(57)【要約】【課題】振動制御における重要な情報である位相成分を含めた制御が可能なランダム振動試験制御装置を提供するにある。【解決手段】本発明のランダム振動試験制御装置は、目標時系列生成部３０２、目標スペクトル生成部３０３、応答スペクトル生成部３０４、駆動スペクトル生成部３０５、周波数系列処理部３０６、時系列復号処理部３０７、ＤＡ変換部３０８、ＡＤ変換部３０９を備え、ランダム振動試験の被試験ＰＳＤパターンに基づく真のランダム時系列信号を生成し、真のランダム時系列信号をＦＦＴ処理して目標スペクトル信号を生成し、目標スペクトル信号と振動加振機装置からの応答信号をＦＦＴ処理して得られた応答スペクトル信号とが一致する制御を行うことにより、目標と応答の時系列信号、瞬時PSD及び平均PSDのいずれの項目も一致する制御が可能となる。【選択図】図１
2012103240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動加振機装置（３１０）にランダム振動信号を与えて、試験体の振動試験を行うランダム振動試験制御装置（３００）において、
ランダム振動試験の被試験ＰＳＤパターン（３０１）から真のランダム時系列信号を目標時系列信号Ｔｔとして生成する目標時系列信号生成手段（３０２）と、
前記目標時系列信号Ｔｔから制御目標となる周波数系列の信号である目標スペクトルＴｆに変換する目標スペクトル生成手段（３０３）と、
前記試験体の加速度を検出するセンサーから得られた応答時系列信号を周波数系列の信号である応答スペクトルＲｆに変換する応答スペクトル生成手段（３０４）と、
前記振動加振機装置（３１０）を駆動する駆動時系列信号Ｄｔを周波数系列の信号である駆動スペクトルＤｆに変換する駆動スペクトル生成手段（３０５）と、
前記応答スペクトルＲｆと前記駆動スペクトルＤｆとから伝達関数Ｇｆを計算する伝達関数生成手段（１１０４）、前記伝達関数Ｇｆの逆数である逆伝達関数ＩＧｆを計算する逆伝達関数生成手段（１１０５）及び前記目標スペクトルＴｆに前記逆伝達関数ＩＧｆを乗じて周波数領域での振幅と位相が補正された駆動フーリエスペクトルＤｒを生成する駆動フーリエスペクトル生成手段（１１０３）を備える周波数系列処理手段（３０６）と、
前記駆動フーリエスペクトルＤｒから逆フーリエ変換とオーバーラップ合成手法により駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動時系列信号生成手段（３０７）と、
を備え、
前記目標時系列信号生成手段（３０２）は、
前記被試験ＰＳＤパターン（３０１）のスペクトル分布を有する位相がランダムなフーリエスペクトルを生成する手段（５０１）、
前記位相がランダムなフーリエスペクトルをＩＦＦＴ変換（逆フーリエ変換）し、擬似ランダムと呼ばれる時系列信号を生成する擬似ランダム時系列信号生成手段（５０２）、前記擬似ランダムにハニング窓（Hanning Window）を乗じる処理（５０３）及び半フレーム毎の重ね合わせ合成する処理（５０４）により、真のランダム時系列信号を生成する真のランダム時系列信号生成手段（５０５）を備え、
目標ランダム時系列信号と応答時系列信号とが振幅、位相とも合致する制御を行うことを特徴とするランダム振動試験制御装置。
【請求項２】
前記周波数系列処理手段（３０６）は、前記逆伝達関数ＩＧｆが乗じられる前の前記目標スペクトルＴｆの平均ＰＳＤと前記応答スペクトルＲｆの平均ＰＳＤとを比較器（１１０１）により比較し、平均ＰＳＤの差分を補正した目標スペクトルＴｃを生成する補正目標スペクトル生成手段（１１０２）を備えることを特徴とする請求項１記載のランダム振動試験制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランダム振動試験制御装置に関する。詳しくは、工業製品に、使用環境下と同様のランダム振動を実験室内で与えることにより、工業製品の耐震性及び耐久性を評価するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のランダム振動試験制御装置では制御目標として専ら平均ＰＳＤ(Power Spectrum Density；パワースペクトル密度)のみが用いられている（特許文献１）。
