CN105867182B - 一种提高系统响应速度的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高系统响应速度的控制系统，主要包括多通道伺服控制器、多通道伺服信号放大器、多通道伺服能量转换器、多通道集成器件、执行元件、信号采集器和信号调解器。本发明通过伺服控制器将多种频率叠加后的任意波形目标谱线分解为多个单频驱动信号，由多组能量转换器分别将各个单频驱动信号转换后通过多通道集成器件发送给同一套执行元件执行，这些驱动信号在被执行的过程中进行叠加，促使执行元件的动作输出波形达到原目标谱线的目的。本发明所述的提高系统响应速度的控制方法及系统通用性强，可操作性高，可控性好，可靠性好，维护方便，可在多种设备上配置，能满足多种工程需求。

Description

一种提高系统响应速度的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种力学环境试验用任意波形试验设备的控制方法，尤其涉及提高任意波形试验设备中伺服液压部分响应速度的控制方法及实现该方法的控制系统。

背景技术

力学环境存在于我们生活中的每个环节，如地球引力、汽车的颠簸、波浪的起伏、炸弹的爆炸等等。任意波形试验系统作为一种力学环境试验设备，主要用于在试验室复现物体或产品在服役过程中所处的力学环境，考核物体或产品在该环境中的性能，以改善应对措施。任意波形试验系统可完成200ms（毫秒）内、900m/s²以下的任意波形试验，主要应用于卫星或火箭的发射、舰载机的起落、汽车的碰撞等状态下零部件的可靠性试验。由于上述过程所表现出来的加速度-时间历程中，加速度随时间的变化复杂，要求模拟/复现设备有极高的响应速度。加之上述试验的能量较大，故工程上多采用伺服液压技术实现大能量、高响应速度控制。

目前，我国在国防军工、航空航天及交通运输领域正在向更准、更高、更快、更可靠的方向发展，能力及参数指标要求较以前均有大幅提升。在进行任意波形试验时对试验器的换向频率要求越来越高，也就对换向控制部分的响应速度要求越来越高。国外在这方面的研究较早，且由于国外在高频响液压伺服阀技术上的突破，可方便的实现系统的高频换向要求。目前，市场上已有的相关设备均从国外进口，当前技术基本上能在2150kN推进力或90km/h速度下实现222Hz的换向频率，而这种高频响液压伺服阀对我国是禁运的，就我国目前的液压伺服阀技术，以上工况下的换向频率只能做到76Hz（不保守数据）；若采用进口普通液压伺服阀，以上工况下的换向频率能做到88Hz，与国外技术存在极大的差距，这种差距对我国在试验设备及技术上产生极大的制约。因此有必要设计一种能够通过普通液压伺服阀实现高响应速度的控制方法及系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够使用普通驱动器件实现高响应速度的控制方法和控制系统。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高系统响应速度的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

1）在控制器上设置多种频率叠加的任意波形目标谱线，通过控制器对目标谱线进行分析计算，将该目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调，分解后的各个单频驱动信号通过叠加可得到原目标谱线；

