本發(fā)明屬于振動校準領域，尤其適用于正弦振動的三維空間運動軌跡合成方法。

背景技術：

振動傳感器廣泛應用在航空航天、動力機械、交通運輸、軍械兵器、能源工業(yè)、土木建筑、電子工業(yè)以及環(huán)境保護等各領域。振動傳感器的校準技術是保障測量有效性和可靠性的必要途徑。隨著高靈敏度、寬頻率范圍等振動傳感器的發(fā)展以及工業(yè)上日益增長的高精度振動測量需求，振動傳感器的校準技術正變得越加重要。

傳統(tǒng)單軸向振動臺生成正弦振動合成一條單方向的直線軌跡，兩軸向振動系統(tǒng)生成任意相對幅值和相位的正弦振動將合成平面內(nèi)的橢圓軌跡，其中直線軌跡(相位相同，幅值任意)和圓形軌跡(相位正交，幅值相等)可認為是橢圓軌跡的特例。單向直線軌跡和平面橢圓軌跡都無法為傳感器提供空間振動激勵，只能通過重新安裝來獲得傳感器的空間響應特性，這樣不僅耗時較長，而且還會引入一定的安裝誤差。三軸向振動臺能夠生成三維空間的運動軌跡，提供更接近實際環(huán)境的振動激勵。隨著多分量加速度計和地震計等應用的日益增多，對多分量振動校準技術提出了迫切需求。因此有必要提出三維空間運動軌跡振動合成方法，支撐三軸向振動校準方法的建立，促進我國振動計量向更接近實際測量環(huán)境的計量體系發(fā)展，滿足各應用領域對高性能振動計量的需求，支承我國先進制造業(yè)的升級與進步。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于多分量振動校準的三維空間運動軌跡的合成方法。鑒于已有單軸向運動軌跡和平面內(nèi)運動軌跡的不足，本發(fā)明將基于三軸向振動臺來實現(xiàn)三維空間運動軌跡振動合成的目標。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種用于振動校準的三維空間運動軌跡振動合成方法，包括：理想空間運動軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀1的描述、目標的x軸向幅值和相位2的計算、目標的y軸向幅值和相位3的計算、目標的z軸向幅值和相位4的計算、振動控制器5、三軸向振動臺6、x軸向正弦振動7的生成、y軸向正弦振動8的生成、z軸向正弦振動9的生成、三維空間運動軌跡10的合成。

通過三軸向振動臺生成相互正交的x軸向正弦振動7、y軸向正弦振動8、z軸向正弦振動9，任意幅值和相位的x、y、z軸向正弦振動合成空間直線15、空間圓形和空間橢圓14三種類型的三維空間運動軌跡。其中空間直線15和空間圓形被認為是空間橢圓14的兩個特例。

通過正交矩陣來描述空間橢圓運動軌跡的空間姿態(tài)，正交矩陣的前兩個列向量分別平行于橢圓的長軸和短軸，第三個列向量垂直于橢圓平面；通過長軸和短軸的長度來描述空間運動軌跡的軌跡形狀。

根據(jù)空間橢圓的姿態(tài)和形狀計算目標的目標的x軸向幅值和相位2、目標的y軸向幅值和相位3、目標的z軸向幅值和相位4。振動控制器5通過反復迭代修正驅動頻譜19，使反饋的響應頻譜20達到理想的參考頻譜21，控制三軸向振動臺6生成特定幅值和相位的x軸向正弦振7、y軸向正弦振8、z軸向正弦振動9。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

⑴本發(fā)明振動合成方法給出了任意幅值和相位的x、y、z軸向正弦振動所合成的三維空間運動軌跡的類型、形狀以及空間姿態(tài)。

⑵本發(fā)明振動合成方法可以通過x、y、z軸向正弦振動的幅值和相位調(diào)整三維空間運動軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀。

⑶本發(fā)明振動合成方法在傳統(tǒng)正弦振動控制迭代算法的基礎上，只需增加幅值和相位計算環(huán)節(jié)，可以基于傳統(tǒng)多軸向振動控制系統(tǒng)執(zhí)行，方法較為簡單。