試験に供する被試験ＰＳＤパターンの目標平均ＰＳＤと振動加振機装置からの応答信号より得られる応答平均ＰＳＤとの比較により、目標平均ＰＳＤと応答平均ＰＳＤが一致するように制御を行うため、時系列信号や瞬時、瞬時のＰＳＤでの目標値と応答値の一致を得る必要がなく、また各周波数毎にＰＳＤ確率密度分布関数を規定することもなかった。
従来のランダム振動試験制御装置１００について図１４，図１５を参照して説明する。
まず、図１５を参照して瞬時ＰＳＤと平均ＰＳＤについて説明する。
フレーム単位に切り出した時系列信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）処理により、フレーム単位のフーリエスペクトルを計算し、フーリエスペクトルから瞬時ＰＳＤを求める。
各瞬時ＰＳＤを瞬時ＰＳＤ0(f), 瞬時ＰＳＤ1(f)・・・・・ 瞬時ＰＳＤi(f)２００と  表現し、瞬時ＰＳＤを時間平均したものが平均ＰＳＤ(f)２０１である。
【０００３】
図１４を参照して従来のランダム振動試験制御装置１００の構成と動作について説明する。
振動加振機装置（試験体およびセンサーを含む）１１２からの応答信号はＡＤ変換部１１１にてデジタル信号に変換する。
デジタル信号をＦＦＴ変換部１１０での処理によりフレーム単位のフーリエスペクトルから瞬時ＰＳＤを計算し、瞬時ＰＳＤをある一定時間平均化処理し応答の平均ＰＳＤ１０８を生成する。
被試験ＰＳＤパターンから得た目標ＰＳＤ１０１と応答からの平均ＰＳＤ１０８が比較されＰＳＤ操作量１０９を生成する。
目標ＰＳＤ１０１とＰＳＤ操作量１０９から修正ＰＳＤ１０２を生成する。
振動加振機装置１１２の伝達特性を使い、逆伝達特性乗算１０３にて修正ＰＳＤ１０２に対し伝達特性補正処理を施し駆動ＰＳＤを生成する。
乱数生成器１０５で生成された白色ランダムを駆動ＰＳＤで正規化し、ＩＦＦＴ (Inverse Fast Fourier Transform；逆高速フーリエ変換) 変換器１０４にて時系列信号に変換、駆動波形合成１０６にて時系列信号の重ね合わせ合成処理を行ない、ＤＡ変換１０７にて振動加振機装置１１２への駆動信号を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４２９９９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のランダム振動試験装置１００においては、振動加振機装置１１２への駆動信号生成時、目標PSD１０１と応答の平均PSD１０８の比較により得られた制御目標の修正PSD１０２に逆伝達特性乗算１０３を施し駆動平均PSDが計算されるが、真のランダム信号を生成するため乱数発生器１０５からの白色ランダム信号を前記駆動平均PSDで正規化し駆動時系列信号を生成するので、伝達特性補正演算で得られた補正された位相成分は失われてしまっていたため、ランダム振動試験の収束に時間が掛かってしまっていた。
また、制御目標が平均PSDのみに注目した制御であるため、各周波数毎にPSDが取り得る確率密度分布関数を設定し、それに従ったランダム振動試験ができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るランダム振動試験制御装置は、振動加振機装置（３１０）にランダム振動信号を与えて、試験体の振動試験を行うランダム振動試験制御装置（３００）において、ランダム振動試験の被試験ＰＳＤパターン（３０１）から真のランダム時系列信号を目標時系列信号Ｔｔとして生成する目標時系列信号生成手段（３０２）と、前記目標時系列信号Ｔｔから制御目標となる周波数系列の信号である目標スペクトルＴｆに変換する目標スペクトル生成手段（３０３）と、前記試験体の加速度を検出するセンサーから得られた応答時系列信号を周波数系列の信号である応答スペクトルＲｆに変換する応答スペクトル生成手段（３０４）と、前記振動加振機装置（３１０）を駆動する駆動時系列信号Ｄｔを周波数系列の信号である駆動スペクトルＤｆに変換する駆動スペクトル生成手段（３０５）と、前記応答スペクトルＲｆと前記駆動スペクトルＤｆとから伝達関数Ｇｆを計算する伝達関数生成手段（１１０４）、前記伝達関数Ｇｆの逆数である逆伝達関数ＩＧｆを計算する逆伝達関数生成手段（１１０５）及び前記目標スペクトルＴｆに前記逆伝達関数ＩＧｆを乗じて周波数領域での振幅と位相が補正された駆動フーリエスペクトルＤｒを生成する駆動フーリエスペクトル生成手段（１１０３）を備える周波数系列処理手段（３０６）と、前記駆動フーリエスペクトルＤｒから逆フーリエ変換とオーバーラップ合成手法により駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動時系列信号生成手段（３０７）と、を備え、前記目標時系列信号生成手段（３０２）は、前記被試験ＰＳＤパターン（３０１）のスペクトル分布を有する位相がランダムなフーリエスペクトルを生成する手段（５０１）、前記位相がランダムなフーリエスペクトルをＩＦＦＴ変換（逆フーリエ変換）し、擬似ランダムと呼ばれる時系列信号を生成する擬似ランダム時系列信号生成手段（５０２）、前記擬似ランダムにハニング窓（Hanning