2）所述控制器将分解后的单频驱动信号分别通过不同的通道发送至多通道伺服信号放大器，通过伺服信号放大器将单频驱动信号进行放大；

3）经伺服信号放大器放大后的单频驱动信号分别发送给各个伺服能量转换器，将单频驱动信号转换成可执行的信号类型；

4）经过转换后的驱动信号通过多通道集成器件输出，由同一套执行元件执行；

5）这些驱动信号在被执行的过程中进行叠加，使执行元件的动作输出波形与控制器上设置的目标谱线一致。

优选地，所述执行元件的输出端设置一信号采集器，所述信号采集器输出端与信号调解器输入端相连，所述信号调解器输出端与多通道伺服控制器相连。

优选地，所述信号采集器用于采集执行元件的输出动作信号，并通过信号调解器反馈给控制器，从而形成闭环控制。

优选地，所述信号调解器用于将信号采集器采集的执行元件的输出动作信号转化为控制器可识别的信号类型。

优选地，所述多通道伺服控制器可输出多种控制波形，所述控制器输出的控制波形的频率、幅值等参数可调。

优选地，所述能量转换器用于将电信号转换成机械能、液压能或热能。

本专利还公开了一种用于实现该提高系统响应速度的控制方法的控制系统，其包括：多通道伺服控制器，所述多通道伺服控制器包括至少一个信号输入通道和多个信号输出通道，所述多通道伺服控制器用于设置任意波形目标谱线，对目标谱线进行分析计算，将该目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调，分解后的多个单频驱动信号通过叠加可形成原目标谱线，分解后的各个单频驱动信号可分别通过多个信号输出通道向外输出；多通道伺服信号放大器，所述多通道伺服信号放大器包括多个信号输入通道和多个信号输出通道，所述多通道伺服信号放大器用于对多个单频驱动信号进行放大处理，所述多通道伺服信号放大器的多个信号输入通道与所述多通道伺服控制器的多个信号输出通道一一对应连接；多个伺服能量转换器，所述多个伺服能量转换器分别与所述多通道伺服信号放大器的多个输出通道连接，伺服能量转换器用于将多通道伺服信号放大器输出的低频驱动信号转换成执行元件可识别的信号类型；多通道集成器件，所述多通道集成器件各通道分别与多个伺服参量转换器相连，将转换后的信号进行叠加统一处理发送给执行元件；执行元件，所述执行元件接受多通道集成器件的驱动信号，并执行、输出目标谱线动作。

优选地，在所述执行元件输出端设有信号采集器，所述信号采集器用于采集执行元件的输出动作信号。

优选地，所述伺服能量转换器为电液伺服阀，所述执行元件为伺服液压缸。

优选地，所述信号采集器输出端与信号调解器输入端相连，所述信号调解器输出端与所述多通道伺服控制器的信号输入通道相连，形成一闭环控制回路，所述信号解调器用于将信号采集器采集的执行元件动作信号转化为控制器可识别的信号类型。

如上所述，本发明的提高系统响应速度的控制方法及系统具有以下有益效果：该提高系统响应速度的控制方法及系统通过控制器将多种频率叠加的任意波形高频目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调，分解后的各个单频驱动信号通过多组能量转换器输出，由多通道集成器件按要求发送到同一执行元件上，在执行的过程中叠加，促使执行元件的动作输出波形达到原目标谱线的目的，解决了现有技术中伺服能量转换器件在某些工况，尤其是大输出量级的工况下响应频率低、响应速度慢的问题，本发明所述的提高系统响应速度的控制方法及系统通用性强，可操作性高，可控性好，可靠性好，维护方便，可在多种设备上配置，能满足多种工程需求。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构框图。

图2为本发明实施例液压控制系统的结构框图。

图3为本发明实施例的目标谱线图。

图4为图3目标谱线分解后的驱动信号组合图。

图5为图3目标谱线分解后的第一驱动信号图。

图6为图3目标谱线分解后的第二驱动信号图。

图7为图3目标谱线分解后的第三驱动信号图。

图8为图3目标谱线分解后的第四驱动信号图。

元件标号说明

1、多通道伺服控制器；2、多通道伺服信号放大器；3、多通道伺服能量转换器；4、多通道集成器件；5、执行元件；6、信号采集器；7、信号调解器；21、伺服信号放大器D1；22、伺服信号放大器D2；2n、伺服信号放大器Dn；31、电液伺服阀V1；32、电液伺服阀V2；3n、电液伺服阀Vn；41、集成式蓄能器A1；42、集成式蓄能器A2；4n、集成式蓄能器An；1o1、多通道伺服控制器输出通道1；1o2、多通道伺服控制器输出通道2；1on、多通道伺服控制器输出通道n；2i1、第一通道伺服放大器输入端；2i2、第二通道伺服放大器输入端；2in、第N通道伺服放大器输入端；2o1、第一通道伺服放大器输出端；2o2、第二通道伺服放大器输出端；2on、第N通道伺服放大器输出端。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图8。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种提高系统响应速度的控制系统，包括多通道伺服控制器1，多通道伺服信号放大器2，多通道伺服参量转换器3，多通道集成器件4，执行元件5，信号采集器6和信号调解器7。多通道伺服控制器1的输出端与多通道伺服信号放大器2的输入端相连，多通道伺服信号放大器2的输出端与多通道伺服能量转换器3的输入端相连，多通道伺服能量转换器3的输出端通过多通道集成器件4向执行元件5发送动作指令信号，由执行元件5实现目标谱线所设定的动作。

为了能够精确控制执行元件5动作，该系统还设有一信号反馈电路，如图1所示，反馈信号电路包括一信号采集器6和一信号调解器7，通过信号采集器6能够实时采集执行元件5的动作信号，信号采集器6与信号解调器7连接，信号解调器7用于将信号采集器6采集的动作信号转化为多通道伺服控制器1可识别的信号类型，信号调解器7的输出通道与多通道伺服控制器1的信号输入通道连接。这样通过信号采集器7、信号解调器8就可将执行元件5的动作信号反馈给多通道伺服控制器1，形成一闭环控制系统。

