本發(fā)明涉及動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柌ㄐ卧佻F(xiàn)的處理方法。

背景技術(shù)：

動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)可考核結(jié)構(gòu)或儀器設(shè)備能否承受預(yù)計(jì)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境(振動(dòng)、沖擊等),是鑒定結(jié)構(gòu)能否保持完整性或儀器設(shè)備性能、精度是否降低的一種有效手段。動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)對保證產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電子電路可靠性、操縱系統(tǒng)安全性等方面具有極其重要的意義。

加速度時(shí)域波形再現(xiàn)試驗(yàn)是動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中很重要的一類試驗(yàn)，是指在試驗(yàn)室環(huán)境下，在振動(dòng)臺(tái)上以較高精度再現(xiàn)指定的加速度時(shí)域波形，基于時(shí)域控制方式以實(shí)測加速度時(shí)域信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直接模擬復(fù)現(xiàn)真實(shí)動(dòng)力學(xué)環(huán)境。加速度時(shí)域波形再現(xiàn)試驗(yàn)常用來模擬道路運(yùn)輸環(huán)境、地震、爆炸沖擊等非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中加速波形再現(xiàn)試驗(yàn)的基本流程圖。圖1中的信號處理前端是信號采集處理的常用儀器，以電荷放大器為例，能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘栟D(zhuǎn)化為放大的電壓信號，同時(shí)又能將傳感器的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換成低阻抗輸出。

圖2所示為典型的完整型加速度時(shí)域信號波形再現(xiàn)試驗(yàn)輸入信號。圖3所示為圖2所示加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的速度信號。圖4所示為圖2所示的加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的位移信號。即，該典型的加速度時(shí)域信號波形信號對應(yīng)的初始加速度、速度和位移均為零，對應(yīng)的末加速度、速度和位移均為零，該信號可由振動(dòng)控制儀識(shí)別并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)施波形再現(xiàn)，目前有不少商用振動(dòng)控制儀可以直接以加速度時(shí)域信號為輸入實(shí)施波形再現(xiàn)。

圖5所示為末端截?cái)嗟募铀俣葧r(shí)域信號波形再現(xiàn)試驗(yàn)輸入信號。圖6所示為圖5所示加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的速度信號。圖7所示為圖5所示的加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的位移信號。因?yàn)樵撔盘枮闀r(shí)域截?cái)嘈盘?，該信號對?yīng)的初始加速度、速度和位移均為零，對應(yīng)的末加速度、速度和位移均不為零，該信號不能由振動(dòng)控制儀識(shí)別，更不能驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)物理實(shí)施波形再現(xiàn)。這是因?yàn)椋翰ㄐ卧佻F(xiàn)試驗(yàn)前后，輸入信號初始狀態(tài)的加速度、速度、位移和終止?fàn)顟B(tài)的加速度、速度、位移均需為零，是振動(dòng)控制儀可識(shí)別并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)物理實(shí)施波形再現(xiàn)的必要條件。此時(shí)，即便在附圖5信號基礎(chǔ)上按照原采樣頻率補(bǔ)零，使得末加速度為零，也不能夠保證該加速度截?cái)嘌a(bǔ)零信號對應(yīng)的末速度、末位移同時(shí)為零，仍然不能由振動(dòng)控制儀識(shí)別并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)物理實(shí)施波形再現(xiàn)。

但是現(xiàn)實(shí)中信號采集過程由于種種意外造成采集信號突然截?cái)嗟默F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這就導(dǎo)致沒有商用振動(dòng)控制儀可直接實(shí)施波形再現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，提供一種加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柌ㄐ卧佻F(xiàn)的處理方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：

一種加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柌ㄐ卧佻F(xiàn)的處理方法，包括以下步驟，

1)對加速度時(shí)域截?cái)嘈盘栠M(jìn)行計(jì)算處理，分別得到速度時(shí)域截?cái)嘈盘柡臀灰茣r(shí)域截?cái)嘈盘枺?/p>

