CN101126919A - 一种振动控制装置及振动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应逆控制的振动控制装置及相应的振动控制方法，可以提高控制仪的控制速度和实现多点振动控制及波形再现。振动控制装置包括有显示及控制单元、计算处理单元、数据采集单元、振动信号发生单元和与其输出信号连接的控制对象，计算处理单元以DSP处理器为核心，与一个现场可编程门阵列FPGA双向信号连接，控制对象的输出连接数据采集单元的输入；计算处理单元包括有分别用于建立和修正控制对象振动信号的两个自适应滤波器；通过这两个自适应滤波器，利用AP－NLMDF－CD算法离线建立控制对象的正模型(Z)和逆模型(Z)，并以迭代误差最小作为评价准则进行在线修正，使控制对象的输出不断逼近作为参考的时域输入信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于振动试验的振动控制装置及相应的振动控制方法。
背景技术
振动试验设备主要用于模拟结构振动工作环境，可以检验产品的设计、生产、工艺是否符合振动工作环境的使用要求。近年来，随着航空、航天、军事装备、各民用行业对产品性能以及可靠性要求的不断提高，对环境振动试验模拟的要求越来越高。其试验方法也从以前的正弦试验逐步发展到随机试验、正弦加随机、随机加随机、冲击试验，以满足不同应用以及科学研究领域的需要。
振动控制装置是环境振动设备的核心。传统的振动控制装置以实现振动台的正弦扫频和随机振动控制为主，正弦扫频主要采用PID(比例积分微分)控制，随机振动控制方法主要在频域中进行控制，如自功率谱或传递函数法。随着产品设计引入的新观念，人们希望在振动台上能产生与产品结构在实际工作环境中相近的时域波形，即波形再现。传统的频域控制法难以实现这一任务，这是因为频域控制法每次比较完功率谱之后，都要重新进行相位随机化产生新的时域波形，不能直接比较时域下的波形。同时传统的频域控制法需要根据输入的参考谱的不同而重新调整参数，如果对相同的被控对象施以不同的参考谱时，每次都要有一个控制其收敛以致稳定的过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题旨在克服现有频域控制法所存在的无法进行波形再现，以及稳定过程较缓慢的问题，提供一种基于自适应逆控制的振动控制装置及相应的振动时域控制方法，可以提高控制仪的稳定速度和实现多点振动控制及波形再现。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种振动控制装置，包括有显示及控制单元、计算处理单元、数据采集单元、振动信号发生单元和与其输出信号连接的控制对象，所述的计算处理单元以DSP处理器为核心，与一个现场可编程门阵列FPGA双向信号连接，所述控制对象的输出连接数据采集单元的输入，其特征在于，所述的计算处理单元包括有分别用于建立和修正控制对象振动信号的两个自适应滤波器；所述的现场可编程门阵列FPGA通过一个微控制器MCU输出时序控制信号连接振动信号发生单元，同时通过该微控制器MCU连接数据采集单元输出的采样信号。
上述方案中，所述的振动信号发生单元包括一个与数据采集单元共用的微控制器MCU、数模转换器DA、一个正弦信号产生模块DDS、一个低通滤波器和一个程控放大器，数模转换器DA与程控放大器采用级联方式进行信号输出；所述的数据采集单元包括一个与振动信号发生单元共用的微控制器MCU、一个模数转换器AD、一个含有程控运放的调理电路和其前端的一个抗混叠滤波器，模数转换器AD与调理电路采用级联方式进行信号采集输入。
本发明装置的优点是，振动信号发生单元和数据采集单元均采用级联的方式可以有效利用数模转换器/模数转换器的带宽，提高控制装置的动态范围。数据采集单元与振动信号发生单元共用一个微控制器来控制，可实现数据发送与数据采集的同步，保证振动控制装置的自适应逆控制方法的实现。本发明振动控制装置可用于电动振动台、液压振动台、电动激振器、液压激振器、压电作功器等设备的控制，完成结构的振动实验。
