CN103399589A - 一种电液加速度伺服系统随机振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液加速度伺服系统随机振动控制方法，包括以下步骤：利用加速度功率谱密度参考信号设计滤波器；利用白噪声发生器生成白噪声信号；利用滤波器对白噪声信号进行滤波,将滤波器的输出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；利用重叠保留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。本发明的所有步骤可通过软件编程实现，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。本发明采用重叠保留法实现实时在线补偿，提高了随机振动模拟实验的控制精度。

Description

一种电液加速度伺服系统随机振动控制方法

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随机振动控制方法。

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。

试件在工作环境中经受的振动形式大多为随机振动，振动不局限在确定的频率点上，其特征经常用形如加速度功率谱密度等统计特性描述。要模拟这种振动形式，就需要在振动台上复现出实测的功率谱密度。

由于电液加速度伺服系统真实的幅频特性在不同频段与0分贝线有不同程度的差异，将加速度功率谱密度参考信号对应的时域信号直接输入到电液加速度伺服系统中时，伺服系统输出信号的功率谱密度与功率谱密度参考信号相比往往存在较大偏差，降低了随机振动模拟系统的控制精度。另一方面，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将发生较大变化，并带有随机性质，也会降低随机振动模拟系统的控制精度。因此，为提高随机振动模拟实验的有效性，改善加速度功率谱密度再现的精度是非常必要的。

现有的电液加速度伺服系统随机振动控制方法主要由频率响应函数估计、阻抗函数计算、功率谱密度参考信号迭代修正和时域驱动信号生成四部分组成，计算过程复杂，需要专用硬件设备。而且,现有算法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，伺服系统输出信号的功率谱密度与功率谱密度参考信号相比存在很大偏差，极大降低了随机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4项专利分别提出了进行随机振动实验的实时在线控制方法：

1、一种基于自适应滤波器的电液伺服系统随机振动控制方法，专利号200910187975.9；

2、一种基于卡尔曼滤波器的电液伺服系统随机振动控制方法，专利号200910187976.3；

3、一种基于RLS滤波器的电液伺服系统随机振动控制方法，专利号200910187974.4；

4、一种电液伺服系统随机振动控制方法，专利号200910187973.X。

上述4项专利中,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,达到提高随机振动实验控制精度的目的。

利用上述方法进行随机振动实验时,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,进而影响随机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，本发明的目的在于提供一种具有更高的实时性、能够直接辨识系统阻抗函数、提高加速度功率谱密度再现精度的电液加速度伺服系统随机振动控制方法。

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随机振动控制方法，包括以下步骤：

A、利用加速度功率谱密度参考信号设计滤波器：

式中，f为频率，|H(f)|为所设计滤波器的幅频特性，R(f)为加速度功率谱密度参考信号，a为白噪声信号的功率，

为所设计滤波器的相频特性，P为滤波器阶数；

B、利用白噪声发生器生成白噪声信号；

C、将白噪声信号作为滤波器的输入信号,利用滤波器对白噪声信号进行滤波,将滤波器的输出信号作为线性卷积的输入信号；

D、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。

E、利用阻抗计算的输出信号,进行逆傅里叶变换，得到序列z(m)

z(m)＝IFFT[Z(f)]

F、基于滤波器的输出信号和逆傅里叶变换的输出信号,利用重叠保留法计算两个信号的线性卷积；

设序列z(m)的长度为M点，滤波器输出信号为序列r(n)，利用重叠保留法计算r(n)*z(m),式中,*表示序列r(n)与序列z(m)的线性卷积；

F1、在序列r(n)前面添加M-1个零点,形成序列r’(n).

F2、将r’(n)分割为N段序列{r′₀(n),r′₁(n),r′₂(n),...,r′_N-1(n)},N由加速度功率谱密度再现实验的持续时间确定；序列r’(n)的分割方法用公式表示为：

k＝0时, ${r^{\′}}_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{\′}\left(n\right)& 0\≤n\≤L+M-2\\ 0& n>L+M-2\end{array}\right.$

k＞0时, ${r^{\′}}_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{\′}(n+\mathrm{kL})& 0\≤n\≤L+M-2\\ 0& n>L+M-2\end{array}\right.$

F3、在序列z(m)后面添加L-1个零点,得到序列z′(m),即：

F4、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))]

F5、计算r(n)*z(m):

设y(i)＝r(n)*z(m),则有: $y\left(i\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k(i-\mathrm{kL})$

式中,

G、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、将本发明的所有步骤通过软件编程实现，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1ms，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、本发明通过重叠保留法实现对加速度功率谱密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，提高了随机振动模拟实验的控制精度。加速度功率谱密度输出信号与加速度功率谱密度参考信号在整个实验频段内的均方根值的偏差可以控制在10%以内,二者在各频率点的偏差可以控制在±1分贝之内。

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、加速度功率谱密度参考信号，2、滤波器，3、线性卷积，4、电液加速度伺服系统，5、白噪声信号，6、阻抗计算，7、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随机振动控制方法，包括以下步骤：

