CN103399489A - 一种电液加速度伺服系统的波形再现控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液加速度伺服系统的波形再现控制方法，包括以下步骤：将加速度参考信号作为线性卷积的输入信号；计算电液加速度伺服系统的阻抗；进行逆傅里叶变换；利用重叠相加法计算两个信号的线性卷积；将线性卷积的输出信号作为电液加速度伺服系统和阻抗计算的输入信号。本发明的所有步骤均可以通过软件编程实现，具有更高的实时性。本发明通过G₂(f)除以G₁(f)直接在线计算电液加速度伺服系统的阻抗，不需要通过频率响应函数求取电液加速度伺服系统的阻抗。本发明通过重叠相加法实现对加速度参考信号的实时在线补偿，使得电液加速度伺服系统的输出信号能够高精度的再现参考信号，提高了波形再现振动模拟实验的控制精度。

Description

一种电液加速度伺服系统的波形再现控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械领域的振动模拟实验方法，特别是一种电液加速度伺服系统的波形再现控制的方法。

背景技术

振动环境模拟试验是现代工程技术中一项基本的试验手段，目前被广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、核工业等国防工业领域和汽车、建筑等民用工业部门。通过在实验室再现试件或结构在使用过程中的振动环境条件，以考核试件在振动环境下保持其原有性能的能力，研究其结构可靠性和操纵可靠性，为试件的性能测试和技术改进提供重要的实验依据。

振动模拟实验从实验类型角度可分为随机振动、正弦振动和波形再现三种.随机振动常用于进行被试件的可靠性评估,正弦振动常用于被试件模态参数的辨识.对于类似爆炸、冲击或地震等振动环境，其振动信号多为脉冲波形或长时间的时域波形。对于这种振动，必须采用波形再现振动实验进行模拟。

电液加速度伺服系统常用于进行地震模拟实验，通过在实验台上再现实测的地震波,测试被试件在典型地震条件下的反应，并以此为依据指导被试件抗震设计，提高被试件的抗震性能。

将加速度参考信号直接输入到电液加速度伺服系统中时，伺服系统的输出信号与参考信号相比往往存在较大偏差.产生偏差的原因主要有以下几个方面：首先，实际伺服系统的幅频特性在不同频段与0分贝线有不同程度的差异；其次，试件自身的频率响应特性在振动实验过程中也会发生变化；再次，电液加速度伺服系统在外界环境如油液温度等变化的情况下，液压动力机构的参数也将发生较大变化，并带有随机性质。由于上述因素的存在,使得电液加速度伺服系统的控制精度很难满足波形再现实验的精度要求。因此，为增强波形再现实验的有效性，改善加速度波形再现振动模拟系统的控制精度是非常必要的。

现有的波形再现控制方法主要由频率响应函数估计、阻抗函数计算和参考信号迭代三部分组成,计算过程复杂，需要专用硬件设备。现有算法的实质是基于频率响应函数的离线辨识结果对参考信号进行修正，当实验过程中电液加速度伺服系统的参数或试件特性发生改变时，伺服系统的输出信号与参考信号相比存在很大偏差，极大降低了波形再现振动模拟实验的控制精度，影响了对试件在振动环境下可靠性的定量评估。

下面2个专利分别提出了进行波形再现实验的实时在线控制方法：

1、一种基于卡尔曼滤波器的电液伺服系统波形再现控制方法，专利号200910187972.5；

2、一种电液伺服系统实时波形再现控制方法，专利号200910187971.0。

上述2个专利中,其方法的主要步骤如下：首先利用自适应滤波器辨识电液伺服系统的频率响应函数,接着基于辨识结果构造滤波器,然后再通过另一个自适应滤波器辨识所构造滤波器的阻抗函数,最后基于阻抗函数辨识结果实时修正参考信号,达到提高波形再现实验控制精度的目的。