Window）を乗じる処理（５０３）及び半フレーム毎の重ね合わせ合成する処理（５０４）により、真のランダム時系列信号を生成する真のランダム時系列信号生成手段（５０５）を備え、目標ランダム時系列信号と応答時系列信号とが振幅、位相とも合致する制御を行うことを特徴とする。
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るランダム振動試験制御装置は、請求項１において、前記周波数系列処理手段（３０６）は、前記逆伝達関数ＩＧｆが乗じられる前の前記目標スペクトルＴｆの平均ＰＳＤと前記応答スペクトルＲｆの平均ＰＳＤとを比較器（１１０１）により比較し、平均ＰＳＤの差分を補正した目標スペクトル（以下、「補正目標スペクトル」という）Ｔｃを生成する補正目標スペクトル生成手段（１１０２）を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
ランダム振動試験の試験目標となる周波数成分毎に平均PSDと平均PSDを平均値として分布するPSD確率密度分布関数によって数値定義された被試験PSDパターンに基づく真のランダム時系列信号を伝達関数補正する前に生成し、この真のランダム時系列信号をＦＦＴ処理し、周波数空間での目標スペクトル信号とする。
周波数空間での伝達関数補正演算により、この目標スペクトル信号と応答スペクトル信号とが合致する制御が行えるため、目標時系列信号と応答時系列信号が一致するランダム振動制御が可能となる。
その結果として、ランダム振動試験制御装置の収束時間の改善と各周波数毎にPSDの確率密度分布関数を持ったランダム試験が実現する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施例に係るランダム振動試験制御装置のブロック図である。
【図２】平均ＰＳＤパターンを示すグラフである。
【図３】目標時系列生成部における処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】フーリエスペクトル成分と複素平面の偏角θの関係を示すグラフである。
【図５】目標スペクトル生成部における処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】応答スペクトル生成部における処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】駆動スペクトル生成部における処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】周波数系列処理部の詳細を示すブロック図である。
【図９】一般な補正用伝達関数を示すマトリックスである。
【図１０】時系列復号処理部の詳細を示すブロック図である。
【図１１】本発明のランダム振動試験制御装置によるランダム振動試験の制御結果の時系列波形を示すグラフである。
【図１２Ａ】周波数毎にそれぞれ別個のPSD頻度分布を持つ場合の任意の周波数における確率密度分布関数を示すグラフである。
【図１２Ｂ】RandPSD、RandCを付加した確率密度分布関数を示すグラフである。
【図１２Ｃ】実際のフィールドデータから得られた各周波数毎のＰＳＤの平均値、標準偏差(σ)、歪度(ＳＫ)から各周波数におけるＰＳＤの確率密度分布関数を生成し、これを制御目標ＰＳＤパターンとして実際に加振して得られた制御結果を示すグラフである。
【図１２Ｄ】図１２Ｃの周波数５．００ＨｚにおけるＰＳＤの頻度分布を示すグラフである。
【図１２Ｅ】図１２Ｃの周波数４０．００ＨｚにおけるＰＳＤの頻度分布を示すグラフである。
【図１３】本発明によるランダム振動試験装置のハードウエア構成を示すブロック図である。
【図１４】従来のランダム振動試験制御装置を示すブロック図である。
