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解决方案

随机试验中的Sigma剪切

发布日期: 2016-08-05

一、随机信号的特性

       工程中大多数随机振动的幅值都近似地服从高斯分布(也称为正态分布),一般我们做的随机振动试验,如无特殊说明,都是按照高斯分布来实现随机化的。

       高斯分布其实就是随机振动信号在幅值域呈现出的分布特性。标准的高斯分布,符合下图的描述:

99.7%的事件,分布在±3S以内;

95.5%的事件,分布在±2S以内;

68.2%的事件,分布在±S以内。

其中:是均值,S是标准差。

 

在随机试验中,均值为0,标准差即是有效值,所以上述描述即可理解为:

99.7%的事件,分布在±3以内;

95.5%的事件,分布在±2以内;

68.2%的事件,分布在±以内。

按正常随机信号的分布规律,每1000个点会有3个点超出±3的范围,按照采样率2560Hz来计算,则每秒会有7-8个点超出±3

二、Sigma剪切

       实际试验中,工程师通常采用Sigma剪切来裁剪掉过大的驱动峰值,以满足功率放大器的需求,防止过大的驱动峰值信号进入振动台系统。通过Sigma剪切,能够增大振动台的输出有效值。杭州腾振科技有限公司的VibExpert振动控制软件包含两种Sigma剪切选项:“常规”和“迭代”。“常规”选项跟市场上大多数控制器剪切方法一样,直接对驱动电压信号进行数字式剪切,这种方法的优点是简单,运算量小,缺点是波形失真度大,控制谱的动态范围明显降低,响应信号的峰值因子减小不明显。“迭代”法基于时域裁剪和频域相位调整算法,能够保证在Sigma剪切系数大于2.8时,控制谱的动态范围不受丝毫影响,响应信号的峰值因子也有明显减小。以下将会通过两种方法的对比试验进行验证。

三、软件操作

      点击菜单栏“设置-控制参数-高级参数”,打开对话框,如图1所示。

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“Sigma剪切”有“禁用”、“常规”、“迭代”、“峭度”四个选项。

如果“Sigma剪切”中选择“禁用”,则不对驱动信号进行sigma剪切。

如果“Sigma剪切”中选择“常规”,则对驱动信号进行常规的sigma剪切。

如果“Sigma剪切”中选择“迭代”,其算法力求输出信号的失真度很低,其运算的次数比常规的“Sigma剪切”多,对驱动信号剪切的效果更好。

选择“常规”或者“迭代”,需要设置剪切的系数。若设置“大于3剪切”则表示峰值因子为不大于3,如果驱动信号峰值大于3倍的驱动信号有效值,则被视为极端尖峰信号被裁剪。

四、试验案例1

       试验谱图如图2所示,有效值为1g,“ Sigma剪切”分别选择“禁用”、“常规”、“迭代”三种模式,采集一段时间的控制通道时域信号,通过查看时域信号极值的大小来分析“Sigma剪切”的效果。

       振动台的参数见图3,传感器的参数见图4。

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3

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1.禁用

Sigma剪切”选择“禁用”,如图5所示。

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运行谱图如图6所示:

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采集时域信号的波形如图7所示,极值为4.6838g

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2.常规

Sigma剪切”选择“常规”,并设置剪切因子为3,如图8所示。

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运行谱图如图9所示:

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采集时域信号的波形如图10所示,极值为-4.2098g

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3.迭代

Sigma剪切”选择“迭代”,并设置剪切因子为3,如图11所示。

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运行谱图如图12所示:

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采集时域信号的波形如图13所示,极值为3.4827g

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       通过分析可以发现,禁用Sigma剪切时,极值为4.6827g;使用常规的Sigma剪切时,极值为4.2098g;使用迭代Sigma剪切时,极值为3.4827g。常规Sigma剪切的极值为3g的1.403267倍,迭代Sigma剪切的极值为3g的1.1609倍。迭代Sigma剪切的效果要比常规Sigma剪切的效果好17.3%。

       另外,相比于常规Sigma剪切,迭代Sigma剪切时控制信号的动态范围更大。具体见试验案例2。

五、试验案例2

随机试验,动态范围90dB

常规Sigma剪切时的控制谱线如图14所示,控制谱线的动态范围是40dB

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迭代Sigma剪切时的控制谱线如图15所示,控制谱线的动态范围是90dB

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可以看出迭代Sigma剪切的控制动态范围要远远高于常规Sigma剪切的控制动态范围。