CN104407639A - 高频液压激振系统伺服控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频液压激振系统伺服控制方法及控制装置，该控制方法即利用双参量生成器，将激振系统的给定信号转换为位移、加速度两个分量；建立伺服控制系统的位移和加速度闭环，通过位移阶跃响应，调节位移反馈PID增益；针对激振系统的高频段，根据系统的正弦响应情况，适当调整加速度反馈增益，以提高激振系统高频特性，改善加速度波形失真度。该控制装置包括上位机、下位机、控制传感器和伺服控制机箱。本发明的控制方法构思简单、合理，能够保证液压激振系统的稳定控制，改善液压激振系统的高频段频率特性和加速度波形失真度。本发明的控制装置结构简单，使用稳定，可改善液压激振系统的高频特性，提高激振系统的加速度波形失真度。

Description

高频液压激振系统伺服控制方法及控制装置

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种高频液压激振系统伺服控制方法及控制装置。

背景技术

采用铰支座和液压作动器方式的液压振动台，以其推力大，位移大，超低频响，易于实现以及控制精度较高等优势，成为了目前车辆运输模拟，机车(或高铁)运输模拟，机载环境模拟、地震模拟等科学试验装置的主要手段。

国际上知名的MTS公司上世纪80年代为加州大学伯克利分校提供的台面为6.1mX6.1m双向地震模拟台，之后建立了各类液压振动台，都是基于电液伺服阀控缸系统，且工作频率可达200Hz，但油柱共振峰的影响仍无法克服，易出现系统超差现象。日本三菱重工等五家公司1982年联合为日本原子能工程试验中心建成的大规模高性能地震振动台，台面为15mX15m，最大负载能力为1000吨，可同时进行水平和垂直激振。近年来，英国servotest公司以福州大学双台阵系统为代表，在国内多个高校相继建立了多轴液压地震模拟振动台。这些液压振动台的核心控制部件均采用电液伺服阀如MOOG阀等。

我国的液压振动台研究相对国外起步较晚但发展较快，近年来各类地震模拟振动台和道路运输试验系统研制技术方面有了一定的发展，于1997年研制出了第一台5m×5m的三轴向地震模拟台。北京机械自动化研究所于2002年研制出了运输模拟液压振动台，采用模拟控制方式位移闭环控制策略。中物院总体工程研究所于2004年为同济大学研制的150gt离心机上振动台，可实现300Kg模型负载试验，并相继也研制出了各种类型地震模拟振动台、运输模拟试验台等。

车辆运输、机车运输模拟试验系统的主要工作频段为0.5Hz～200Hz，机载环境模拟的工作频带为0.5Hz～120Hz。另外，利用离心机和液压振动台复合试验系统开展缩比模型的高频压缩地震波模拟试验，已被国内外岩土工程界公认为是最有效的地震模拟实验手段，而该方法对应的地震波工作频段为20Hz～350Hz。由此可以看出，这些试验系统的工作频带都集中在液压振动台中高频段，且应用十分广泛。另一方面，喷嘴挡板电液伺服阀系列，以其稳定可靠、控制精度高等优势广泛地应用在液压伺服控制领域，但该类电液伺服阀受其工作原理的限制，其工作截止频率一般在80Hz附近并按-3dB往下衰减，以至于该伺服阀的液压激振系统在高频特性较差。如何有效地解决高频液压激振系统伺服控制问题将是十分迫切。国内在液压振动台控制方面做了一定的研究，通常的方法是位移闭环控制或者采用三状态控制策略(地震模拟振动台三状态控制的研究，韩俊伟于丽明赵慧《哈尔滨工业大学学报》1999 June，vol31，No.3:22～24；)主要应用在液压振动台的低频控制方面。关于高频液压激振系统伺服控制的文献尚少，相关的控制装置研发成熟产品也未见推出。