2)分別提取末加速度值A(chǔ)_last、末速度值V_last和末位移值D_last；

3)以三個(gè)參數(shù)值A(chǔ)_last、V_last和D_last為初始值，利用衰減余弦函數(shù)生成位移歸零補(bǔ)償信號；

4)將位移歸零補(bǔ)償信號與位移時(shí)域截?cái)嘈盘柺孜策B接，生成歸零位移完整信號；

5)通過位移歸零補(bǔ)償信號計(jì)算處理獲得速度歸零補(bǔ)償信號及加速度歸零補(bǔ)償信號；

6)將速度歸零補(bǔ)償信號與速度時(shí)域截?cái)嘈盘柺孜策B接，生成歸零速度完整信號；將加速度歸零補(bǔ)償信號與加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柺孜策B接，生成歸零加速度完整信號。

步驟3)中所述的衰減余弦函數(shù)為y(t)＝c·cos(at)·e^-bt。

其中，y(t)為位移補(bǔ)償信號值，t為時(shí)間，a、b、c均為常數(shù)，b＝-V_last/c，c＝D_last，其中n為1、2、3…。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過利用衰減余弦函數(shù)的特性對時(shí)域截?cái)嘈盘柕臄M合補(bǔ)充解決了由于信號截?cái)喽鵁o法直接實(shí)施波形再現(xiàn)試驗(yàn)的難題，能夠在原信號基礎(chǔ)上通過補(bǔ)償一部分信號快速準(zhǔn)確的將加速度信號逐步歸零，同時(shí)保證補(bǔ)償信號對應(yīng)的速度信號、位移信號逐步歸零，確保經(jīng)過補(bǔ)償處理的加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柨梢杂烧駝?dòng)控制儀識(shí)別并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)施波形再現(xiàn)。

附圖說明

圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中加速波形再現(xiàn)試驗(yàn)的基本流程圖。

圖2所示為典型的完整型加速度時(shí)域信號波形再現(xiàn)試驗(yàn)輸入信號。

圖3所示為圖2所示加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的速度信號。

圖4所示為圖2所示的加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的位移信號。

圖5所示為末端截?cái)嗟募铀俣葧r(shí)域信號波形再現(xiàn)試驗(yàn)輸入信號。

圖6所示為圖5所示加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的速度信號。

圖7所示為圖5所示的加速度時(shí)域信號波形對應(yīng)的位移信號。

圖8所示為某地震實(shí)測加速度信號。

圖9所示為地震位移截?cái)鄽w零完整信號。

圖10所示為地震速度截?cái)鄽w零完整信號。

圖11所示為地震加速度截?cái)鄽w零完整信號。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

以下針對某地震實(shí)測加速度信號結(jié)合本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖8所示，該加速度時(shí)域信號為末端不歸零的時(shí)域截?cái)嘈盘枺捎谠撔盘枮闀r(shí)域截?cái)嘈盘?，則需對該信號的處理方法如下：

步驟一：對加速度時(shí)域截?cái)嘈盘栠M(jìn)行計(jì)算處理，分別得到速度時(shí)域截?cái)嘈盘柡臀灰茣r(shí)域截?cái)嘈盘枴Ｓ杉铀俣扔?jì)算速度和位移的方法為離散數(shù)值的時(shí)域積分，此與現(xiàn)有技術(shù)類似，在此不展開描述。

步驟二：分別提取加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柲┘铀俣戎礎(chǔ)_last＝-0.1073(m/s²)、末速度值V_last＝-0.0166(m/s)、末位移值D_last＝0.0173(m)。由于加速度、速度、位移信號都是和時(shí)間相關(guān)的離散數(shù)值，信號截?cái)鄷r(shí)刻對應(yīng)的值即為末加速度、末速度、末位移值，也就是步驟一中各信號的末端值。

步驟三：以三個(gè)參數(shù)值A(chǔ)_last、V_last和D_last為初始值，利用衰減余弦函數(shù)生成

位移歸零補(bǔ)償信號。具體如下：步驟3)中所述的衰減余弦函數(shù)為

y(t)＝c·cos(at)·e^-bt

其中，y(t)為位移補(bǔ)償信號值，t為時(shí)間，a、b、c均為常數(shù)，b＝-V_last/c，c＝D_last，其中n為1、2、3…。

得常數(shù)值a＝2.289，b＝0.907，c＝0.0173

帶入式后可以得到衰減余弦函數(shù)：

y(t)＝0.0173·cos(2.289t)·e^-0.907t

確定時(shí)間t＝2.5π/a(選取n＝2)，按照式在t＝[0，2.5π/a]范圍內(nèi)按照實(shí)測地震信號采樣頻率生成位移歸零補(bǔ)償信號，如圖9中50S之后的部分所示。其中，根據(jù)衰減余弦函數(shù)的特性，歸零補(bǔ)償信號的幅值不可能大于原始信號，持續(xù)時(shí)間不可能太長，但又不好定量描述。保證信號的加速度、速度、位移的歸零誤差在控制儀可識(shí)別范圍，n的選擇盡量小，信號盡量短，如n＝1或2。