A、利用加速度功率谱密度参考信号1设计滤波器2：

式中，f为频率，|H(f)|为所设计滤波器2的幅频特性，R(f)为加速度功率谱密度参考信号1，a为白噪声信号5的功率，

为所设计滤波器2的相频特性，P为滤波器2阶数；

B、利用白噪声发生器生成白噪声信号5；

C、将白噪声信号5作为滤波器2的输入信号,利用滤波器2对白噪声信号5进行滤波,将滤波器2的输出信号作为线性卷积3的输入信号；

D、将线性卷积3的输出信号和电液加速度伺服系统4的输出信号作为阻抗计算6的输入信号,计算电液加速度伺服系统4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4的阻抗,G₂(f)为线性卷积3的输出信号的自功率谱密度的平均值,G₁(f)为线性卷积3的输出信号和电液加速度伺服系统4的输出信号的互功率谱密度的平均值。

E、利用阻抗计算6的输出信号,进行逆傅里叶变换，得到序列z(m)

z(m)＝IFFT[Z(f)]

F、基于滤波器2的输出信号和逆傅里叶变换的输出信号,利用重叠保留法计算两个信号的线性卷积3；

设序列z(m)的长度为M点，滤波器2输出信号为序列r(n)，利用重叠保留法计算r(n)*z(m),式中,*表示序列r(n)与序列z(m)的线性卷积3；

F1、在序列r(n)前面添加M-1个零点,形成序列r’(n).

F2、将r’(n)分割为N段序列{r′₀(n),r′₁(n),r′₂(n),...,r′_N-1(n)},N由加速度功率谱密度再现实验的持续时间确定；序列r’(n)的分割方法用公式表示为：

k＝0时, ${r^{\′}}_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{\′}\left(n\right)& 0\≤n\≤L+M-2\\ 0& n>L+M-2\end{array}\right.$

k＞0时, ${r^{\′}}_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{\′}(n+\mathrm{kL})& 0\≤n\≤L+M-2\\ 0& n>L+M-2\end{array}\right.$

F3、在序列z(m)后面添加L-1个零点,得到序列z′(m),即：

F4、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))]

F5、计算r(n)*z(m):

设y(i)＝r(n)*z(m),则有: $y\left(i\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k(i-\mathrm{kL})$

式中,

G、将线性卷积3的输出信号作为电液加速度伺服系统4和阻抗计算6的输入信号。

Claims (1)

1.一种电液加速度伺服系统随机振动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、利用加速度功率谱密度参考信号（1）设计滤波器（2）：

式中，f为频率，|H(f)|为所设计滤波器（2）的幅频特性，R(f)为加速度功率谱密度参考信号（1），a为白噪声信号（5）的功率，为所设计滤波器（2）的相频特性，P为滤波器（2）阶数；

B、利用白噪声发生器生成白噪声信号（5）；

C、将白噪声信号（5）作为滤波器（2）的输入信号,利用滤波器（2）对白噪声信号（5）进行滤波,将滤波器（2）的输出信号作为线性卷积（3）的输入信号；

D、将线性卷积（3）的输出信号和电液加速度伺服系统（4）的输出信号作为阻抗计算（6）的输入信号,计算电液加速度伺服系统（4）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（4）的阻抗,G₂(f)为线性卷积（3）的输出信号的自功率谱密度的平均值,G₁(f)为线性卷积（3）的输出信号和电液加速度伺服系统（4）的输出信号的互功率谱密度的平均值；

E、利用阻抗计算（6）的输出信号,进行逆傅里叶变换(7)，得到序列z(m)

z(m)＝IFFT[Z(f)]

F、基于滤波器（2）的输出信号和逆傅里叶变换(7)的输出信号,利用重叠保留法计算两个信号的线性卷积（3）；

设序列z(m)的长度为M点，滤波器（2）输出信号为序列r(n)，利用重叠保留法计算r(n)*z(m),式中,*表示序列r(n)与序列z(m)的线性卷积（3）；

F1、在序列r(n)前面添加M-1个零点,形成序列r’(n).

F2、将r’(n)分割为N段序列{r′₀(n),r′₁(n),r′₂(n),...,r′_N-1(n)},N由加速度功率谱密度再现实验的持续时间确定；序列r’(n)的分割方法用公式表示为：

k＝0时, ${r^{\′}}_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{\′}\left(n\right)& 0\≤n\≤L+M-2\\ 0& n>L+M-2\end{array}\right.$

k＞0时, ${r^{\′}}_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{\′}(n+\mathrm{kL})& 0\≤n\≤L+M-2\\ 0& n>L+M-2\end{array}\right.$

F3、在序列z(m)后面添加L-1个零点,得到序列z′(m),即：

F4、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))]

F5、计算r(n)*z(m):

设y(i)＝r(n)*z(m),则有: $y\left(i\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k(i-\mathrm{kL})$

式中,

G、将线性卷积（3）的输出信号作为电液加速度伺服系统（4）和阻抗计算（6）的输入信号。

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