CN101741318B - 正弦振动台失真度控制方法 - Google Patents

正弦振动台失真度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种失真度控制方法，具体地说是一种针对正弦振动台激励信号进行闭环反馈控制的方法，应用于测量与控制领域。本发明正弦振动台失真度控制方法通过分析振动台振动过程中的基频相位延迟和振动加速度谐波，利用谐波陷波算法计算反馈控制数字信号，将该反馈信号与振动台的输入数字信号相加作为振动台新的输入信号，并通过D/A转换后经功率放大器作用于振动台。本发明无需对振动台建模，控制方法简单可行，能快速抑制振动台的失真度，降低非线性因素的影响，提高波形精度，具有控制速度快、可移植性强的特点。

Description

正弦振动台失真度控制方法
技术领域
本发明涉及一种失真度控制方法，具体地说是一种针对正弦振动台激励信号进行闭环反馈控制的方法，应用于测量与控制领域。
背景技术
由于振动台自身的结构设计原理，其支撑弹簧，气隙间磁场强度等非线性因素、振动台的安装环境及负载等因素都会对振动台所产生的激励信号产生影响。振动台开环工作时，尤其是在低频及超低频大振幅激励下，其加速度波形失真度将达到10%，甚至更高，很难满足技术指标要求。因此标准振动台能否提供一个谐波失真最小的正弦振动激励信号，直接关系到振动信号的测量与校准精度，这就使振动台失真度控制方法的研究显得尤为重要。
现有振动台失真度控制方法主要有PID负反馈控制方法和重复控制方法。其中，PID负反馈控制方法是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节方法，该方法的实现需要分析振动台波形失真产生机理，测量相关参数，建立振动台数学模型。当环境发生改变时，振动台的实际模型会发生变化，控制性能会不同程度地下降，尤其对于建模误差较大时，会出现很大偏差。重复控制方法基于内模原理，加到被控对象的输入信号除了新的偏差外，还叠加了一个过去的偏差信号，该方法要通过多个周期的运行之后，才能提高系统的跟踪精度，这对于低频或超低频信号，其反馈控制时间较长，影响测量速度。
发明内容
本发明的目的：为解决现有技术振动台失真度控制方法建模难、误差较大、所需时间较长的问题，本发明提供了一种无需对振动台建模、且可实现快速控制的正弦振动台失真度闭环控制方法。
本发明的技术解决方案：一种正弦振动台失真度控制方法，其包括如下步骤：
步骤1由D/A产生正弦信号，经功率放大器驱动振动台振动，再经激光干涉仪干涉产生双路正交多普勒信号；
步骤2计算振动台振动基频相位延迟；
同步采集激光干涉仪的双路正交多普勒信号与D/A电路输出信号，对激光干涉多普勒信号进行相位展开，获得振动位移信号；将该振动信号与信号源信号进行相位比较，计算振动台基频相位延迟θd；
步骤3对振动台的振动信号进行谐波分析；
用正弦波三参数最小二乘拟合算法对振动台的振动位移信号进行拟合，先拟合出基波成份的幅值相位信息，再将原始数据去除基波成份，拟合出2次谐波的幅值相位信息，依此类推，拟合出n次谐波信息；
步骤4采用谐波陷波算法，找出谐波分量中幅值最大的两个谐波，其中最大谐波分量为k次，第二大谐波分量为j次，并通过谐波陷波补偿公式计算出为消除k次和j次谐波所需要的反馈信号量，两次谐波的反馈信号量之和为总反馈量计算信号反馈量；
步骤5将反馈量与振动台输入信号相加，产生新的输入信号经功率放大器驱动振动台振动；
步骤6重复步骤3至步骤5，直至将振动台的失真度控制在设定范围内。
所述振动信号为位移信号时，所述谐波陷波补偿公式为，
其中，Aok为谐波分析得到k阶次信号幅值，
Figure GDA00002905432900036
为k阶次位移信号相位，θd为振动基频相位延迟，θkd为振动k次谐波相位延迟，Cs为常数，k为自然数。
所述振动信号为速度信号时，所述谐波陷波补偿公式为，
Figure GDA00002905432900032