该系统主要采用如下方法实现系统响应速度的提高，具体包括如下步骤：在多通道伺服控制器1上设置多种频率叠加的任意波形目标谱线，通过多通道伺服控制器1对目标谱线进行分析计算，将该目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调，分解后的各个单频驱动信号通过叠加可形成原目标谱线；多通道伺服控制器1将分解后的单频驱动信号分别通过不同的通道发送至多通道伺服信号放大器，通过伺服信号放大器将单频驱动信号进行放大；经伺服信号放大器放大后的单频驱动信号分别发送给各个伺服能量转换器，将单频驱动信号转换成可执行的信号类型；经过转换后的驱动信号通过多通道集成器件输出，由同一套执行元件执行；这些驱动信号在被执行的过程中进行叠加，促使执行元件的动作输出波形达到原目标谱线的目的。

本提高系统响应速度的控制系统通过调整控制波形，由多组伺服能量转换器分别转换并作用到同一套执行元件上，提高系统的响应速度（或频率），解决了现有技术中伺服能量转换器件在某些工况，尤其是大输出量级的工况下响应速度（或频率）低的问题，本发明所述的提高系统响应速度的控制方法及系统通用性强，可操作性高，可控性好，可靠性好，维护方便，可在多种设备上配置，能满足多种工程需求。

该系统可应用在多种能量转换频率响应系统中，作为本发明的一种具体实施方式选用液压控制系统对本发明实施例做进一步的描述。如图2所示，多通道伺服信号放大器2包含多个伺服信号放大器21---2n，多通道伺服能量转换器3包含多个电液伺服阀V1---Vn，多通道伺服信号放大器2应采用与电液伺服阀匹配的类型，多通道集成器件4包含多个集成式蓄能器A1---An，执行元件5选用伺服液压缸，信号采集器6选用加速度传感器。

如图2所示，多通道伺服控制器1包括至少一个信号输入通道和多个信号输送通道1o1---1on，并可通过该多通道伺服控制器1设置执行元件5要执行的多种频率叠加的任意波形目标谱线。多通道伺服控制器1内设有DSP处理器，DSP处理器可对该目标谱线进行分析计算，并将该目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调，分解后的各个单频驱动信号可通过叠加形成原目标谱线。分解后的各个单频驱动信号可分别通过多通道伺服控制器1的输出通道1o1---1on向外输出。多通道伺服控制器1可根据需要设置多种输出控制波形，多通道伺服控制器1输出的控制波形的频率、幅值等参数可调。

如图2所示，多通道伺服信号放大器2中包含多个伺服信号放大器21---2n，每个伺服信号放大器有其对应的信号输入通道2i1---2in和信号输出通道2o1---2on。多通道伺服控制器1的多个信号输出通道1o1---1on分别与多通道伺服信号放大器2中的各个伺服信号放大器21---2n的输入端2i1---2in一一对应连接。多通道伺服信号放大器2可对多通道伺服控制器1输出的各单频驱动信号进行放大处理，并经信号输出通道2o1---2on向外输出。多通道伺服信号放大器2内各个伺服信号放大器的输出通道2o1---2on分别与多通道伺服能量转换器3内的各电液伺服阀V1---Vn连接，通过各电液伺服阀V1---Vn将各伺服信号放大器21---2n输出的信号转换成执行元件5（伺服液压缸）可执行的信号类型，如伺服液压缸可执行的液压能，发送多通道集成器件4内的集成式蓄能器A1---An，并由多通道集成器件4统一发送给执行元件5（伺服液压缸）。执行元件5（伺服液压缸）在驱动信号（液压能）作用下动作，如伸缩、旋转等，并在执行的过程中对各单频信号进行响应、叠加，完成原目标谱线设定的动作。

该液压控制系统在使用时，首先在多通道伺服控制器1上设置多种频率叠加的任意波形目标谱线，该目标谱线可以为频域的目标谱线，也可以为时域的目标谱线，如果为频域的目标谱线可通过傅里叶变换将其转化为时域，然后由多通道伺服控制器1内的DSP处理器对该目标谱线进行分析计算，将其分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调。如图3、4所示，图3所示的就是多种频率叠加的任意波形目标谱线，图4为分解后的各单频驱动信号，其中图4是在一个界面中显示各个单频驱动信号波形，图5～图8是分别显示各个单频驱动信号波形，图4所示的各单频驱动信号叠加后仍可形成图3所示的任意波形目标谱线。

图4所示，分解后的各个单频驱动信号分别通过多通道伺服控制器1的信号输出通道1o1---1on向外输出，再经过多通道伺服信号放大器2中的各个伺服信号放大器21---2n放大，输出为多通道伺服能量转换器3内的各电液伺服阀V1---Vn所需要的驱动电流。电液伺服阀V1---Vn的作用是将放大后的小功率电流信号转换为阀芯的运动，以控制流向液压动力机构的液压油流量和压力。多通道伺服能量转换器3内的各电液伺服阀V1---Vn分别与多通道集成器件4内的各集成式蓄能器A1---An连接，这样驱动多通道伺服能量转换器3内的各电液伺服阀V1---Vn产生的液压能信号全部集成叠加在执行元件5（伺服液压缸）上。通过图4所示各单频驱动信号的叠加可知，在执行元件（伺服液压缸）5上仍可形成图3所示的任意波形目标谱线。由此可见，只需通过设置若干个单频的电液伺服阀就可以驱动伺服液压缸完成目标谱线设定的动作。通过这种控制方法就可以取代高频响的电液伺服阀达到所需目的。