利用上述方法进行波形再现实验时,由自适应算法收敛性的要求可知,为获得电液伺服系统的阻抗函数,必须先进行频率响应函数的辨识,然后再辨识电液伺服系统的阻抗函数。频率响应函数的辨识结果与电液伺服系统真实频率响应函数相比存在偏差,基于有偏差的频率响应函数辨识电液伺服系统的阻抗函数,势必引入更多的偏差,导致阻抗函数辨识精度的降低,进而影响波形再现振动模拟系统的控制精度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种具有更高的实时性、能够直接辨识系统阻抗函数、提高波形再现精度的电液加速度伺服系统波形再现的控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种电液加速度伺服系统波形再现的控制方法，包括以下步骤：

A、设定待再现的加速度信号为加速度参考信号,将加速度参考信号作为线性卷积的输入信号；

B、将线性卷积的输出信号和电液加速度伺服系统的输出信号作为阻抗计算的输入信号,计算电液加速度伺服系统的阻抗：

$Z\left(f\right)=\frac{G_2\left(f\right)}{G_1\left(f\right)}$

式中,Z(f)为电液加速度伺服系统的阻抗,G₂(f)为线性卷积的输出信号的自功率谱密度的平均值,G₁(f)为线性卷积的输出信号和电液加速度伺服系统的输出信号的互功率谱密度的平均值；

C、利用阻抗计算4的输出信号,进行逆傅里叶变换，得到序列z(m)

z(m)＝IFFT[Z(f)]

D、基于加速度参考信号和逆傅里叶变换的输出信号,利用重叠相加法计算两个信号的线性卷积：

设序列z(m)的长度为M点，加速度参考信号为序列r(n)；利用重叠相加法计算r(n)*z(m),式中，*表示序列r(n)与序列z(m)的线性卷积；

D1、将r(n)分割为N段序列之和,每段序列长L点,即：

$r\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k\left(n\right)$

式中,N由加速度参考信号的持续时间长度确定；

D2、在序列rk(n)后面添加M-1个零点,得到序列r′_k(n),即：

D3、在序列z(m)后面添加L-1个零点,得到序列z′(m),即：

D4、设y_k(l)＝r_k(n)*z(m),利用傅里叶变换计算y_k(l)：

y_k(l)＝IFFT[FFT(r′_k(n))FFT(z′(m))]

D5、计算r(n)*z(m)： $r\left(n\right)*z\left(m\right)=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}{y}_k\left(l\right)$

上式在计算y_k(l)+y_k+1(l)时,序列y_k(l)的最后M-1个点必须和序列y_k+1(l)的前M-1个点重叠；设y_k(l)及y_k+1(l)的表达式为：

则有：

$y_k\left(l\right)+y_{k+1}\left(l\right)=$

E、将线性卷积的输出信号作为电液加速度伺服系统和阻抗计算的输入信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、现有技术算法的部分内容不能通过软件实现，而本发明的所有步骤均可以通过软件编程实现，在CPU为IntelPD2.6G、内存为1G的Advantech工控机IPC-610上测试，算法的运行周期小于0.3ms，所以本发明具有更高的实时性。

2、本发明通过G₂(f)除以G₁(f)直接在线计算电液加速度伺服系统的阻抗，其中，G₂(f)为线性卷积的输出信号的自功率谱密度的平均值，G₁(f)为线性卷积的输出信号与电液加速度伺服系统的输出信号的互功率谱密度的平均值。本发明不需要通过频率响应函数求取电液加速度伺服系统的阻抗。

3、本发明通过重叠相加法实现对加速度参考信号的实时在线补偿，使得电液加速度伺服系统的输出信号能够高精度的再现参考信号，提高了波形再现振动模拟实验的控制精度。加速度输出信号与加速度参考信号的相干函数值在0.97以上,二者的时域峰值误差可以控制在20%以内。

附图说明

本发明仅有附图1张，其中：

图1是本发明的流程示意图。

图中：1、加速度参考信号，2、线性卷积，3、电液加速度伺服系统，4、阻抗计算，5、逆傅里叶变换。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种电液加速度伺服系统波形再现的控制方法，包括以下步骤：

A、设定待再现的加速度信号为加速度参考信号1,将加速度参考信号1作为线性卷积2的输入信号；

B、将线性卷积2的输出信号和电液加速度伺服系统3的输出信号作为阻抗计算4的输入信号,计算电液加速度伺服系统3的阻抗：

$Z\left(f\right)=\frac{G_2\left(f\right)}{G_1\left(f\right)}$

式中,Z(f)为电液加速度伺服系统3的阻抗,G₂(f)为线性卷积2的输出信号的自功率谱密度的平均值,G₁(f)为线性卷积2的输出信号和电液加速度伺服系统3的输出信号的互功率谱密度的平均值；