其中，Aovk为速度信号反馈谐波分析得到k阶次信号幅值，
Figure GDA00002905432900033
为k阶次速度信号相位，θd为振动基频相位延迟，θkd为振动k次谐波相位延迟，Cv为常数，k为自然数。
所述振动信号为加速度信号时，所述谐波陷波补偿公式为，
Figure GDA00002905432900034
其中，Aoak为加速度信号反馈谐波分析得到k阶次信号幅值，
Figure GDA00002905432900035
为k阶次加速度信号相位，θd为振动基频相位延迟，θkd为振动k次谐波相位延迟，Ca为常数，k为自然数。
所述步骤2进一步包括同步采集振动激光多普勒信号与振动台输入信号，对激光干涉多普勒信号进行相位展开，获得振动信号，将测得的振动信号与振动台输入信号进行相位比较，从而计算出振动台振动基频相位延迟。
所述步骤4中谐波陷波算法计算信号反馈量的过程为：首先判断振动信号主要谐波分量的谐波次数，其次通过查找表获得该谐波频率的振动台相位延迟，然后，采用谐波陷波补偿公式计算反馈信号的相位值，从而确定反馈信号量。
本发明的原理：将功率放大器、振动台、激光干涉仪与解调作为一个整体系统H来分析。对于该系统H，假设输入x(t)=Asin(ωt)时，其位移解调输出信号如式(1)所示。
Figure GDA00002905432900042
Figure GDA00002905432900043
式中，Ao1，Ao2……Aon为谐波分析得到各阶次信号幅值，
Figure GDA00002905432900045
为各阶次信号相位。
考虑到振动台输出与输入之间存在延迟信号，则可表示为如式(2)所示。
Figure GDA00002905432900046
Figure GDA00002905432900047
θd为振动基频相位延迟。
为了消除y(t)的k次谐波，则在新的输入信号中加入反馈信号
Figure GDA00002905432900048
此时输出为如式(3)所示。
Figure GDA00002905432900049
Figure GDA000029054329000410
Figure GDA000029054329000411
Figure GDA000029054329000412
由式(3)可知，若要消除谐波，必须使基频的谐波响应与谐波的基频响应相等。因此，可以得到反馈信号相位如式(4)所示。
Figure GDA00002905432900051
故用位移信号反馈的k次谐波反馈量计算公式如式(5)所示。
Figure GDA00002905432900052
已知位移信号，可以通过一次求导的方式求得速度，二次求导的方式求得加速度。则其速度与加速度信号可表示为
Figure GDA00002905432900054
Figure GDA00002905432900055
Figure GDA00002905432900056
Figure GDA00002905432900057
Figure GDA00002905432900058
由于位移信号相位
Figure GDA00002905432900059
与速度信号相位
Figure GDA000029054329000510
及加速度信号相位
Figure GDA000029054329000511
之间存在如下关系：
Figure GDA000029054329000512
Figure GDA000029054329000513
因此，用速度、加速度信号反馈的k次谐波反馈量计算公式分别如式(10)、式(11)所示。
Figure GDA000029054329000514
Figure GDA000029054329000515
式中Cv、Ca为一常数。
本发明的有益效果：本发明基于谐波陷波原理的正弦振动台失真度控制方法通过分析振动台振动过程中的基频相位延迟和振动加速度谐波，利用谐波陷波算法计算反馈控制数字信号，将该反馈信号与振动台的输入数字信号相加作为振动台新的输入信号，从而不需要分析振动台的数学模型及各种影响参量，即可以快速、有效地补偿并抑制加速度波形谐波失真度。该方法实现简单，可移植性强，是非常实用的振动台失真度控制方法，尤其在低频或超低频测量与控制应用效果明显。
