CN100588933C - 电液伺服振动台谐振抑制方法 - Google Patents

电液伺服振动台谐振抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种电液伺服振动台谐振抑制方法，利用信号发生器产生随机波信号，测得电液伺服振动台的频率特性曲线，找出其谐振峰的位置；自适应陷波器参考信号的频率为振动台谐振峰处的频率；电液伺服振动台的输入加速度信号与加速度响应信号作差得到一个误差信号；LMS自适应滤波算法根据误差信号实时在线调整自适应陷波器的权值，自适应陷波器的参考信号经过权值的加权作用得到自适应陷波器的输出信号，输出信号与振动台的加速度输入信号相加并作为振动台新的输入信号而作用于振动台。本发明易于用计算机数字控制实现，能在线实时实现对谐振峰的抑制，从而拓展振动台的频宽，提高功率谱复现的精度。

Description

电液伺服振动台谐振抑制方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种谐振抑制方法，具体地说是一种对电液伺服振动台的谐振峰进行自适应抑制的方法，属于机械工程领域。
(二)背景技术
振动是一种特殊的载荷，对于各类研究对象而言，振动存在于其运行方式和它的使用环境中。在运行过程中，振动激励主要来自该对象与其载体的相互作用，如车辆行进过程中车辆与地面相互作用的激励，舰船螺旋桨旋转和浪击作用的激励，航空航天器高速飞行中外壳与空气摩擦作用的激励等。此外，使用过程中振动来自于对象自身或安装区域的周期性机械运动或外界运动的激励，如发电机组转子运动对基座的激励，建筑物在地震波作用下产生的振动等。振动对于产品的正常工作与结构破坏影响极大，它能够造成紧固件的松动、间断电触点、带电元件间的接触和短路、密封失效、构件疲劳及断裂等非正常现象。特别是激振频率与设备的固有频率接近时的影响尤为强烈。
振动试验的目的在于确定所设计、制造的对象在运行和使用过程中在承受外界振动时不至受到破坏，并正常发挥其性能，达到预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统显得越来越重要。
液压系统具有功率重量比和力质量比大，响应快速，系统频带宽，刚度大，抗干扰能力强，误差小，精度高等优点。因此在大位移，大激振力的情况下使用电液式振动试验台比较多。电液振动台由电液伺服阀控制液压缸运动，产生周期性正弦振动或随机振动，频率在低频至500Hz，激振力达数百KN以上，台面负载达数十吨。可作大型结构或部件的模型和实物试验，易于自动控制和多台并激，结构牢固，抗横向负荷能力强，易实现大位移振动。设备复杂，价格高，对基础要求较严。可满足试验频率带在中、低频段的振动试验要求，适用于地震模拟及大结构试件的振动试验。
液压振动台中，由于被试件一般都为弹性负载，使得弹性负载与振动台系统之间存在耦合作用，使台面的频率特性在要求的频率范围内，出现谐振峰。由于被试件本身的特性，一般来说谐振峰的频率小于系统要求的频宽，否则即可将负载视为惯性负载；另一方面，在谐振峰处，其阻尼比一般也较小，在0.1～0.2之间。因此，会引起谐振峰的幅值超过要求的范围，严重时超出的范围较大。这一方面限制了电液伺服振动台频宽的拓展，另一方面也是引起功率谱复现控制误差超限的主要原因。从查到的文献和专利结果来看，目前国内外对电液伺服振动台谐振的抑制还没有人研究。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种易于用计算机数字控制实现，能在线实时实现对谐振峰的抑制，从而拓展振动台的频宽，提高功率谱复现的精度的电液伺服振动台谐振抑制方法。
本发明的目的是这样实现的：
1、利用信号发生器产生随机波信号，测得电液伺服振动台的频率特性曲线，从它的频率特性曲线中找出其谐振峰的位置；
2、自适应陷波器参考信号的频率为振动台谐振峰处的频率；
3、电液伺服振动台的输入加速度信号与加速度响应信号作差得到一个误差信号；
4、LMS自适应滤波算法根据误差信号实时在线调整自适应陷波器的权值，自适应陷波器的参考信号经过权值的加权作用得到自适应陷波器的输出信号，输出信号与振动台的加速度输入信号相加并作为振动台新的输入信号而作用于振动台。
自适应陷波器的权值经过几次实时在线迭代后，即可将电液伺服振动台的谐振峰大大抑制。