一种基于上述振动控制装置的振动控制方法，包括下述两个步骤：
步骤1：离线建立模型环节，首先，计算处理单元计算产生一个随机振动信号，通过振动信号发生单元驱动控制对象振动；然后通过数据采集单元将波形采集回来，送回至计算处理单元，该送回的信号与计算处理单元已有的样本时域信号一起输入至计算处理单元的第一自适应滤波器，经过5000-10000次迭代计算，以迭代误差最小作为评价准则，得到近似于控制对象的真实传递函数P(Z)的正模型P(Z)，将P(Z)复制，经过第二自适应滤波器通过同样的迭代计算得到控制对象的逆模型
，离线建立模型环节完成；
步骤2：在线修正环节，首先，将计算处理单元已有的时域输入信号与步骤1得到的控制对象的复制的逆模型
做卷积，然后送入振动信号发生单元驱动控制对象，通过数据采集单元采集回振动波形；将控制对象当前逆模型
的信号与采集回来的信号输入到第一自适应滤波器进行一次迭代修正；得到修正后的
并将该修正的
复制，然后将时域输入信号与复制的
送入第二自适应滤波器，得到新的控制对象的逆模型
，完成一次循环；重复以上过程，即不断地在线修正控制对象的正模型
和逆模型
的过程，使得系统迭代总误差最小，由于
模型和
逆模型互逆，使控制对象的输出不断逼近作为参考的时域输入信号。
上述方法中，所述的迭代计算的表达式为：
其中，ei为每次迭代后的误差；di为信号的参考输出；wi为滤波器的系数；xi为输入信号，R为输入信号xi组成的期望矩阵；各参数取值：ρ＞1，α＝0.9～0.99，r≥10～100g。
本发明方法的优点是，建立模型环节采用离线建模的方式，这样可以加快控制装置从开始到稳定的时间。在线修正和建立模型时都采用了AP-NLMDF-CD算法(交互式投影的非线性多自由度算法)，可以实现振动波形在时域下的逐点模拟。同时在被控对象不变的情况下稳定速度也会比传统的频域控制方法快。控制精度也会比传统的频域控制方法高。
附图说明
图1为本发明的振动控制装置的结构框图。
图2为本发明的振动控制方法的流程图。其中图2(a)是离线建立模型环节，图2(b)是在线修正环节。
图3为本发明方法的控制波形图。其中，图3(a)为离线建模时的波形图；图3(b)为在线修正时的波形图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的硬件电路包括显示及控制单元1、计算处理单元2、数据采集单元3、振动信号发生单元4。计算处理单元2以DSP处理器为核心，通过一个现场可编程门阵列FPGA配合时序来控制振动信号发生单元4。信号发生单元4的输出连接控制对象5的功放电路到振动台；数据采集单元3的输入连接控制对象5的传感器及电荷放大电路，数据采集单元3的输出连接FPGA的输入端。
振动信号发生单元4包括一个与数据采集单元3共用的微控制器MCU、一个双端口随机存储器RAM2、一个数模转换芯片D/A、一个正弦信号产生模块DDS、一个有源低通滤波器和一个程控放大器，数模转换器DA与程控放大器采用级联方式进行信号输出。振动信号发生单元4可以产生正弦波、随机波模拟信号。双端口RAM2存储D/A所需要转换的数据。为防止数据在输出时被改变，存取时采用乒乓工作方式，即D/A使用数据块A时，MCU2将新的数据写入数据块B区；当D/A使用数据块B时，MCU2将数据写入A区。转换芯片D/A定时地将随机波形的数据转换成模拟信号。DDS可以根据MCU2发出的频率和幅值，可产生我们需要的正弦波。有源低通滤波器采用经典的二阶低通滤波器，根据振动台的指标选择截止频率，以平滑输出波形。MCU2负责逻辑和时序的处理工作。程控放大器通过与DA级联的方式增加了控制装置输出的分辨力，提高控制装置控制的动态范围。