D、利用阻抗计算4的输出信号,进行逆傅里叶变换5，得到序列z(m)

z(m)＝IFFT[Z(f)]

D、基于加速度参考信号1和逆傅里叶变换5的输出信号,利用重叠相加法计算两个信号的线性卷积2：

设序列z(m)的长度为M点，加速度参考信号1为序列r(n)；利用重叠相加法计算r(n)*z(m),式中，*表示序列r(n)与序列z(m)的线性卷积2；

D1、将r(n)分割为N段序列之和,每段序列长L点,即：

$r\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k\left(n\right)$

式中,N由加速度参考信号1的持续时间长度确定；

D2、在序列r_k(n)后面添加M-1个零点,得到序列r′_k(n),即：

D3、在序列z(m)后面添加L-1个零点,得到序列z′(m),即：

D4、设y_k(l)＝r_k(n)*z(m),利用傅里叶变换计算y_k(l)：

y_k(l)＝IFFT[FFT(r′_k(n))FFT(z′(m))]

D5、计算r(n)*z(m)： $r\left(n\right)*z\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\left(l\right)$

上式在计算y_k(l)+y_k+1(l)时,序列y_k(l)的最后M-1个点必须和序列y_k+1(l)的前M-1个点重叠；设y_k(l)及y_k+1(l)的表达式为：

则有：

$y_k\left(l\right)+y_{k+1}\left(l\right)=$

E、将线性卷积2的输出信号作为电液加速度伺服系统3和阻抗计算4的输入信号。

Claims (1)

1.一种电液加速度伺服系统的波形再现控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、设定待再现的加速度信号为加速度参考信号（1）,将加速度参考信号（1）作为线性卷积（2）的输入信号；

B、将线性卷积（2）的输出信号和电液加速度伺服系统（3）的输出信号作为阻抗计算（4）的输入信号,计算电液加速度伺服系统（3）的阻抗：

$Z\left(f\right)=\frac{G_2\left(f\right)}{G_1\left(f\right)}$

式中,Z(f)为电液加速度伺服系统（3）的阻抗,G₂(f)为线性卷积（2）的输出信号的自功率谱密度的平均值,G₁(f)为线性卷积（2）的输出信号和电液加速度伺服系统（3）的输出信号的互功率谱密度的平均值；

C、利用阻抗计算（4）的输出信号,进行逆傅里叶变换（5），得到序列z(m)

z(m)＝IFFT[Z(f)]

D、基于加速度参考信号（1）和逆傅里叶变换（5）的输出信号,利用重叠相加法计算两个信号的线性卷积（2）：

设序列z(m)的长度为M点，加速度参考信号（1）为序列r(n)；利用重叠相加法计算r(n)*z(m),式中，*表示序列r(n)与序列z(m)的线性卷积（2）；

D1、将r(n)分割为N段序列之和,每段序列长L点,即：

$r\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k\left(n\right)$

式中,N由加速度参考信号（1）的持续时间长度确定；

D2、在序列r_k(n)后面添加M-1个零点,得到序列r′_k(n),即：

D3、在序列z(m)后面添加L-1个零点,得到序列z′(m),即：

D4、设y_k(l)＝r_k(n)*z(m),利用傅里叶变换计算y_k(l)：

y_k(l)＝IFFT[FFT(r′_k(n))FFT(z′(m))]

D5、计算r(n)*z(m)： $r\left(n\right)*z\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\left(l\right)$

上式在计算y_k(l)+y_k+1(l)时,序列y_k(l)的最后M-1个点必须和序列y_k+1(l)的前M-1个点重叠；设y_k(l)及y_k+1(l)的表达式为：

则有：

$y_k\left(l\right)+y_{k+1}\left(l\right)=$

E、将线性卷积（2）的输出信号作为电液加速度伺服系统（3）和阻抗计算（4）的输入信号。

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