由于负载的弹性特性，导致电液伺服振动台在其频率特性范围内出现的谐振峰，本发明提出了利用自适应陷波器来自适应抑制电液伺服振动台的谐振峰。基于LMS自适应滤波算法，根据振动台的加速度响应信号来调整自适应陷波器的权值。本发明易于用计算机数字控制实现，能在线实时实现对谐振峰的抑制，从而拓展振动台的频宽，提高功率谱复现的精度。
(四)附图说明
图1是本发明的谐振抑制原理图；
图2是自适应陷波器结构图；
图3是电液伺服振动台自适应谐振峰抑制的原理图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
对电液伺服振动台的谐振峰进行自适应抑制的原理图如图1所示，具体步骤为：
1利用信号发生器1产生随机波信号测得电液伺服振动台的频率特性曲线，从它的频率特性曲线中可以获知其谐振峰的位置。
2自适应陷波器参考信号7的频率为振动台谐振峰处的频率。
3电液伺服振动台的输入加速度信号与加速度响应信号作差得到一个误差信号。
4LMS自适应滤波算法根据误差信号实时在线调整自适应陷波器6的权值。自适应陷波器6的参考信号7经过权值的加权作用得到自适应陷波器6的输出信号，输出信号与振动台的加速度输入信号相加并作为振动台新的输入信号而作用于振动台。
自适应陷波器的权值经过几次实时在线迭代后，即可将电液伺服振动台的谐振峰大大抑制。
LMS(least-mean-square，LMS，最小均方算法)是常用的自适应算法，用以调整自适应陷波器的权值。LMS自适应滤波算法可描述为：
O k = W k T X k ϵ k = d k - O k W k + 1 = W k + αϵ k X k
式中，W为自适应陷波器的权向量，O为自适应陷波器的输出，d为LMS自适应滤波算法的基本输入信号，X为自适应陷波器的参考信号，α为LMS自适应滤波算法的迭代步长，ε为LMS自适应滤波算法的误差信号。
均方误差是一个中间向下凹的抛物型曲面，是具有唯一最小值的函数。自适应过程就是自动调节权系数使均方误差达到最小的过程，相当于沿抛物型曲面往下搜索最低点。而LMS算法是一种迭代梯度下降算法，它利用均方误差梯度的估计值，求得最佳权向量，使均方误差为最小。εkXk代表均方误差负梯度的估计值，迭代步长参数α是一个控制稳定性和收敛速度的参数。
图2是自适应陷波器的结构图，自适应陷波器的零点在Z平面的单位圆上，从而在其幅频响应的相应频率处产生凹谷。误差信号10就是电液伺服振动台的输入加速度信号与加速度响应信号作差得到误差信号，用于调整自适应陷波器的权值。
图3是电液伺服振动台自适应谐振峰抑制的原理图。
结合图3，利用电液伺服振动台的输入信号发生器1产生随机波，测得系统的频率特性，获知振动台的谐振峰位置，设电液伺服振动台谐振峰处的频率为ω，从而得自适应陷波器参考信号7为sin(ωt)。相移器11将自适应陷波器的参考信号7相移90度得到cos(ωt)，从而得到自适应陷波器的输入信号X＝[sin(ωt)，cos(ωt)]；电液伺服振动台的输入加速度信号与加速度响应信号作差得到误差信号10，LMS自适应滤波算法利用误差信号10来实时在线调整自适应陷波器6的权值，自适应陷波器的输入信号X经过其权值的加权作用，得到自适应陷波器输出信号12。自适应陷波器输出信号12作为电液伺服振动台谐振峰的抑制量，它与振动台输入信号相加得到的信号作为振动台系统新的输入信号。自适应陷波器的权值经过几次迭代后，即可将电液伺服振动台的谐振峰大大抑制，从而使其幅值在要求的范围内。

Claims (1)

1、一种电液伺服振动台谐振抑制方法，其特征是：
利用电液伺服振动台的输入信号发生器(1)产生随机波，测得系统的频率特性，获知振动台的谐振峰位置，设电液伺服振动台谐振峰处的频率为ω，从而得自适应陷波器参考信号(7)为sin(ωt)；相移器(11)将自适应陷波器的参考信号(7)相移90度得到cos(ωt)，得到自适应陷波器的输入信号X＝[sin(ωt)，cos(ωt)]；电液伺服振动台的输入加速度信号与加速度响应信号作差得到误差信号(10)，LMS自适应滤波算法利用误差信号(10)来实时在线调整自适应陷波器(6)的权值，自适应陷波器的输入信号X经过其权值的加权作用，得到自适应陷波器输出信号(12)；自适应陷波器输出信号(12)作为电液伺服振动台谐振峰的抑制量，它与振动台输入信号相加得到的信号作为振动台系统新的输入信号。
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