数据采集单元3包括一个与振动信号发生单元4共用的微控制器MCU、一个双端口RAM1、一个模数转换芯片A/D、一个含程控运放的调理电路和一个抗混叠滤波器，模数转换器AD与调理电路采用级联方式进行信号采集输入。抗混叠滤波器可以将输入的波形进行滤波，不仅将A/D采样的奈奎斯特频率以外的频率分量滤除，还可以消除噪声。转换芯片A/D定时的将输入波形转换成数字信号，送入到双端口RAM2中，经过微控制器MCU1，通过FPGA返回给计算处理单元2。
计算处理单元2主要用于处理自适应逆控制方法，它由一块TI公司的TMS320F2812处理芯片DSP及相关外设SRAM(静态随机存储器)和通讯接口(串口，USB接口)组成。通过串口和USB接口，接入到PC机或工控机组成的显示及控制单元1来进行人机界面的控制。人机交互界面可完成参数设置，数据传递，图形显示等功能。DSP处理器包括有分别用于建立和修正控制对象5振动信号的两个自适应滤波器。
如图2所示，本发明的振动控制方法为自适应逆控制法，其包括离线建立模型和在线修正两部分。其中图(a)是离线建立模型框图，图(b)是在线修正框图。为了提高控制装置的速度，避免产生过大误差，本发明采用了离线建模和在线修正相结合的方法。以下予以详细描述：
步骤1：离线建立模型环节。首先，计算处理单元2计算产生一个含有各个频率分量的随机信号，通过振动信号发生单元4驱动控制对象5振动；通过数据采集单元3将波形采集回来送回至计算处理单元2。该信号与计算处理单元2已有的样本时域信号一起输入至自适应滤波器I，经过若干次迭代计算(视收敛因子而定，一般选取5000-10000次，)，以迭代误差最小作为评价准则，可以得到近似于控制对象5的冲击响应P(Z)的一组参数，将
复制到逆模型建立环节，经过自适应滤波器II以同样的迭代计算方法可以求出控制对象5的逆模型
，离线建立模型环节完成。
步骤2：在线修正环节。首先，将计算处理单元2已有的时域输入信号与步骤1得到的控制对象的逆模型
做卷积，然后送入振动信号发生单元4，驱动控制对象5；通过数据采集单元3采集回振动波形。此时，由于时域输入信号先后通过控制对象5的逆模型
和控制对象5本身，这两个环节本身的传递函数互逆，则此时采集的信号近似等于时域输入信号，这也是自适应逆控制方法名称的由来。为了控制逆模型
的准确程度，此环节中也按照步骤1离线建立模型环节的方法，加入了模型的校正环节。首先将通过控制对象5逆模
的信号与采集回来的信号输入到自适应滤波器I进行一次迭代；然后时域输入信号与它通过修正后的模型
复制后的信号送入自适应滤波器II，求出新的控制对象的逆模型
，完成一次循环。该控制过程实质上是一个不断地在线修正控制对象的正模型
和逆模型
的过程。使得系统迭代计算的总误差最小。由于
模型和逆模型互逆，使控制对象5的输出不断逼近作为参考的时域输入信号。
为实现该控制方法，本发明采用AP-NLMDF-CD算法，用于建立系统的传递模型。该算法其基本思想是将长度为N的自适应滤波器分裂为长度为2的子滤波器组合，在每一个采样时刻，依次对每个子滤波器采用非线性多自由度算法进行迭代，同时在非线性多自由度算法中引入比例阻尼。使每个模态阻尼均处于临界阻尼，从而使每个模态在临界阻尼下能够快速收敛。其算法表达式如下：
其中，ei为每次迭代后的误差；di为信号的参考输出；wi为滤波器的系数；xi为输入信号，R为输入信号xi组成的期望矩阵，μ为收敛因子，yi为输出，ξi为均方误差，g为广义重力常数；各参数取值：ρ＞1，α＝0.9～0.99，r≥10～100g。
与传统的传递函数法相比，自适应逆控制调整的是模型的参数。而模型的参数一般情况下是不随时间改变或者仅仅是缓慢改变的。在这种控制方式下，可以实现正弦，随机振动控制以及振动波形再现。
本发明通过计算处理单元2中的自适应滤波器I，利用AP-NLMDF-CD算法自学习离线建立了控制对象5的传递函数
，即正模型，在得到正模型
