Integration of input shaping technique with interpolation for vibration suppression of servo-feed drive system

Abstract

It is essential to suppress vibrations of the feed drive system in order to achieve high speed and high precision machining. To analyze the dynamic response of the feed drive system, a more complete model is derived in this paper which considers the bed, longitudinal and torsional modes. The dynamic model is represented by the block diagram and is incorporated with servo controls to form a closed-loop system. To alleviate vibrations of the servo-feed drive system, a full order modified input shaping with zero vibration (FMISZV) algorithm integrated into the CNC interpolator is developed. The performance of vibration suppression using the FMISZV is compared to those of conventional input shapers, such as zero vibration with derivation (ZVD) and conventional linear acceleration/deceleration (Acc/Dec) interpolator (CLAI). It is shown that the FMISZV not only has the notch filter effect, but also exhibits low-pass filter behavior for high frequency modes. Simulation and experimental results demonstrate that the FMISZV can outperform the ZVD and CLAI.     

随机子空间产生虚假模态及模态遗漏的原因分析

参数识别是结构健康监测领域研究中的重点。随机子空间法是近年来发展起来的一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数。由于它具有只需给定系统的阶次一个参数,不存在不收敛的情况等优势,越来越受到国内外业内人士的广泛关注。但是该方法也不是十全十美的,容易产生虚假模态和模态遗漏现象,这些都严重影响了识别效果。因此将识别结果中的虚假模态剔除,是随机子空间方法进一步在理论和应用上拓展的关键。要做到这些,首先要分析虚假模态产生的原因。该文就对虚假模态的产生原因进行了分析。分析表明虚假模态产生的原因主要有两方面:一方面是由于随机子空间方法的基本计算过程而导致的;另一方面是由于实际应用中输入信号不满足白噪声的假定和/或输出信号受到环境的干扰而导致的。分析中采用了一数值模拟例子。     

基于运行模态法的动力总成刚体模态试验研究

介绍两种基于运行模态法的动力总成刚体模态参数识别方法,即频域分解法与时域随机状态子空间辨识法。发动机怠速工况下,运行模态法可以识别出动力总成悬置系统在垂向跳动与绕侧向俯仰的刚体模态,并且可以识别出动力总成怠速激励下的谐波模态;而动力总成受到白噪声激励,运行模态法可以识别出动力总成悬置系统的全部六自由度刚体模态。从对比可知,运行模态法识别的模态参数与常规试验模态法结果基本一致,表明利用工况激励法进行模态参数识别是行之有效的。     

《橡胶隔振移动硬盘非线性系统的冲击研究》

在橡胶隔振移动硬盘构成的非线性系统中引入了频率硬化系数,建立了非线性振动微分方程,并构造了相应的仿真计算模型。使用该模型计算了具有不同脉冲加速度幅值和脉冲时间宽度的冲击响应,分析并讨论了脉冲信号参数对隔振效果的影响。理论分析与数值模拟表明：与传统的线性振动模型相比,引入频率硬化系数的橡胶隔振模型更符合实际,且具有良好的冲击响应。仿真模型简单,计算方便,可以用于快速确定非线性隔振系统的固有频率。     

随机子空间识别在悬索桥实验模态分析中的应用

为了从大型悬索桥的脉动实验结果得出精确的结构动力特性,以便进行结构的抗风、抗震研究和实时监测,本文利用随机子空间系统识别方法对虎门悬索桥进行了模态分析。这种时域识别方法基于状态空间模型,仅利用结构输出反应,避免了传统的人工识别和迭代过程,但必须利用稳定图形确定模型阶数。同有限元数值计算结果作比较后可看出,该法能识别出10个频率在0.5Hz以下的自振频率,并且可得到较好的结构阻尼,说明随机子空间系统识别方法是分析大型桥梁脉动实验特征参数的有力工具。     