另外，经搜索专利文献资料，未见其他公开的关于高频液压激振系统伺服控制装置的相关文献，更未见相关产品在应用中使用。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种能够有效改善液压激振系统的高频特性，提高激振系统的加速度波形失真度，拓展工作频宽可且系统全频带内稳定、可靠的高频液压激振系统伺服控制方法及控制装置。

本发明的技术方案如下：

上述的高频液压激振系统伺服控制方法，其包括以下步骤：

(1)利用双参量生成器，将激振系统的给定信号转换为位移、加速度两个分量；(2)建立伺服控制系统的位移和加速度闭环，通过位移阶跃响应，调节位移反馈PID增益；(3)针对激振系统的高频段，根据系统的正弦响应情况，适当调整加速度反馈增益，以提高激振系统高频特性，改善加速度波形失真度。

所述高频液压激振系统伺服控制方法，其中：所述伺服控制方法是采用FPGA单板机进行底层的快速运算和自带的40M时钟信号定时，以实现伺服控制器的一个闭环周期精确定步长；同时，根据信号的频宽要求，选择0.25ms的精确闭环周期；利用DMA方式，进行给定信号输入和多路控制信号输出，以保证给定信号的发送与控制信号采集能够不间断不丢点的实时运行。

所述高频液压激振系统伺服控制方法，其中：所述步骤(3)中实际响应与给定信号之间存在着相位差，所述加速度反馈增益的参数可设定为正值或负值。

所述高频液压激振系统伺服控制方法，其中：所述步骤(2)中所述伺服控制系统闭环后处于受控状态，其低频段以位移控制为主，高频段以加速度控制为主。

所述高频液压激振系统伺服控制方法，其中：所述步骤(1)呈现出以位移控制为主的低频段位移大加速度小和以加速度控制为主高频段位移小加速度大的两个运动特征。

所述高频液压激振系统伺服控制方法，其中：所述步骤(1)的生成器采用RC电路构建的双参量生成器或基于单自由度系统的双参量生成器。

一种高频液压激振系统伺服控制方法的高频液压激振系统伺服控制装置，其中：所述伺服控制装置包括上位机、与所述上位机双向电连接的下位机、与所述下位机电连接的控制传感器和伺服控制机箱；所述上位机用于用户操作和数据显示，其通过以太网与所述FPGA单板机双向电连接；所述下位机包括FPGA单板机和信号适调模块；所述FPGA单板机为实时控制器且用于进行实时伺服闭环控制，具体是用于完成实时控制算法并采集控制信号和输出驱动信号，其由直流电源供电且与所述信号适调模块双向电连接；所述信号适调模块由所述直流电源供电，其集成有加速度适调模块、位移适调模块及功率放大模块；所述控制传感器包括与所述加速度适调模块电连接的加速度传感器以及与所述位移适调模块电连接的位移传感器；所述FPGA单板机发出的驱动信号由所述功率放大模块来驱动所述电液伺服阀，以推动激振系统振动；所述伺服控制机箱用于封装所述FPGA单板机、加速度适调模块、位移适调模块、功率放大模块及直流电源。

所述高频液压激振系统伺服控制装置，其中：所述FPGA单板机是通过采集所述位移传感器和加速度传感器的信号，并输出驱动信号给所述功率放大模块，由所述功放驱动模块输出电流驱动所述电液伺服阀。

有益效果：

本发明高频液压激振系统伺服控制方法的构思简单、合理，是在常规电液伺服控制(液压缸位置反馈控制)技术之上，引入加速度反馈控制方法，能够有效改善液压激振系统高频特性和加速度失真度，不影响系统稳定性；通过位移阶跃响应，调节位移反馈PID增益，可以保证系统具有良好的稳定性和鲁棒性，能够保证液压激振系统的稳定控制；拓展工作频宽可达到300Hz且系统全频带内稳定可靠非常适用于车辆道路运输模拟、机载环境模拟以及离心机上地震压缩波模拟等高频液压激振系统应用领域。