附圖說明

圖1為三維空間運動軌跡合成方法示意圖；

圖2為x、y、z軸向正弦振動示意圖；

圖3為空間橢圓運動軌跡示意圖；

圖4為空間直線運動軌跡示意圖；

圖5為正交單位向量示意圖；

圖6為迭代控制算法示意圖；

圖中標號：

1-理想空間運動軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀；2-目標的x軸向幅值和相位；3-目標的y軸向幅值和相位；4-目標的z軸向幅值和相位；5-振動控制器；6-三軸向振動臺；7-x軸向正弦振動；8-y軸向正弦振動；9-z軸向正弦振動；10-空間運動軌跡；11-x軸向正弦振動；12-y軸向正弦振動；13-z軸向正弦振動；14-空間橢圓；15-空間直線；16-系統(tǒng)頻響函數(shù)估計；17-系統(tǒng)阻抗矩陣；18-迭代算法；19-驅動頻譜；20-響應頻譜；21-參考頻譜；22-誤差頻譜。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施實例詳細說明本發(fā)明的實時方式。

圖1為一種三維空間運動軌跡合成方法示意圖。三維空間運動軌跡合成方法包括：根據(jù)理想的空間運動軌跡的空間姿態(tài)和軌跡形狀1計算得出目標的x軸向幅值和相位2、y軸向幅值和相位3、z軸向幅值和相位4；振動控制器5上執(zhí)行迭代算法，根據(jù)x、y、z軸向振動的目標幅值和相位以及反饋幅值和相位生成控制信號，驅動三軸向振動臺6生成x軸向正弦振動7、y軸向正弦振動8、z軸向正弦振動9；x、y、z軸向的正弦振動將實現(xiàn)三維空間運動軌跡10的合成。

圖2、圖3、圖4分別為x、y、z軸向正弦振動、空間橢圓運動軌跡、空間直線運動軌跡示意圖。同頻率的x軸向正弦振動11、y軸向正弦振動12、z軸向正弦振動13將合成空間橢圓14、空間圓形、空間直線15三種類型的三維空間運動軌跡10。其中空間直線15和空間圓形對應為當橢圓的短軸為零和長短軸長度相等兩種情況。因此，同頻率任意幅值和相位的正弦振動合成三維空間橢圓運動軌跡，橢圓的空間姿態(tài)和軌跡形狀取決于x、y、z軸的振動幅值和相位。

圖5為正交單位向量示意圖。采用一組相互正交的單位向量[u,v,w]來描述空間橢圓的空間姿態(tài)：

u＝[u1u2u3]^t,v＝[v1v2v3]^t,w＝u×v(1)

其中：u平行于橢圓的長軸，v平行于橢圓的短軸，w垂直于空間橢圓平面，u1、u2、u3為單位向量u的坐標分量，v1、v2、v3為單位向量v的坐標分量。采用λ1和λ2來描述空間橢圓的軌跡形狀，當λ2＝0時對應空間直線軌跡，當λ1＝λ2時對應空間圓形軌跡。則計算得出目標的x軸向幅值和相位y軸向幅值和相位z軸向幅值和相位分別為：

圖6為迭代控制算法示意圖。振動控制器5上執(zhí)行迭代算法原理為：提前激勵系統(tǒng)來獲取系統(tǒng)的頻響函數(shù)估計16，對系統(tǒng)頻響函數(shù)求逆得到系統(tǒng)的阻抗矩陣17，控制目標為使測量的響應頻譜達到理想的參考頻譜21，根據(jù)參考頻譜21和響應頻譜20、計算誤差頻譜22，根據(jù)式(5)的迭代算法18修正驅動頻譜19：

dn+1(f)＝dn(f)+αz(f)(r(f)-cn(f))(5)

式中，dn(f)為第n次迭代驅動譜；dn+1(f)為所求的第n+1次迭代驅動譜；z(f)為系統(tǒng)阻抗矩陣；α為迭代增益，通常選取迭代增益0＜α＜1以提高控制穩(wěn)定性。通過反復迭代修正驅動頻譜19，使系統(tǒng)輸出的響應頻譜20不斷趨近設定的參考頻譜21。

以上所述詳細說明是針對本發(fā)明有效可行實施實例的具體說明，并非用以對本發(fā)明作任何形式上的限定。應當指出的是，本領域技術人員可以在未脫離本發(fā)明技術原理下做出若干改進、變更或有效實施，這些改進、變更或有效實施均應包含于本發(fā)明的保護范圍。