弹性-粘弹性复合结构的Krylov子空间模型降阶方法

针对弹性-粘弹性复合结构的动力学模型降阶问题，提出用Krylov子空间作为投影子空间进行模型减缩的方法。首先介绍了二阶时不变动力学模型的Krylov子空间的定义，并证明了经Krylov子空间方法降阶得到的模型具有与原模型的部分低频矩量相等的特性。然后给出了计算Krylov向量的算法。最后以一表面部分粘贴约束阻尼结构的正交异性悬臂板为例，分别用Krylov子空间方法和迭代动力缩聚法进行了模型降阶，并对原模型和降阶模型进行了频率响应分析，结果表明，采用Krylov子空间降阶后的模型能较好地保持原模型的动力学特性且降阶幅度大。     

Sloshing in microgravity

The International Space Station provides a low gravity environment for experiments that require very low acceleration. The steady component of acceleration due to the gravity gradient is in the microgravity range. It is possible to achieve microgravity levels for the variable component by using isolation racks. For experiments cooled by liquid cryogens sloshing may increase the variable acceleration at the experiment beyond acceptable levels. Sloshing of cryogens in microgravity can be predicted using a surface wave model. The model should include: a calculation of the shape of the unperturbed liquid–gas interface; a listing of the normal modes and resonant frequencies for the container; a prediction of the amplitude of the modes in response to the motion of the container; and a test to detect the breakdown of linear theory. A model is presented that contains these components. The shape of the interface is calculated and it is found that for most anticipated applications the interface is nearly cylindrical or spherical. Since gravity is not aligned with the symmetry of the container, the depth of the liquid is variable. Examples are presented to show how to estimate the extent of variable depth and curved interface on the normal modes and resonant frequencies. Equations are derived for the dynamic interaction of the isolation rack, the dewar and the sloshing motion. Damping is introduced by using boundary layer theory. Random vibration theory is applied to the incoherent component of the driving spectrum while standard resonance formalism is used for the coherent component. The model cannot be used if the wave amplitude becomes so large that linear theory does not apply. A procedure is developed to check for nonlinear difficulties.     

螺栓连接框架结构的有限元模型修正

综合运用有限元仿真、试验模态测试和模型修正技术,对一个由螺栓连接的三层框架结构进行了动力学特性分析和响应预测,并对其中涉及到的相关问题进行了讨论。首先,采用不同类型单元分别建立结构的实体有限元模型、板-梁有限元模型以及三自由度集中参数模型,并进行模态计算。然后,对实际结构进行模态测试,并将三类模型的计算结果与测试数据进行对比,分析不同类型单元所建立模型的异同以及由螺栓连接的复杂性、加工装配的误差和材料参数的不准确等不确定因素对建模及计算误差所造成的影响,从而确定合理的修正参数。接着,用模态测试数据对模型参数进行修正,使得修正后的模型能够准确反映实际结构的固有频率和振型。最后,将测试获取的阻尼参数加到修正后的模型上,进行冲击激励下的响应预测,并与实际结构的测试结果进行对比,取得了满意的结果。     

多通道子空间算法在说话人识别中的应用

深入研究了基于多通道信号子空间的语音增强算法原理,对算法中各个参数对性能的影响进行了深入剖析．同时给出一种选取噪声方差的简单且有效的方法,并通过研究分析,证明多通道信号子空间算法不仅消噪明显而且对语音的损伤微小,而且相比于单通道子空间语音增强算法除了性能上的提升外,还没有导致计算量的增加。最后将多通道子空间语音增强算法用于说话人识别系统．并与其它多通道语音增强算法（延迟求和波束形成、波束形成后维纳滤波、线性约束最小方差波束形成）进行了对比．实验表明多通道信号子空间语音增强算法在多种噪声环境下均可有效的提高说话人识别系统的识别性能。     

船用齿轮箱动态响应及抗冲击性能数值仿真

采用三维冲击／动力接触有限元法计算轮齿的时变啮合刚度和啮合冲击激励，用简谐函数模拟齿轮误差及外部加速度激励。综合考虑由轮齿刚度激励、误差激励和啮合冲击激励引起的内部动态激励以及由冲击加速度引起的外部激励的影响，建立了齿轮箱动力分析有限元模型。应用I—DEAS软件计算了齿轮箱的固有模态，并对齿轮箱承受内部激励和外部激励时的动态响应进行了数值仿真，得出了各种激励下齿轮箱的动态应力，为船用齿轮箱抗冲击能力的确定提供了理论依据。     

