维空间运动轨迹合成方法示意图。三维空间运动轨迹合成方法包括：根据理想的空间运动轨迹的空间姿态和轨迹形状1计算得出目标的x轴向幅值和相位2、y轴向幅值和相位3、z轴向幅值和相位4；振动控制器5上执行迭代算法，根据x、y、z轴向振动的目标幅值和相位以及反馈幅值和相位生成控制信号，驱动三轴向振动台6生成x轴向正弦振动7、y轴向正弦振动8、z轴向正弦振动9；x、y、z轴向的正弦振动将实现三维空间运动轨迹10的合成。

图2、图3、图4分别为x、y、z轴向正弦振动、空间椭圆运动轨迹、空间直线运动轨迹示意图。同频率的x轴向正弦振动11、y轴向正弦振动12、z轴向正弦振动13将合成空间椭圆14、空间圆形、空间直线15三种类型的三维空间运动轨迹10。其中空间直线15和空间圆形对应为当椭圆的短轴为零和长短轴长度相等两种情况。因此，同频率任意幅值和相位的正弦振动合成三维空间椭圆运动轨迹，椭圆的空间姿态和轨迹形状取决于x、y、z轴的振动幅值和相位。

图5为正交单位向量示意图。采用一组相互正交的单位向量[u,v,w]来描述空间椭圆的空间姿态：

u＝[u1u2u3]^t,v＝[v1v2v3]^t,w＝u×v(1)

其中：u平行于椭圆的长轴，v平行于椭圆的短轴，w垂直于空间椭圆平面，u1、u2、u3为单位向量u的坐标分量，v1、v2、v3为单位向量v的坐标分量。采用λ1和λ2来描述空间椭圆的轨迹形状，当λ2＝0时对应空间直线轨迹，当λ1＝λ2时对应空间圆形轨迹。则计算得出目标的x轴向幅值和相位y轴向幅值和相位z轴向幅值和相位分别为：

图6为迭代控制算法示意图。振动控制器5上执行迭代算法原理为：提前激励系统来获取系统的频响函数估计16，对系统频响函数求逆得到系统的阻抗矩阵17，控制目标为使测量的响应频谱达到理想的参考频谱21，根据参考频谱21和响应频谱20、计算误差频谱22，根据式(5)的迭代算法18修正驱动频谱19：

dn+1(f)＝dn(f)+αz(f)(r(f)-cn(f))(5)

式中，dn(f)为第n次迭代驱动谱；dn+1(f)为所求的第n+1次迭代驱动谱；z(f)为系统阻抗矩阵；α为迭代增益，通常选取迭代增益0＜α＜1以提高控制稳定性。通过反复迭代修正驱动频谱19，使系统输出的响应频谱20不断趋近设定的参考频谱21。

以上所述详细说明是针对本发明有效可行实施实例的具体说明，并非用以对本发明作任何形式上的限定。应当指出的是，本领域技术人员可以在未脱离本发明技术原理下做出若干改进、变更或有效实施，这些改进、变更或有效实施均应包含于本发明的保护范围。