【図１５】瞬時ＰＳＤと平均ＰＳＤとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面に示す実施例を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明の一実施例に係るランダム振動試験制御装置を図１〜図１３に示す。
まず、図１を参照してランダム振動試験制御装置の全体の制御プロセスを説明する。
図１に示すようにランダム振動試験制御装置３００は、目標時系列生成部３０２、目標スペクトル生成部３０３、応答スペクトル生成部３０４、駆動スペクトル生成部３０５、周波数系列処理部３０６、時系列復号処理部３０７、ＤＡ変換部３０８、ＡＤ変換部３０９を備えており、ランダム振動試験制御装置３００に振動加振機装置(パワー増幅器及び振動応答検出器を含む)３１０が接続される。
被試験ＰＳＤパターン３０１はランダム振動試験の試験条件として与えられる。
【００１１】
＜目標時系列生成部３０２＞
目標時系列生成部３０２の詳細について、被試験ＰＳＤパターン３０１として、図２のＰＳＤパターン４０１が与えられた場合を説明する。
ランダム振動試験はＰＳＤパターン４０１で定義されたスペクトル分布を有するランダム信号で行なわれなければならない。
ランダム信号の生成においてはフレーム毎にＰＳＤパターン４０１を持つランダム信号を生成し、これを順次繰り返すことによりＰＳＤパターン４０１が持続するランダム時系列信号を生成する。
【００１２】
完全白色ランダムの必要条件は、時系列空間での出現頻度が一様ランダムで、周波数空間での振幅分布が一様ランダムで、そして周波数空間での位相分布が一様ランダムである。
ＰＳＤパターン４０１で定義された振動試験では周波数空間での振幅分布が一様ランダムの代わりにＰＳＤパターン４０１に置き換え、時系列空間での出現頻度が一様ランダムと周波数空間での位相分布がランダムの要件を満たすランダム信号を生成することになる。
【００１３】
目標時系列生成部３０２において、ＰＳＤパターン４０１から真のランダム時系列信号を生成する場合について、図３を参照して説明する。
まず、ＰＳＤパターン４０１から位相がランダムなフーリエスペクトルを生成する（ステップ５０１）。
基本周波数ｆ0＝１／Ｔ、基本角周波数ω0＝２πｆ0とすると、時系列信号ｘ(t)とそのフーリエ変換Ｘnの間には
【００１４】
【数１】
2012103240.tif 000003
【００１５】
の関係があり、離散的フーリエ変換であるＦＦＴの出力の実数成分ａと虚数成分ｂの間には次の関係がある。
【００１６】
【数２】
2012103240.tif 000004
【００１７】
この実数成分ａnと虚数成分ｂnとＰＳＤ(n)との間には、
【数３】
2012103240.tif 000005
【００１８】
ただし、
Ｎ:フーリエ変換時の時系列データのサンプリング点数
Ｎ＝２i  ｉ＝１，２，３，４，５・・・
ｎ: １，２，３，・・・，（Ｎ／２−１）
Δｆ:フーリエ変換時の周波数分解能
Δｆ＝１／（ｄｔ・Ｎ）
ｄｔ:時系列データのサンプリング時間間隔
の関係があり、フーリエスペクトルのAbsolute(n)はＰＳＤ(n)を用いて、
【００１９】
【数４】
2012103240.tif 000006
【００２０】
と表される。アスタリスク（＊）は積の演算子を示す。以下、図中においても同じ。Absoluteをベースとしてフーリエスペクトルの偏角をθとした時、ＰＳＤ(n)を示すフーリエスペクトル成分は、
【００２１】
【数５】
2012103240.tif 000007
【００２２】
と書ける。
フーリエスペクトル成分と複素平面の偏角θの関係は図４のようになる。
【００２３】
ＰＳＤを決定するのは図４に示すAbsolute(PSD value)６０１である。
Absolute(PSD value)６０１は長さ方向に対して自由度を持ち、定められたPSDの密度分布に従った任意の分布を生成できる。
一方、位相値であるθには３６０度の自由度が存在するので、Absolute(PSD value)６０１を周波数毎に異なる長さのＰＳＤの確率密度分布関数で生成し、θをランダムに変動させれば任意のＰＳＤ確率密度分布関数を満足するランダム位相フーリエスペクトルが生成できる。