Output feedback SSR damping controller design based on modular discrete-time dynamic model of TCSC

This paper presents the use of a modular, sample invariant, six samples per cycle, discrete-time model of a thyristor controlled series capacitor (TCSC) for output feedback-based subsynchronous resonance (SSR) damping controller (SSDC) design. An SSDC is used to alleviate the instability of torsional modes caused by external fixed capacitors used in conjunction with a TCSC. It is found that damping torque analysis-based design of an SSDC using a non-local signal like generator slip is straightforward and the resulting SSDC has a simple compensator structure. On the other hand, the residues and pole-zero configuration with the line current magnitude as a feedback signal are such that it is relatively more difficult to obtain a robust design, especially if several subsynchronous torsional modes are present. Eigenvalue analysis and digital simulation studies indicate that the TCSC model can accurately predict the behaviour of a TCSC with and without a damping controller.     

稳定图方法在随机子空间识别模态参数中的应用

参数识别是结构健康监测领域研究中的重点。随机子空间法是近年来发展起来的一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数。在随机子空间识别方法中,确定系统的阶数是该方法的关键工作。稳定图方法是一种比较新颖的确定系统阶次的方法,但该方法容易识别出虚假模态。针对这种情况对稳定图方法进行了改进,避免了虚假模态的出现,进而提高了随机子空间方法的识别精度。稳定图方法改进的重点是用模态置信因子来消除虚假模态。同时由于通常采用的阻尼理论与实际情况尚存在差距,影响了识别效果。在稳定图中将阻尼比的标准放松或取消,得到更加理想的识别效果。最后对此方法在一三跨连续梁的数值模型上进行了验证,结果表明,该方法具有良好的识别效果。     

一种改进的随机子空间辨识方法的稳定图

为在模态参数辨识中更好地区分虚假模态与物理模态,对传统时域子空间方法的稳定图进行了改进。改进的稳定图利用了由输出信号的自相关函数重构的Hankel矩阵,认为系统阶次固定,模态特征的变化趋势随数据量的增加而体现。在稳定图中引入了可表征各阶估计模态贡献量大小的分量能量指标(CEI)作为判断模态特征稳定性的判据之一,以剔除虚假特征。通过对一个受噪声污染、具有密集模态的振动仿真系统进行辨识,从改进的稳定图中可以看到物理模态随数据量增加仍保持稳定,且对应于较大的CEI值,虚假模态的表现则明显相反,验证了该改进的子空间方法的稳定图的正确性和有效性。     

扩展特征系统实现算法的模态参数识别特性研究

结构动力响应作为模态参数识别的输入数据,对识别结果存在一定的影响。扩展特征系统实现算法(EERA)是一种多输入输出的结构模态参数识别的时域方法,相比于特征系统实现算法(ERA)应用范围可以扩展到任何随机响应,具有识别精度高、稳定性好等特点。该文主要对EERA算法,在分别采用加速度、速度和位移动力响应作为输入时,对两个自由度弹簧阻尼质量系统和实验室环境下6层框架结构识别的结果进行了比较分析,得出EERA对任何动力响应均适用,并且建议采用加速度动力响应信号识别高阶模态。     

Application of resonant acoustic spectroscopy to asphalt concrete beams for determination of the dynamic modulus

In this paper, a new application of resonant acoustic spectroscopy (RAS) is examined for constructing asphalt concrete mastercurves from seismic testing. The frequency-dependent material properties can be characterized from multiple modes of vibration through the use of RAS. Beam-shaped asphalt specimens are tested at multiple temperatures to determine the resonance frequencies of the specimens. The resonance frequencies are estimated by applying a small load impulse and measuring the resulting acceleration through the specimens. Using RAS, the material properties of the specimens are determined numerically using the measured resonance frequencies. The results presented show that the frequency-dependent dynamic modulus of the asphalt concrete specimens can be characterized using several modes of vibration at each testing temperature.     

