振动系统动态测试虚拟仪器的研究翻译

3.0 闻远设计 2023-09-29 51 4 58.5KB 9 页 15光币

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振动系统动态测试虚拟仪器的研究

摘要:通过把振动系统动态分析理论与数字信号处理方法相结合，提出并系统地论述了振动

系统动态测试虚拟仪器的开发原理。

1 引言

随着数字计算机仿真技术的发展，虚拟仪器技术的应用越来越广泛，所谓虚拟仪器就

是在通用计算机上增加一组软件和相关硬件，使使用者在操纵这台计算机时，就像是在操

作一台他自己设计的专用传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的

输入输出，而软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，

很方便地调整仪器系统的功能与规模。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己才能及想象

力的空间，用户(而不是仪器厂家)可以根据自己的需求随心所欲地设计自己的仪器系统。因

此有‘软件就是仪器’的说法。

本文正是根据数字计算机仿真技术和虚拟仪器技术的思想，从简单实用的角度出发，把

振动系统的动态测试理论和数字信号处理方法相结合，提出并系统地论述了振动系统动态

测试虚拟仪器的开发原理。

2 动态测试的基本概念

工程中大多数实际系统均用线性系统来描述，而线性系统的输入输出之间存在着简单的

因果关系。因此，可以通过对被测系统输入输出物理量的测量和分析来确定系统的动态特

性，这就是动态测试。动态特性的数学模型有多种形式：时域中常用的有微分方程、差分方

程和状态方程；复数域中有传递函数、结构图；频域中有频率响应函数等。

对机械振动系统进行动态特性辨识的主要目的是得到系统的频域特性或传递函数，并

进一步获得机械振动力学系统的模态参数。频率响应函数用频率响应数据和曲线来表示，

可以把频率响应函数看成是描述线性系统的非参数模型。对于机械振动系统，其动态特性

常用“固有频率、阻尼比和振型”等所谓的模态参数来描述。在频率响应函数测试的基础上，

可以通过参数识别的方法，即试验模态分析来建立机械振动系统的模态参数。

动态测试技术的主要内容就是对被测振动系统进行激励，通过振动测试、数据采集和信

号分析，由输入和输出确定机械振动系统的动态特性。可见，动态测试分为两大部分：频

率响应函数的测绘和模态参数的识别。机械振动系统动态特性测试与分析的重点是，如何

利用测试分析所得的频率响应函数曲线，通过模态识别的方法，求解出表征机械振动系统

动态特性的模态参数。模态识别可分为单模态识别和多模态识别，单模态识别是建立在小

阻尼、弱耦合假设的基础上。对于模态密集的复杂结构或大阻尼情况，则需采用多模态分析。

随着数字计算机技术的深入发展，现代模态参数识别大都采用多模态识别。

3 振动系统动态测试虚拟仪器的设计

3.1 虚拟仪器的提出和组成原理图

虚拟仪器的优点在于能够共享计算机辅助测试系统的硬件资源和输入输出接口软件，

用户只需设计有关的应用软件便可以实现相应的测试分析功能。这样不仅节约成本，而且

还具有“实用性强，准确度高，效价比良，灵活性好，全自动化”的特点。基于数字计算

机仿真技术和虚拟仪器技术的快速发展，通过把机械振动系统动态测试技术和数字信号处

理方法相结合，提出了一种构建“振动系统动态测试虚拟仪器”的原理和方法。

振动系统动态测试虚拟仪器的设计过程是：首先按流程图布置好振动系统动态测试虚

拟仪器的硬件系统；然后，在个人计算机上开发相应的应用软件；最后，振动系统动态测

试与模态识别的全过程，都是在个人计算机上通过软面板对话框和适当的控制按钮来完成。

3.2 激振方式、激振器和振动传感器的布置

激振方式可分为正弦稳态扫频和宽频带激振两大类。通常采用“正弦稳态扫频激振”

其优点是激振能量集中，信噪比高，对于线性系统的动态特性测试具有很高的测量精度。

首先，根据测试分析要求及振动系统的机械结构特点，确定激振点的位置和测量点的数

量N及各测量点的位置。对于空间结构系统，往往需要测量 1个点的 3个方向，这时应选用

三轴振动传感器。安装激振器时，必须注意激振力的正确施加。在安装测振传感器时，应保

证传感器能正确感受被测体的振动。小型振动系统必须选用微型传感器，以避免传感器附

加质量影响振动系统动态特性。

3.3 振动系统动态测试应用软件的总体研究

根据对前面振动系统动态测试虚拟仪器原理图的分析可知，振动系统动态测试应用软件

的设计流程分为如下步骤：

(1)计算机发出指令控制“信号发生器”产生激励信号，再通过“激振器”施加于被测振

动系统。激励信号的数字序列为X(n)。

(2) 等待被测振动系统稳定一定时间，然后计算机再发出指令同步采集数据序列 X(n)和

Y1(n)，Y2(n)，… ，YN(n) 。采样时间间隔或采样频率应符合采样定理及频率分辨率的要求。

(3)利用按本原理设计的专用软件分析处理 X(n)和Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)，就可得出被

测振动系统的模态参数和相应数学模型。

显然，整套应用软件应包括两大部分，即操作控制部分和数据处理部分。由于目前计

算机控制技术和虚拟仪器技术的发展，已足以解决此应用软件中的操作控制部分，且鉴于

篇幅有限，所以笔者对应用软件的操作控制部分不再作进一步讨论，下面重点研究应用软

件的数据处理部分。

3.4 数据处理专用软件的设计原理

3.4.1 滤波方法

由于数据序列在采集过程中难免会受到各种干扰，所以必须采取有效的滤波算法对采

集得到的数据序列 Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)进行修正。通常应采用相关滤波算法，因为相关