位相がランダムなフーリエスペクトルをＩＦＦＴ処理（逆ＦＦＴ変換）すれば、位相がバラバラな正弦波が重なり合った平均ＰＳＤパターン４０１で、図１２Aのような各周波数毎に異なるＰＳＤの確率密度分布関数のスペクトル分布を有する正規分布ランダム時系列信号が生成される（ステップ５０２）。
ＰＳＤの確率密度分布関数からAbsolute(PSD value)６０１を生成するプロセスを図１２Ａ、図１２Ｂを参照して説明する。
各周波数毎にＰＳＤ MinからＰＳＤ Maxまで分布するＰＳＤ確率密度分布関数の一例を図１２Ａに示す。
図１２ＡにおけるＰＳＤ(i)はＰＳＤの分解能間隔(ΔＰＳＤ)毎に計算された値であり、Ｐｒ(i)はＰＳＤ(i)が出現する確率密度である。
図１２Ｂに示すように、Ｒａｎｄ関数を基にしてＰＳＤ MinからＰＳＤ Maxまで分解能間隔(ΔＰＳＤ)毎に均等に出現する白色（一様）乱数ＲａｎｄＰＳＤ＝ＰＳＤ(i)を発生させ、確率密度分布関数からＲａｎｄＰＳＤにおける確率密度Ｐｒｏｂａｂを求め、同時に０．０から１．０まで一様に分布するもう一つの白色乱数ＲａｎｄＣを発生させる。
図１２Ｂに示すように、ＲａｎｄＣの値≦Ｐｒｏｂａｂの場合はＲａｎｄＰＳＤを出力値として採用し、それ以外は破棄する。
ここでＲａｎｄＣは、ＰＳＤ(i)をＰｒｏｂａｂの確率密度で出現するためにＰＳＤ生成値として採用するか／破棄するかの篩いとして使用される。
【００２４】
しかし、デジタル信号処理に使われるＩＦＦＴ処理は離散的な処理なので全ての周波数成分を漏れなく含む訳ではなく、位相が掻き混ざることによって欠落成分が埋め合わさる効果があるが、それでもある程度の欠落成分が発生するので、この正規分布ランダム時系列信号は擬似ランダムと呼ばれる。擬似ランダムから真のランダムを生成するためには次の処理を施す。
擬似ランダムのフレーム毎の時系列信号にハニング窓（Hanning Window）を乗じる処理を行う（ステップ５０３）。
ハニング窓が乗じられたランダム時系列信号を１／２フレーム毎のオーバーラップ合成する処理を行う（ステップ５０４）。
ハニング窓を乗じる処理と１／２フレーム毎のオーバーラップ合成する処理により時系列が交ぜ合わさり、被試験パターンとして定義されたＰＳＤパターン４０１を維持した真のランダム時系列信号が生成される（ステップ５０５）。
真のランダム時系列信号を目標時系列信号Ｔｔとして目標スペクトル生成部３０３に送り出す。
【００２５】
＜目標スペクトル生成部３０３＞
図１の目標スペクトル生成部３０３の詳細について図５を参照して説明する。
ランダム振動試験の制御を完全なものにするためにはＰＳＤパターンより生成された目標時系列Ｔｔ、応答信号より生成された応答時系列Ｒｔ及び駆動信号より生成された駆動時系列ＤｔからそれぞれのＦＦＴ処理により、被試験周波数帯域における分割された各周波数（Δｆ）ごとの振幅及び位相を求め、振幅及び位相を含めて制御する必要がある。
【００２６】
基本周波数ｆ0＝１／Ｔ、基本角周波数ω0＝２πｆ0とすると、時系列信号ｘ(t)とそのフーリエ変換Ｘnの間には
【００２７】
【数６】
2012103240.tif 000008
【００２８】
の関係があり、離散的フーリエ変換である  ＦＦＴの出力の実数成分ａと虚数成分ｂの間には
【００２９】
【数７】
2012103240.tif 000009
【００３０】
の関係がある。
（ａn−ｉｂn）はフーリエスペクトルと呼ばれ、位相成分を含み、フレーム毎に求められる。図５に示すように、目標時系列ＴｔをＦＦＴ変換して得られたフーリエスペクトルを目標瞬時フーリエスペクトル１０１１と呼び、目標瞬時フーリエスペクトル１０１１から計算により目標瞬時ＰＳＤ１０１２が、また目標瞬時ＰＳＤ１０１２に対する時間平均として目標平均ＰＳＤ１０１３が求められる。
目標瞬時フーリエスペクトル１０１１には振幅と位相成分が含まれるが、目標瞬時ＰＳＤ１０１２と目標平均ＰＳＤ１０１３には位相成分が含まれない。
目標瞬時フーリエスペクトル１０１１、目標瞬時ＰＳＤ１０１２、目標平均ＰＳＤ１０１３の集合体としての目標スペクトルＴｆを生成する。
【００３１】
＜応答スペクトル生成部３０４＞
図１の応答スペクトル生成部３０４の動作について図６を参照して説明する。
振動加振機装置３１０からの応答アナログ信号はＡＤ変換部３０９により応答時系列信号Ｒｔに変換され、応答スペクトル生成部３０４に送られる。
応答時系列信号Ｒｔも目標時系列信号Ｔｔと同時刻に、同様にフレーム毎に切り出した時系列信号をＦＦＴ処理し、被試験周波数帯域における分割された各周波数(Δf)ごとの振幅及び位相を求める。