步驟四：將位移歸零補(bǔ)償信號與位移時(shí)域截?cái)嘈盘柺孜策B接，生成歸零的位移完整信號，如圖9所示，其中起始到50s為位移時(shí)域截?cái)嘈盘枺?0s之后的部分即為生成的位移歸零補(bǔ)償信號。

步驟五：通過位移歸零補(bǔ)償信號計(jì)算處理獲得速度歸零補(bǔ)償信號，

步驟六：將速度歸零補(bǔ)償信號與速度時(shí)域截?cái)嘈盘柺孜策B接，生成歸零的速度完整信號，如圖10所示，其中起始到50s為速度時(shí)域截?cái)嘈盘枺?0s之后的部分即為生成的速度歸零補(bǔ)償信號。

步驟七：通過速度歸零補(bǔ)償信號計(jì)算處理獲得加速度歸零補(bǔ)償信號，

步驟八：將加速度歸零補(bǔ)償信號與加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柺孜策B接，生成歸零的加速度完整信號，如圖11所示，其中起始到50s為加速度時(shí)域截?cái)嘈盘枺?0s之后的部分即為生成的加速度歸零補(bǔ)償信號。

步驟九：將歸零的加速度完整信號輸入振動(dòng)控制儀并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)施波形再現(xiàn)試驗(yàn)，成功再現(xiàn)補(bǔ)償前地震實(shí)測加速度截?cái)嗖ㄐ巍?/p>

至于歸零補(bǔ)償部分的波形再現(xiàn)，與地震實(shí)測加速度信號相比，其振動(dòng)量級與持續(xù)時(shí)間均遠(yuǎn)小于原始信號，可忽略其影響。

本發(fā)明通過利用衰減余弦函數(shù)的特性對時(shí)域截?cái)嘈盘柕臄M合補(bǔ)充解決了由于信號截?cái)喽鵁o法直接實(shí)施波形再現(xiàn)試驗(yàn)的難題，能夠在原信號基礎(chǔ)上通過補(bǔ)償一部分信號快速準(zhǔn)確的將加速度信號逐步歸零，同時(shí)保證補(bǔ)償信號對應(yīng)的速度信號、位移信號逐步歸零，確保經(jīng)過補(bǔ)償處理的加速度時(shí)域截?cái)嘈盘柨梢杂烧駝?dòng)控制儀識(shí)別并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)施波形再現(xiàn)。

綜上所述，對于本發(fā)明來說，第一，對于一個(gè)時(shí)域截?cái)嘈盘柖?，用本發(fā)明方法可以認(rèn)為位移、速度、加速度補(bǔ)償信號是同時(shí)得到，因?yàn)樗鼈冎g就是純粹的數(shù)值積分、微分關(guān)系。第二，因?yàn)榧铀俣仁菚r(shí)間的函數(shù)，速度是加速度和時(shí)間的函數(shù)，位移是速度和時(shí)間的函數(shù)。以時(shí)間為變量，相對加速度而言，速度是時(shí)間更高階函數(shù)；相對速度而言，位移是時(shí)間的更高階函數(shù)。本發(fā)明選取作為高階函的數(shù)位移構(gòu)造衰減余弦函數(shù)，作為連續(xù)函數(shù)，由高階函數(shù)求導(dǎo)獲取低階函數(shù)相對簡單，而如果由低階函數(shù)獲取高階函數(shù)，會(huì)引入不確定的常數(shù)，難以達(dá)到實(shí)施目的。第三，本發(fā)明構(gòu)造了一個(gè)連續(xù)函數(shù)，利用了衰減余弦函數(shù)的特性來處理離散數(shù)據(jù)。先構(gòu)造位移函數(shù)表達(dá)式，再通過微分、再微分獲得速度、加速度表達(dá)式，再利用已知初始條件，求解常數(shù)a、b、c，最終確定加速度補(bǔ)償信號,將截?cái)嗟男盘栄a(bǔ)充完整，解決了時(shí)域截?cái)嘈盘枱o法使用的不足。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。