基于希尔伯特-黄变换提取车辆轨道耦合系统时频特性

为研究各种激扰对车辆轨道耦合系统动力学响应时频特性影响,将基于改进经验模态分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform）应用于车辆轨道耦合动力学振动信号分析中。运用改进EMD方法提取耦合系统振动响应的固有模态函数（IMF）,并对其进行希尔伯特-黄变换,得到振动响应的希尔伯特时频幅值谱和边缘谱。分析表明：希尔伯特-黄变换较傅里叶变换的分辨率与精度高,能有效捕捉车轮缺陷及轨道谐波不平顺激励下车辆轨道耦合系统的调制信号;车体垂向振动加速度随轨道不平顺波长、幅值非线性变化,振动信号的轮周激励成分为调制信号,且随轨道不平顺幅值增大而减小,随轨道不平顺波长增大非线性变化。     

线性时变系统的状态空间模型递推辨识研究

针对线性时变系统中状态空间模型的辨识问题,本文提出了一种新的模型参数矩阵的递推辨识格式。不同于常用的利用奇异值分解(SVD)或者最小二乘原理计算时变状态空间模型参数的方法,这种新的递推方法基于信号子空间投影原理,通过重新建立输入输出数据之间的关系,构建新的信号子空间矩阵,从而递推得到系统的时变状态空间模型参数。与现有的计算时变状态空间模型的方法相比,这种新的递推方法由于不需要进行SVD的计算,从而大幅的减少了计算时间。特别是当系统的阶次较高时,计算效率优势更为明显。在算例中将这种方法与经典的使用SVD的时变ERA(TV-ERA)方法从辨识结果和计算效率上进行了比较。仿真结果表明这种新的递推算法能有效辨识状态空间方程形式的线性时变系统的模型参数,和TV-ERA方法相比具有更高的计算效率。     

基于LabVIEW的颤振激励信号生成与测试系统研究

基于NI公司的数据采集硬件设备,结合跨音速风洞颤振试验特点,用LabVIEW语言为颧振试验设计了一套激励信号生成与多通道同步动态信号采集系统.设计的系统成功实现了新型IEPE传感器和传统电荷式传感器兼容、加速度信号与应变信号同步采集、激励信号生成与多通道数据采集同步、直接内存读取数据、数据尤限时存盘、信号实时显示等方面的功能.经试验验证,该系统设计方案完全满足颤振试验数据采集的要求,获得良好的测试结果,在多功能同步采集系统设计方丽取得了技术性应用成果.     

基于自适应子空间估计的DOA跟踪算法

运用特征子空间类高分辨方法的关键在于信号或噪声子空间的估计。实际上有些信号的统计特性通常随时间变化，为了得到参数的实时估计值，需要随时根据新的阵列接收数据对信号或噪声子空间进行更新?文中分析了一种自适应子空间估计算法，即MALASE(Maximum Likelihood Adaptive Subspaee Estimation)算法然后，把MALASE算法与最小范数(Mini—Norm)高分辨方位计算法相结合．并应用零点跟踪技术，提出了一种自适应Mini—Norm算法，可用于对时变的信号波达方向(DOA)进行跟踪估计。仿真结果验证了该算法具有较好的跟踪性能。     

The effect of acoustic diffraction and acoustic attenuation on the dynamic range of acoustooptic Bragg cells

A three-dimensional model for the propagation of finite acoustic waves in nonlinear media is developed. This model implicitly includes the effects of acoustic attenuation and divergence due to diffraction. The generation of intermodulation products in the case of a two-tone input signal is numerically analyzed. It is found that acoustic diffraction can have a significant effect on the dynamic range of a Bragg cell if the acoustic field extends well into the Fraunhofer region. Inclusion of the effect of diffraction in the model predicts a dynamic range that can be considerably larger than the value obtained by using the infinite plane wave assumption. It is shown that acoustic attenuation significantly reduces the level of the acoustic intermodulation products relative to the level of the fundamental modes. This also increases the dynamic range. The influence of these effects on design considerations for Bragg cells is discussed.