本发明高频液压激振系统伺服控制装置结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，一方面能够保证液压激振系统的稳定控制，另一方面也能改善了激振系统的高频段频率特性和加速度波形失真度，适于推广与应用。

附图说明

图1为本发明高频液压激振系统伺服控制方法的原理图；

图2为本发明高频液压激振系统伺服控制装置的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明高频液压激振系统伺服控制方法，具体包括以下步骤：

S010、利用双参量(即位移、加速度)生成器，如采用RC电路构建的双参量生成器或基于单自由度系统的双参量生成器等，将激振系统的给定信号转换为位移、加速度两个分量；由此呈现出运动特征为以位移控制为主的低频段位移大加速度小，以加速度控制为主高频段位移小加速度大。

S020、建立伺服控制系统的位移和加速度闭环，系统闭环后处于受控状态，低频段以位移控制为主，高频段以加速度控制为主；通过位移阶跃响应，调节位移反馈PID增益，以保证系统具有良好的稳定性和鲁棒性。

S030、再针对激振系统的高频段，根据伺服控制系统的正弦响应情况，适当调整加速度反馈增益，由于实际响应与给定信号之间存在着相位差，加速度反馈增益的参数可设定为正值或负值；此时调整的加速度反馈增益，能够提高激振系统高频特性且改善加速度波形失真度；与此同时，由于伺服控制系统的位移闭环鲁棒性较好，系统稳定性仍然可以得到保证。

调整加速度反馈增益，提高高频段的幅频特性，使得整个频段的加速度幅频特性呈现为平直；经典的液压伺服控制，在高频段呈现为衰减。

其中，本发明高频液压激振系统伺服控制方法是采用具有高性能的FPGA单板机进行底层的快速运算和自带的40M时钟信号定时，以实现伺服控制器的一个闭环周期精确定步长；同时，根据信号的频宽要求，选择0.25ms(即4K采样频率)的精确闭环周期；利用DMA方式，进行给定信号输入和多路控制信号输出，以保证给定信号的发送与控制信号采集能够不间断不丢点的实时运行。

如图1、2所示，本发明高频液压激振系统伺服控制装置，是基于上述的高频液压激振系统伺服控制方法，其包括上位机1、下位机2、控制传感器3和伺服控制机箱4。

该上位机1安装有伺服控制软件以用于用户操作和数据显示，其通过以太网与FPGA单板机2双向电连接；该上位机1采用普通计算机或笔记本电脑作为人机交互界面，具有参数设置、硬件自检、控制参数调整、控制指令发送以及数据通讯等功能。

该下位机2与上位机1通过以太网双向连接，该下位机2包括FPGA单板机21和信号适调模块22。该FPGA单板机21用于进行实时伺服闭环控制，其为实时控制器，由直流电源6供电且与信号适调模块22双向电连接；其中，该FPGA单板机2具体用于完成实时控制算法并采集控制信号和输出驱动信号；本实施例中该FPGA单板机2采用NIsb-9632单板机实现伺服控制核心算法，其具有4路模拟输出通道，8路差分采集输入通道。该信号适调模块22也由直流电源6供电，其集成有加速度适调模块221、位移适调模块222和功率放大模块223；其中，该加速度适调模块221和位移适调模块222电连接于控制传感器3，该功率放大模块33与电液伺服阀5电连接。

该控制传感器3与下位机2的信号适调模块22电连接，该控制传感器3包括加速度传感器31和位移传感器32。该加速度传感器31与下位机2的信号适调模块22中的加速度适调模块221电连接；该位移传感器32与下位机2的信号适调模块22中的位移适调模块222电连接。其中，该FPGA单板机2发出的驱动信号由信号适调模块3中的功率放大模块223来驱动电液伺服阀5以推动激振系统振动；具体是该FPGA单板机21采集位移传感器32和加速度传感器31的信号，并输出驱动信号给功率放大模块223，由功率放大模块33输出电流驱动电液伺服阀5。本实施例中该加速度传感器31的频宽为0Hz～1000Hz，该位移传感器32采用的是巴鲁夫磁滞微脉冲位移传感器。