滤波可以有效地把真正由 X(n)通过振动系统产生的信号从 Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)中分离出

来。将经过滤波算法处理后的数据序列记为YN1(n)，YN2(n)，…，YNN(n) ，n=1,2, …,D 。D

为采样点数量。

3.4.2 频率响应函数的确定

将确定性信号看成随机信号，采用离散数字随机信号的相关谱分析原理。

XK(k) = FFT [X(n)] YK(k) = FFT [YN(n)]

SX(k) = ∣XK(k)∣2 /D SY(k) = ∣

K(k)∣2 /D

SXY(k) = XK*(k)YK(k) /D XK*(K)为XK(k)的共轭复数。

为减少数据处理误差，要对 SX(k)，SY(k)，SXY(k)采取平滑处理算法。分段时，相邻两

段重叠50℅的效果最佳，即将记录段 X(n)，YN(n)分成多个样本，分别进行上述运算后再

求平均值。

VXY2(k) =∣ SXY(k)∣2 / [SX(k) SY(k)]，相干系数 VXY 越接近 1效果越好。

H(k) =SXY(k) / SX(k)，由变量代换关系“k/(DTS) =f（TS为采样时间间隔）”可得到测

试出的频率响应函数 H(f) 。

对每一个数据序列 Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)均用上述方法处理，就可以得到测试出来的 N

个频率响应函数 H1(f)，H2(f)，…，HN(f) 。

3.4.3 拟合求解模态参数

机械振动系统模态参数识别，又称为曲线拟合，即采用最小二乘法将测试所得的频率

响应值与系统模型值进行曲线拟合。优化准则就是使实测的频率响应值与理论数学模型对

应值的总均方误差E极小。最小二乘曲线拟合过程中存在的有关问题，如方程组的病态问

题，可根据数值分析理论，采用正交多项式的方法加以解决。通常机械振动系统的“理论

数学模型”可用有理分式形式的传递函数来表示，即

H(s) = N(s)/D(s) = [a0sm+a1sm-1+…+am-1s+am]/ [sn+b1sn-1+…+bn-1s+bn]

上式中，m<n，n=2q，q为系统的自由度数。一般选定一个具体 q值，令m=2q-1，然后循环

拟合，直到满足 E<控制精度Eg。

对于每一个频率响应函数，设由 D个采样点得到的 D个测试频率响应值记为HC(f)，对

应的 D个理论模型值记为HL(f)，则总方差为 E=Σ(

=1,D)| HC(f)－HL(f)|2。这是非线性优化

问题，为使用方便和保证精度，可转化为线性优化问题。令s=jw=j2πf，误差e=N(f) –

D(f)HC(f)，则总方差转化为E=|N(f) – D(f)HC(f)|2。此时，总方差函数为待求系数的

线性函数，最小二乘解已变成线性优化问题。

首先通过最小二乘拟合识别出有理分式的系数 ai(i=1,2，…，m)和bi(i=1,2，…，n)，然

后由特征方程 D(s)＝0解得极点sr及sr*(r=1,2，…，q)，由留数公式Ar＝H(s)（s-sr）| S=Sr”

求出留数Ar及Ar* 。则传递函数可表示为 H(s)＝∑r=1 , N [Ar/(s-sr) + Ar*/(s-sr*)]

最后以sr= -

r wr +j wr (1-

r2)1/2，sr为共轭复数，求得各阶模态固有频率 wr和阻尼比

r 。对于线性系统，模态固有频率和阻尼比是系统的总体固有参数，理论上应该不随测量

点而改变。依次对N个测量点的频率响应函数进行曲线拟合，可得到 N组模态固有频率和

阻尼比，再求出平均值作为系统的模态固有频率和阻尼比，进而，再求出各阶振型

r 。

3.4.4 其它

输出振动系统动态测试所得的系统固有的各阶模态参数和用模态参数表示的各测量点，

对应于输入点的数学模型。

振动系统动态测试数据处理的全过程，可以用目前流行的程序设计语言 VC++或Java2

开发成专用的数据处理程序软件包，然后通过相关程序语言接口方法嵌入到用 LabVIEW

或LabWindows 平台开发的振动系统动态测试虚拟仪器中。采用本虚拟仪器，可以很容易通

过计算机多次重复振动系统动态测试的整个过程，进一步提高振动系统动态特性的测试精

度。利用动态测试得到的数学模型，通过 Matlab6.1 仿真环境(或自己编制程序)可求出激振

点处各种输入信号各测量点处的输出响应信号。

4 结论

经过实践检验，振动系统动态测试虚拟仪器在具体运用中具有“实用性强、准确度高、

效价比良、重复性好及全自动化等优点。可以将数据采集功能和数据处理功能的软硬件集成

在一起，生产出智能化振动系统动态测试虚拟仪器，也可以把数据处理软件单独形成专用

的振动系统动态测试数据处理软件包，无论采取何种方式都具有广阔的应用前景。

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振动系统动态测试虚拟仪器的研究摘要:通过把振动系统动态分析理论与数字信号处理方法相结合，提出并系统地论述了振动系统动态测试虚拟仪器的开发原理。1引言随着数字计算机仿真技术的发展，虚拟仪器技术的应用越来越广泛，所谓虚拟仪器就是在通用计算机上增加一组软件和相关硬件，使使用者在操纵这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，而软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地调整仪器系统的功能与规模。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己才能及想象力的空间，用户(而不是仪器厂家)可以根据自己的需求随心所欲地设计...

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