的基础上，以迭代误差最小作为评价准则，再通过自适应滤波器II，利用AP-NLMDF-CD算法建立被控对象5的逆模型
。由于
模型和
逆模型互逆，从而可使控制对象5的输出不断逼近作为参考的时域输入信号。
如图3(a)所示，以正弦振动控制为例，图中的参考信号即为图2(a)中的样本时域信号；开环时输出波形为振动台实际的输出信号，由数据采集单元3采集得到；离线建模信号为通过自适应滤波器I、II迭代后的输出信号，可以看出随着迭代次数的增加，离线建模信号与参考信号的误差逐渐变小。
如图3(b)所示，参考信号即图2(b)中的时域输入信号，闭环后输出波形为振动台实际的输出信号，从图中可得参考信号与闭环后输出波形相对误差为0.75％，即0.066dB，满足正弦控制误差小于1dB的要求。开环时的输出波形与图3(a)一致，在图3(b)中与闭环后输出波形做对比：从图中可以看出，闭环后输出波形与参考信号基本重叠，不仅可以控制幅值，还可以控制相位的偏差，从而实现波形的时域再现。
Claims (5)
1.一种振动控制装置，包括有显示及控制单元、计算处理单元、数据采集单元、振动信号发生单元和与其输出信号连接的控制对象，所述的计算处理单元以DSP处理器为核心，与一个现场可编程门阵列FPGA双向信号连接，所述控制对象的输出连接数据采集单元的输入，其特征在于，所述的计算处理单元包括有分别用于建立和修正控制对象振动信号的两个自适应滤波器；所述的现场可编程门阵列FPGA通过一个微控制器MCU输出时序控制信号连接振动信号发生单元，同时通过该控制器MCU连接数据采集单元输出的采样信号。
2.根据权利要求1所述的振动控制装置，其特征在于，所述的振动信号发生单元包括一个与数据采集单元共用的微控制器MCU、一个数模转换器DA、一个正弦信号产生模块DDS、一个低通滤波器和一个程控放大器，数模转换器DA与程控放大器采用级联方式进行信号输出。
3.根据权利要求1所述的振动控制装置，其特征在于，所述的数据采集单元包括一个与振动信号发生单元共用的微控制器MCU、一个模数转换器AD、一个含有程控运放的调理电路和其前端的一个抗混叠滤波器，模数转换器AD与调理电路采用级联方式进行信号采集输入。
4.一种权利要求1所述振动控制装置的振动控制方法，其特征在于，包括下述两个步骤：
步骤1：离线建立模型环节，首先，计算处理单元计算产生一个随机振动信号，通过振动信号发生单元驱动控制对象振动；然后通过数据采集单元将波形采集回来，送回至计算处理单元，该送回的信号与计算处理单元已有的样本时域信号一起输入至计算处理单元的第一自适应滤波器，经过5000-10000次迭代计算，以迭代误差最小作为评价准则，得到近似于控制对象的真实传递函数P(Z)的正模型
，将
复制，经过第二自适应滤波器通过同样的迭代计算得到控制对象的逆模型
，离线建立模型环节完成；
步骤2：在线修正环节，首先，将计算处理单元已有的时域输入信号与步骤1得到的控制对象的复制的逆模型做卷积，然后送入振动信号发生单元驱动控制对象，通过数据采集单元采集回振动波形；将当前逆模型
的信号与控制对象采集回来的信号输入到第一自适应滤波器进行一次迭代修正；得到修正后的
并将该修正的
复制，然后将时域输入信号与复制的
送入第二自适应滤波器，得到新的控制对象的逆模型
，完成一次循环；重复以上过程，即不断地在线修正控制对象的正模型
和逆模型
的过程，使得系统迭代总误差最小，由于
模型和
逆模型互逆，使控制对象的输出不断逼近作为参考的时域输入信号。
5.根据权利要求4所述的振动控制方法，其特征在于，所述的迭代计算的表达式为：
其中，ei为每次迭代后的误差；di为信号的参考输出；wi为滤波器的系数；xi为输入信号，R为输入信号xi组成的期望矩阵；各参数取值：ρ＞1，a＝0.9～0.99，r≥10～100g。
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