図６に示すように、応答時系列信号ＲｔからＦＦＴ処理により応答瞬時フーリエスペクトル１０２１が計算され、応答瞬時フーリエスペクトル１０２１から計算により応答瞬時ＰＳＤ１０２２が、また応答瞬時ＰＳＤ１０２２に対する時間平均を計算して応答平均ＰＳＤ１０２３が求められる。
応答瞬時フーリエスペクトル１０２１には振幅と位相成分が含まれるが、応答瞬時ＰＳＤ１０２２と応答平均ＰＳＤ１０２３には位相成分が含まれない。
応答瞬時フーリエスペクトル１０２１、応答瞬時ＰＳＤ１０２２、応答平均ＰＳＤ１０２３の集合体としての応答スペクトルＲｆを生成する。
【００３２】
＜駆動スペクトル生成部３０５＞
図１の駆動スペクトル生成部３０５の動作について図７を参照して説明する。
振動加振機装置３１０の駆動信号として生成された駆動時系列信号ＤｔをＤＡ変換部３０８により駆動アナログ信号に変換される前段で分岐し、駆動スペクトル生成部３０５に送る。
駆動時系列信号Ｄｔも目標時系列信号Ｔｔや応答時系列信号Ｒｔと同時刻に、同様にフレーム毎に切り出した時系列信号をＦＦＴ処理し、被試験周波数帯域における分割された各周波数(Δf)ごとの振幅及び位相を求める。
図７に示す通り、駆動時系列信号ＤｔからＦＦＴ処理により駆動瞬時フーリエスペクトル１０３１が計算され、駆動瞬時フーリエスペクトル１０３１から計算により駆動瞬時ＰＳＤ１０３２が、また駆動瞬時ＰＳＤ１０３２に対する時間平均を計算して駆動平均ＰＳＤ１０３３が求められる。
駆動瞬時フーリエスペクトル１０３１には振幅と位相成分が含まれるが、駆動瞬時ＰＳＤ１０３２と駆動平均ＰＳＤ１０３３には位相成分が含まれない。
駆動瞬時フーリエスペクトル１０３１、駆動瞬時ＰＳＤ１０３２、駆動平均ＰＳＤ１０３３の集合体としての駆動スペクトルＤｆを生成する。
【００３３】
＜周波数系列処理部３０６＞
図１の周波数系列処理部３０６の詳細について図８を参照して説明する。
周波数系列処理部３０６の基本機能は、目標瞬時フーリエスペクトル１０１１にランダム試験を行う振動加振機装置３１０が持つ伝達特性(振幅・位相を含む伝達関数)の逆特性である逆伝達関数を乗じ、伝達特性の補正処理された駆動のためのフーリエスペクトル信号を生成することにより、目標時系列信号と応答時系列信号が一致し、結果として瞬時ＰＳＤ、平均ＰＳＤも一致する制御を実現させる処理である。
【００３４】
ランダム振動制御中、平均ＰＳＤ比較器１１０１によって、目標スペクトルＴｆの目標平均ＰＳＤ１０１３と、応答スペクトルＲｆの応答平均ＰＳＤ１０２３との差、平均ＰＳＤ補正ベクターＴＣｖをフレーム毎に計算する。
スペクトル補正ＰＩＤ制御器１１０２にて平均ＰＳＤ補正ベクターＴＣｖは目標スペクトルＴｆの平均ＰＳＤに加減算され、フレーム毎に平均ＰＳＤが補正された補正目標スペクトルＴｃを生成する。
スペクトル補正ＰＩＤ制御器１１０２は位相成分の補正としては働かないが、ＰＳＤの振幅補正として機敏な制御動作をする。
【００３５】
ランダム振動試験に当たっては、試験を実施する前に、振動加振機装置（試験体を含む）３１０の初期伝達関数を同定するか、もしくは試験開始の初期目標レベルから試験目標レベルに上昇させる過程で初期伝達関数を同定する。
初期伝達関数は図８の伝達関数計算器１１０４にて応答スペクトルＲｆの応答瞬時フーリエスペクトル１０２１と駆動スペクトルＤｆの駆動瞬時フーリエスペクトル１０３１との比から瞬時伝達関数を同定し、瞬時伝達関数の時間平均値である平均伝達関数を求め保存する。
ランダム振動試験中、振動加振機装置３１０の伝達特性に特性変化がなければ初期伝達関数を補正用伝達関数Ｇｆとして特性補正計算に使用し続ける。
【００３６】
伝達関数計算器１１０４には、平均伝達関数を更新し続ける機能がある。
振動加振機装置３１０の伝達特性が何らかの原因で特性変化し、ある設定値を超えた場合、伝達関数計算器１１０４の伝達関数修正変更機能により補正用伝達関数Ｇｆを変更・更新し、伝達関数の経時変化に対応する。
【００３７】
補正用伝達関数Ｇｆは逆伝達関数計算器１１０５により逆伝達関数ＩＧｆを生成する。
補正目標スペクトルＴｃの伝達関数補正計算は逆伝達関数ＩＧｆを使い、逆伝達関数乗算器１１０３にて補正計算を行い、振幅・位相が補正された駆動フーリエスペクトルＤｒを生成する。
【００３８】
複数の加振機（多軸）による同時ランダム振動試験制御の場合、補正用伝達関数Ｇｆは、一般に、図９に示すようなマトリックスにて表記される。