该提高系统响应速度的控制方法和系统通过控制器将需要执行的目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位等参数均可调，各个单频驱动信号通过多组能量转换器作用在同一套执行元件上，并在执行过程中进行叠加，输出的动作可达到原目标谱线所需目的，即可得到高频响的伺服能量转换器（电液伺服阀）控制才能完成试验曲线，解决了现有技术中伺服能量转换器件在某些工况下，尤其是大输出量级的工况下响应速度（或频率）低的问题，本发明所述的提高系统响应速度的控制方法及系统通用性强，可操作性高，可控性好，可靠性好，维护方便，可在多种设备上配置，能满足多种工程需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种提高系统响应速度的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

在控制器上设置多种频率叠加的任意波形目标谱线，通过控制器对目标谱线进行分析计算，将该目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位参数均可调，分解后的各个单频驱动信号通过叠加可得到原目标谱线；

所述控制器将分解后的单频驱动信号分别通过不同的通道发送至多通道伺服信号放大器，通过伺服信号放大器将单频驱动信号进行放大；

经伺服信号放大器放大后的单频驱动信号分别发送给各个伺服能量转换器，将单频驱动信号转换成可执行的信号类型；

经过转换后的驱动信号通过多通道集成器件输出，由同一套执行元件执行；

这些驱动信号在被执行的过程中进行叠加，使执行元件的动作输出波形与控制器上设置的目标谱线一致。

2.根据权利要求1所述的提高系统响应速度的控制方法，其特征在于：所述执行元件的输出端设置一信号采集器，所述信号采集器输出端与信号调解器输入端相连，所述信号调解器输出端与控制器相连。

3.根据权利要求2所述的提高系统响应速度的控制方法，其特征在于：所述信号采集器用于采集执行元件的输出动作信号，并通过信号调解器反馈给控制器，从而形成闭环控制。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的提高系统响应速度的控制方法，其特征在于：所述信号调解器用于将信号采集器采集的执行元件的输出动作信号转化为控制器可识别的信号类型。

5.根据权利要求1所述的提高系统响应速度的控制方法，其特征在于：所述控制器可输出多种控制波形，所述控制器输出的控制波形的频率、幅值参数可调。

6.根据权利要求1所述的提高系统响应速度的控制方法，其特征在于：所述能量转换器用于将电信号转换成机械能、液压能或热能。

7.一种提高系统响应速度的控制系统，其特征在于，其包括：

控制器，所述控制器包括至少一个信号输入通道和多个信号输出通道，所述控制器用于设置任意波形目标谱线，对目标谱线进行分析计算，将该目标谱线分解为多个单频驱动信号，这些单频驱动信号的幅值、相位参数均可调，分解后的多个单频驱动信号通过叠加可形成原目标谱线，分解后的各个单频驱动信号可分别通过多个信号输出通道向外输出；

多通道伺服信号放大器，所述多通道伺服信号放大器包括多个信号输入通道和多个信号输出通道，所述多通道伺服信号放大器用于对多个单频驱动信号进行放大处理，所述多通道伺服信号放大器的多个信号输入通道与所述控制器的多个信号输出通道一一对应连接；

多个伺服能量转换器，所述多个伺服能量转换器分别与所述多通道伺服信号放大器的多个输出通道连接，伺服能量转换器用于将多通道伺服信号放大器输出的单频驱动信号转换成执行元件可识别的信号类型；

多通道集成器件，所述多通道集成器件各通道分别与多个伺服能量转换器相连，将转换后的信号统一处理发送给执行元件；

执行元件，所述执行元件接受多通道集成器件的驱动信号，并执行、输出目标谱线动作。

8.根据权利要求7所述的提高系统响应速度的控制系统，其特征在于：在所述执行元件输出端设有信号采集器，所述信号采集器用于采集执行元件的输出动作信号。

9.根据权利要求7所述的提高系统响应速度的控制系统，其特征在于：所述伺服能量转换器为电液伺服阀，所述执行元件为伺服液压缸。

10.根据权利要求8所述的提高系统响应速度的控制系统，其特征在于：所述信号采集器输出端与信号调解器输入端相连，所述信号调解器输出端与所述控制器的信号输入通道相连，形成一闭环控制回路，所述信号调解器用于将信号采集器采集的执行元件动作信号转化为控制器可识别的信号类型。