该伺服控制机箱4用于封装下位机2的FPGA单板机21、加速度适调模块221、位移适调模块222、功率放大模块223及直流电源6。

本发明高频液压激振系统伺服控制方法的构思简单、合理，其不仅能够保证液压激振系统的稳定控制，还能改善了液压激振系统的高频段频率特性和加速度波形失真度。

本发明高频液压激振系统伺服控制装置结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，其可有效地改善液压激振系统的高频特性，提高激振系统的加速度波形失真度，拓展工作频宽可达到300Hz，且系统全频带内稳定可靠。

Claims (8)

1.一种高频液压激振系统伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用双参量生成器，将激振系统的给定信号转换为位移、加速度两个分量；

(2)建立伺服控制系统的位移和加速度闭环，通过位移阶跃响应，调节位移反馈PID增益；

(3)针对激振系统的高频段，根据系统的正弦响应情况，适当调整加速度反馈增益，以提高激振系统高频特性，改善加速度波形失真度。

2.如权利要求1所述的高频液压激振系统伺服控制方法，其特征在于：所述伺服控制方法是采用FPGA单板机进行底层的快速运算和自带的40M时钟信号定时，以实现伺服控制器的一个闭环周期精确定步长；同时，根据信号的频宽要求，选择0.25ms的精确闭环周期；利用DMA方式，进行给定信号输入和多路控制信号输出，以保证给定信号的发送与控制信号采集能够不间断不丢点的实时运行。

3.如权利要求1所述的高频液压激振系统伺服控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中实际响应与给定信号之间存在着相位差，所述加速度反馈增益的参数可设定为正值或负值。

4.如权利要求1所述的高频液压激振系统伺服控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述伺服控制系统闭环后处于受控状态，其低频段以位移控制为主，高频段以加速度控制为主。

5.如权利要求1所述的高频液压激振系统伺服控制方法，其特征在于，所述步骤(1)呈现出以位移控制为主的低频段位移大加速度小和以加速度控制为主高频段位移小加速度大的两个运动特征。

6.如权利要求1所述的高频液压激振系统伺服控制方法，其特征在于：所述步骤(1)的生成器采用RC电路构建的双参量生成器或基于单自由度系统的双参量生成器。

7.一种基于上述权利要求1至6任一所述的高频液压激振系统伺服控制方法的高频液压激振系统伺服控制装置，其特征在于：所述伺服控制装置包括上位机、与所述上位机双向电连接的下位机、与所述下位机电连接的控制传感器和伺服控制机箱；

所述上位机用于用户操作和数据显示，其通过以太网与所述FPGA单板机双向电连接；

所述下位机包括FPGA单板机和信号适调模块；所述FPGA单板机为实时控制器且用于进行实时伺服闭环控制，具体是用于完成实时控制算法并采集控制信号和输出驱动信号，其由直流电源供电且与所述信号适调模块双向电连接；所述信号适调模块由所述直流电源供电，其集成有加速度适调模块、位移适调模块及功率放大模块；

所述控制传感器包括与所述加速度适调模块电连接的加速度传感器以及与所述位移适调模块电连接的位移传感器；

所述FPGA单板机发出的驱动信号由所述功率放大模块来驱动所述电液伺服阀，以推动激振系统振动；

所述伺服控制机箱用于封装所述FPGA单板机、加速度适调模块、位移适调模块、功率放大模块及直流电源。

8.如权利要求7所述的高频液压激振系统伺服控制装置，其特征在于：所述FPGA单板机是通过采集所述位移传感器和加速度传感器的信号，并输出驱动信号给所述功率放大模块，由所述功放驱动模块输出电流驱动所述电液伺服阀。