図９のマトリックス対角線上の成分Ｇ11，Ｇ22，Ｇ33，・・・，Ｇnnは自己の加振軸の伝達関数であり、成分Ｇ11，Ｇ22，Ｇ33，・・・，Ｇnn以外は干渉成分と呼ばれ、個々の加振軸の動作が干渉し、相互の伝達関数に影響し合う。
【００３９】
本発明による制御方式で干渉成分を含めた複数加振機(多軸)による同時ランダム振動試験の制御を行った場合、各軸の被試験ＰＳＤパターンに対するランダム時系列信号を予め生成し、それらの目標ランダム時系列信号を周波数空間のスペクトル信号に変換の後に、各軸の応答スペクトル信号が目標スペクトル信号と一致するよう干渉成分を含んだ伝達関数補正の制御演算が行われるため、制御精度のよい複数加振機(多軸)同時ランダム振動試験が可能となる。
本発明では特に、干渉成分に対する逆位相成分を積極的に加えることが可能なため、干渉成分が自己の加振軸の加振平均PSD値より大きくなっても安定な制御が可能となる。
【００４０】
＜時系列復号処理部３０７＞
図１の時系列復号処理部３０７の詳細について図１０を参照して説明する。
時系列復号処理部３０７の基本機能は、駆動のためのフーリエスペクトル信号をＩＦＦＴ変換（逆高速フーリエ変換）により周波数系列信号から時系列信号に復号化し、フレームとフレームの間が不連続な復号化された時系列信号にオーバーラップ処理を施し、連続的な時系列信号を生成する処理である。
【００４１】
時系列復号処理部３０７の制御サイクルは、ＩＦＦＴ変換１２０５とオーバーラップ合成１２０６の処理を除いて制御サンプリングクロック(制御帯域２ＫＨｚの場合５．１２Ｋ サンプル／秒)に同期して動作する。
ＩＦＦＴ変換１２０５とオーバーラップ合成１２０６の演算は時系列復号処理部３０７のバックグランド処理として動作し、演算は１フレームの処理時間内に完了する。
生成された駆動時系列信号Ｄｔはループバッファに蓄えられ、次の制御サイクルで使用する。
【００４２】
周波数系列での信号演算では、常に、ＦＦＴ演算論理が求める適正長（フレーム）の時系列信号に対して一括演算されるため、信号演算の結果からＩＦＦＴ変換（逆高速フーリエ変換）により求めた時系列信号はフレームとフレームの間が不連続となる。
時系列の信号は、本来、区分連続であることを前提として制御演算が行なわれるので、時系列信号の不連続性を除去するため、オーバーラップ合成１２０６にてオーバーラップ処理を行う。
本発明では１／２フレーム毎のオーバーラップ処理を行う。
【００４３】
フレーム毎の制御より短い時間間隔での時系列信号の制御を行うため、目標・応答時系列比較１２０１を設け、目標時系列Ｔｔと応答時系列Ｒｔを比較し、駆動時系列補正量Ｄｃを生成する。
オーバーラップ合成１２０６により生成された駆動第一次時系列Ｄｔｃは駆動時系列補正量Ｄｃにより時系列信号ＰＩＤ補正１２０８にてＰＩＤ補正され、駆動時系列Ｄｔを生成する。
駆動時系列Ｄｔの信号はＤＡ変換部３０８でアナログ信号に変換され、振動加振機装置３１０の駆動信号として出力する。
【００４４】
図１１は、本発明のランダム振動試験制御装置によるランダム振動試験の制御結果の時系列波形である。
図１１に示すように目標の時系列波形と応答の時系列波形が一致する。また、目標の時系列波形と応答の時系列波形が一致するように駆動信号が発せられている。
【００４５】
図１２Ｃは実際のフィールドデータから得られた各周波数毎のＰＳＤの平均値、標準偏差(σ)、歪度(ＳＫ)から各周波数におけるＰＳＤの確率密度分布関数を生成し、これを制御目標ＰＳＤパターンとして実際に加振して得られた制御結果データである。
各周波数毎に異なるＰＳＤの確率密度分布関数を与えた場合でも目標の平均ＰＳＤと応答のＰＳＤが合致するランダム制御が行われている。
図１２Ｄは図１２Ｃの周波数５．００ＨｚにおけるＰＳＤの頻度分布を計測したもので、制御目標値とよく合致し、確率密度分布関数に従ったランダム制御が行われている。
図１２Ｅは図１２Ｃの周波数４０．００ＨｚにおけるＰＳＤの頻度分布を計測したもので、制御目標値とよく合致し、確率密度分布関数に従ったランダム制御が行われている。
【００４６】
＜ハードウエア構成および動作＞
本発明によるランダム振動試験装置のハードウエア構成および動作について、図１３を用いて説明する。