附图说明
图1是本发明本发明正弦振动台失真度控制方法第一实施方式的原理框图；
图2是本发明本发明正弦振动台失真度控制方法第一实施方式中激光干涉仪的双路正交多普勒时域信号；
图3是本发明本发明正弦振动台失真度控制方法第三实施方式有无反馈时振动台台面加速度时域信号的比较示意图，
图3a是图3中不加反馈时振动台台面加速度时域信号；
图3b是图3中加反馈后的振动台台面加速度时域信号；
其中，1-D/A电路、2-功率放大器、3-振动台、4-激光干涉仪、5-数据采集器、6-控制算法模块、7-激光多普勒信号相位展开、8-谐波计算、9-反馈量计算、10-加法器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明：
请参阅图1，其是本发明正弦振动台失真度控制方法第一实施方式的原理框图。本实施方式中，本发明正弦振动台失真度控制方法所对应的控制系统由D/A电路1、功率放大器2、振动台3、激光干涉仪4、数据采集器5、控制算法模块6与加法器10组成。其中，所述D/A电路1一端与加法器10，另一端分别与功率放大器2和数据采集器5相接，所述功率放大器2、振动台3、激光干涉仪4以及数据采集器5依次相接，所述数据采集器5经控制算法模块6后与加法器10相连。而所述控制算法模块6包括顺次相连的激光多普勒信号相位展开7、谐波计算8与谐波陷波法反馈量计算9。其中，所述谐波计算8采用正弦波三参量最小二乘拟合算法拟合出谐波信息，所述谐波陷波法控制是通过分析振动台输出信号的谐波成份，将其主要谐波成份负反馈回振动台的驱动信号源，进行谐波补偿与抑制，达到降低振动台输出波形失真度的目的。
本实施方式中，所述功率放大器2、振动台3、激光干涉仪4与解调作为一个整体系统H来分析，其输入为x(t)=Asin(ωt)，其位移解调输出信号如式(1)所示。
Figure GDA00002905432900072
Figure GDA00002905432900073
式中，Ao1，Ao2……Aon为谐波分析得到各阶次信号幅值，
Figure GDA00002905432900074
Figure GDA00002905432900075
为各阶次信号相位。
考虑到振动台3输出与输入之间存在延迟信号，则可表示为如式(2)所示。
Figure GDA00002905432900076
Figure GDA00002905432900077
θd为振动基频相位延迟。
为了消除y(t)的k次谐波，本实施方式中，在新的输入信号中加入反馈信号
Figure GDA00002905432900081
此时振动台3的输出为如式(3)所示。
Figure GDA00002905432900082
Figure GDA00002905432900083
Figure GDA00002905432900084
Figure GDA00002905432900085
Figure GDA00002905432900086
由式(3)可知，若要消除谐波，必须使基频的谐波响应与谐波的基频响应相等，因此从而可以得到反馈信号相位如式(4)所示。
Figure GDA00002905432900088
故用位移信号反馈的k次谐波反馈量计算公式如式(5)所示。
Figure GDA00002905432900089
然后将式(5)所得到的正弦谐波反馈量重新经D/A电路后负反馈回到振动台的驱动信号源，以消除谐波，从而降低振动台输出波形失真度。
其具体实现步骤如下：
步骤1：将初始正弦信号源数字序列由D/A电路1转换为模拟信号，再经功率放大器2放大后驱动振动台3振动，再经激光干涉仪4干涉产生双路正交多普勒信号；
步骤2：信号的相位展开，同步采集激光干涉仪4的双路正交多普勒信号与D/A电路1输出信号，对激光干涉多普勒信号进行相位展开7，获得振动位移信号；将该振动信号与信号源信号进行相位比较，计算振动台基频相位延迟θd；
步骤3：谐波计算，用正弦波三参数最小二乘拟合算法对振动台的振动位移信号进行拟合，先拟合出基波成份的幅值相位信息，再将原始数据去除基波成份，拟合出2次谐波的幅值相位信息，依此类推，拟合出n次谐波信息，从而获得振动位移信号的数学表达式如式(1)所示；
步骤4：计算谐波反馈量，找出谐波分量中幅值最大的两个谐波，其中最大谐波分量为k次，第二大谐波分量为j次，则根据式(5)可计算出为消除k次和j次谐波所需要的反馈信号量，两次谐波的反馈信号量之和为总反馈量；
步骤5，将总反馈量叠加到信号源，产生新的信号源驱动振动台振动；
步骤6，重复步骤3～步骤5，直至将振动台的失真度控制在设定范围内。
本实施方式中，通过对振动台的振动位移信号进行拟合，得到其谐波信息，在计算得到谐波反馈量，并将所计算得到的谐波反馈量经加法器重新输入，从而抑制或消除谐波的影响，降低失真度。所述正弦振动台失真度控制方法不需要分析振动台的数学模型及各种影响参量，即可以快速、有效地补偿并抑制加速度波形谐波失真度，具有实现简单，可移植性强的特点，具有较大实际应用价值。
本发明正弦振动台失真度控制方法第二实施方式与第一实施方式相似，只是其所采取的谐波反馈量是速度信号，由于位移信号已知，因此通过一次求导就可以得到速度。
此时，与第一实施方式的位移信号相似，本实施方式中，速度输入可以表示为
Figure GDA00002905432900101
Figure GDA00002905432900103
且由于位移信号相位
Figure GDA00002905432900104
与速度信号相位
Figure GDA00002905432900105
之间的关系可以式(8)表示，
因此速度信号反馈的k次谐波反馈量具有式(10)的形式，
Figure GDA00002905432900107
因此本实施方式中，通过对振动位移信号进行求导，计算其速度信号，用最小二乘法计算速度信号基波与谐波信息，获得其数学表达式如式(6)所示，再根据式(10)计算出反馈信号量进行反馈，使振动台的失真度控制在设定范围内。
本发明正弦振动台失真度控制方法第三实施方式与第一实施方式相似，只是其所采取的谐波反馈量是加速度信号，由于位移信号已知，因此通过二次求导就可以得到加速度。
此时，与第一实施方式的位移信号相似，本实施方式中，所求的加速度输入可以表示为
Figure GDA00002905432900109
且由于位移信号相位
Figure GDA000029054329001011
与加速度信号相位
Figure GDA000029054329001012
之间的关系可以式(9)表示，
Figure GDA00002905432900111
因此速度信号反馈的k次谐波反馈量具有式(11)的形式，且式中Cv为常数
Figure GDA00002905432900112
因此本实施方式中，通过对振动位移信号进行求导，计算其速度信号，用最小二乘法计算速度信号基波与谐波信息，获得其数学表达式如式(6)所示，再根据式(10)计算出反馈信号量进行反馈，使振动台的失真度控制在设定范围内。
Figure GDA00002905432900113
Figure GDA00002905432900114
Figure GDA00002905432900115
由于位移信号相位与速度信号相位
Figure GDA00002905432900117
及加速度信号相位
Figure GDA00002905432900118
之间存在如下关系：
Figure GDA00002905432900119
Figure GDA000029054329001110
因此，用速度、加速度信号反馈的k次谐波反馈量计算公式分别如式(10)、式(11)所示。
Figure GDA000029054329001111
式中Ca为一常数。