ハードウエア構成の基本は、一般的な市販のオペレーティング・ソフトウエアが搭載された小型コンピュータ２１０１と小型コンピュータ２１０１の動作とは独立して、５１．２Ｋサンプル／秒の基本サンプリングクロックに完全に同期し動作する制御演算とアナログ信号の入出力変換を行うサブ機能装置２１０２とで構成する。
【００４７】
小型コンピュータ２１０１とサブ機能装置２１０２とは高速なデータ転送可能なＤＭＡ（Direct Memory access）回路２１０５を経由にして相互の情報交換を行う。
ＤＭＡ回路２１０５により、小型コンピュータ２１０１による単位データ毎の読み書き操作をすることなく、小型コンピュータ１２０１のハードウエア動作の間隙を縫って大量の信号データの相互転送を行う。
【００４８】
小型コンピュータ２１０１には演算制御部２１０３と多チャンネルＦＩＦＯ（first-in first-out）２１０４を設け、サブ機能装置２１０２にはループバッファ２１０６、演算制御部２１０７、ＡＤ/ＤＡ変換器２１０８を設ける。
【００４９】
小型コンピュータ２１０１の市販オペレーティング・ソフトウエアには実時間制御機能が搭載されていないので、小型コンピュータ２１０１はランダム振動試験制御装置に求められる実時間動作を行うことはできないが、動作速度はサブ機能装置２１０２にくらべて遥かに高速である。
サブ機能装置２１０２はＡＤ/ＤＡ変換器２１０８を含めて搭載された全ての機能ブロックが小型コンピュータ２１０１の動作とは独立して、サブ機能装置２１０２の内部から発振する５１．２ Ｋサンプル／秒の基本サンプリングクロックによって完全に同期して動作する。
小型コンピュータ２１０１とサブ機能装置２１０２は時間的に独立した非同期の動作を実行する。
【００５０】
本発明では小型コンピュータ２１０１の高速性を活用するために、実時間によるランダム振動制御の過程をサンプリングクロックに依存する処理と、サンプリングクロックに依存しない処理とに分割し、サンプリングクロックに依存する処理をサブ機能装置２１０２とサンプリングクロックに依存しない処理を小型コンピュータ２１０１とに実装することにより、ランダム振動試験装置の全体としての高速処理と実時間処理の両立を実現する。
【００５１】
小型コンピュータ２１０１はその高速性を生かし、ランダム振動制御の目標信号と駆動信号の一部を生成し、サブ機能装置２１０１の制御進行とは無関係に、多チャンネルＦＩＦＯ２１０４に対して先行書き込みを行う。
多チャンネルＦＩＦＯ２１０４には最大６０秒間の目標信号と駆動信号の一段階を先行蓄積する。
【００５２】
サブ機能装置２１０２には小型コンピュータ２１０１に搭載された多チャンネルＦＩＦＯ２１０４と同じ容量のループバッファ２１０６が搭載されている。
サブ機能装置２１０２はサンプリングクロックに同期してループバッファ２１０６から一つの信号を取り出して制御を実行するが、１フレーム分の制御が終了した時、ループバッファ２１０６に空きが出来たことを小型コンピュータ２１０１に通告する。
【００５３】
サブ機能装置２１０２のループバッファ２１０６に１フレーム分の空きが生じた時、小型コンピュータ２１０１内に先行蓄積された信号は、ＤＭＡ回路２１０５を利用して自動的にサブ機能装置２１０２内の空いたループバッファ２１０６領域に送る。
【００５４】
以上のべた通り、独自のタイミング速度で動作する小型コンピュータ２１０１と、サンプリングクロックに完全同期でＡＤ/ＤＡ処理を実行するサブ機能装置２１０２が互いに非同期に動作しても、ランダム振動試験装置の全体としてサンプリングクロックに完全同期した実時間制御が達成される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、工業製品に、使用環境下と同様のランダム振動を実験室内で与えることにより、工業製品の耐震性及び耐久性を評価するランダム振動試験制御装置として産業上広く利用可能なものである。
【符号の説明】
【００５６】
３００  ランダム振動試験制御装置
３０１  被試験ＰＳＤパターン
３０２  目標時系列生成部
３０３  目標スペクトル生成部
３０４  応答スペクトル生成部
３０５  駆動スペクトル生成部
３０６  周波数系列処理部
３０７  時系列復号処理部
３０８  ＤＡ変換部
３０９  ＡＤ変換部
３１０  振動加振機装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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