本实施方式中，通过对振动位移信号进行二次求导，计算其加速度信号，用最小二乘法计算加速度信号基波与谐波信息，获得其数学表达式如式(7)所示，再根据式(11)计算出反馈信号量进行反馈，使振动台的失真度控制在设定范围内。
综上所述本发明基于谐波陷波原理的正弦振动台失真度控制方法，通过对振动位移信号进行求导，计算其速度信号，用最小二乘法计算速度信号基波与谐波信息，再计算出反馈信号量并通过加法器作为新的输入进行反馈，使振动台的失真度控制在设定范围内。本发明基于谐波陷波原理的正弦振动台失真度控制方法实现简单，可移植性强，可以快速、有效地补偿并抑制加速度波形谐波失真度，具有较大的实际应用价值，特别是在低频或超低频测量与控制应用效果更为明显。

Claims (6)

1.一种正弦振动台失真度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1由D/A产生正弦信号，经功率放大器驱动振动台振动，再经激光干涉仪干涉产生双路正交多普勒信号；
步骤2计算振动台振动基频相位延迟；
同步采集激光干涉仪的双路正交多普勒信号与D/A电路输出信号，对激光干涉多普勒信号进行相位展开，获得振动位移信号；将该振动信号与信号源信号进行相位比较，计算振动台基频相位延迟θd；
步骤3对振动台的振动信号进行谐波分析；
用正弦波三参数最小二乘拟合算法对振动台的振动位移信号进行拟合，先拟合出基波成份的幅值相位信息，再将原始数据去除基波成份，拟合出2次谐波的幅值相位信息，依此类推，拟合出n次谐波信息；
步骤4采用谐波陷波算法，找出谐波分量中幅值最大的两个谐波，其中最大谐波分量为k次，第二大谐波分量为j次，并通过谐波陷波补偿公式计算出为消除k次和j次谐波所需要的反馈信号量，两次谐波的反馈信号量之和为总反馈量计算信号反馈量；
步骤5将反馈量与振动台输入信号相加，产生新的输入信号经功率放大器驱动振动台振动；
步骤6重复步骤3至步骤5，直至将振动台的失真度控制在设定范围内。
2.根据权利要求1所述的正弦振动台失真度控制方法，其特征在于：所述振动信号为位移信号时，所述谐波陷波补偿公式为，
Figure FDA00002905432800026
其中，Aok为谐波分析得到k阶次信号幅值，
Figure FDA00002905432800022
为k阶次位移信号相位，θd为振动基频相位延迟，θkd为振动k次谐波相位延迟，Cs为常数，k为自然数。
3.根据权利要求1所述的正弦振动台失真度控制方法，其特征在于：所述振动信号为速度信号时，所述谐波陷波补偿公式为，
Figure FDA00002905432800027
其中，Aovk为速度信号反馈谐波分析得到k阶次信号幅值，
Figure FDA00002905432800024
为k阶次速度信号相位，θd为振动基频相位延迟，θkd为振动k次谐波相位延迟，Cv为常数，k为自然数。
4.根据权利要求1所述的正弦振动台失真度控制方法，其特征在于：所述振动信号为加速度信号时，所述谐波陷波补偿公式为，
Figure FDA00002905432800028
其中，Aoak为加速度信号反馈谐波分析得到k阶次信号幅值，
Figure FDA00002905432800029
为k阶次加速度信号相位，θd为振动基频相位延迟，θkd为振动k次谐波相位延迟，
Ca为常数，k为自然数。
5.根据权利要求1至4任一项所述的正弦振动台失真度控制方法，其特征在于：所述步骤2进一步包括同步采集振动激光多普勒信号与振动台输入信号，对激光干涉多普勒信号进行相位展开，获得振动信号，将测得的振动信号与振动台输入信号进行相位比较，从而计算出振动台振动基频相位延迟。
6.根据权利要求5所述的正弦振动台失真度控制方法，其特征在于：所述步骤4中谐波陷波算法计算信号反馈量的过程为：首先判断振动信号主要谐波分量的谐波次数，其次通过查找表获得该谐波频率的振动台相位延迟，然后，采用谐波陷波补偿公式计算反馈信号的相位值，从而确定反馈信号量。
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