CN107102658A - 一种离线次级通道的辨识方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离线次级通道的辨识方法，使用气动冲击力锤在作动器安装位置处施加冲击力，同时测量冲击锤的力信号和误差传感器的加速度信号，利用这两个信号对结构的动力学特性进行辨识；使用控制器产生宽带白噪声信号，经由滤波器、功率放大器驱动作动器，通过采集作动器动子上的加速度信号以及控制器发出的白噪声信号计算作动器的动力学特性；由计算出的被控结构动力学特性以及作动器的动力学特性合成次级通道的权系数；根据控制需求，对计算出的次级通道权系数进行重采样，得到次级通道的全系统。被控机械误差响应点的信号不会受到控制器产生的噪声信号的影响，实现次级通道较高的辨识精度。本发明还公开了一种离线次级通道的辨识装置。

Description

一种离线次级通道的辨识方法及装置
技术领域
本发明属于力学环境领域，具体涉及一种提升振动主动控制的控制效果。
背景技术
振动问题一直是力学环境领域的热点问题。按照其影响可分为有益振动和有害振动两种。常见的有益振动如电动打桩、电动筛选等，有害的振动就更为常见了，如各类交通工具上发动机等动力设备运行时产生的振动，这些振动一方面对机械设备的可靠性和稳定性产生影响，另一方面也会对影响交通工具的乘坐舒适性。因此，对于这些有害的振动，需要采取相应的措施加以控制。
常见的振动控制措施有隔振、吸振等。其中，隔振由于能够对宽频带振动进行抑制，因此得到广泛的应用。隔振分为被动隔振和主动隔振两种，被动隔振通过在振动设备与安装基础之间布置隔振器的方式，来减小振动从设备向基础的传递。隔振器通常由橡胶等材质较软的结构构成，隔振器与振动设备构成一个质量弹簧系统，该系统的力传递特性如图1所示。这种被动隔振器只对高频振动起作用，而对中低频的振动反而有放大的作用。而主动隔振技术是通过在振动设备和安装基础之间安装作动器的方式，通过控制算法使得作动器产生反向等幅值振动，从而达到用振动抵消振动的控制技术。该技术的雏形早在20世纪初就出现了，但是由于难以工程实现，因此该技术没有受到重视。20世纪80年代，随着计算机技术和数字信号处理技术的迅猛发展，使得该技术的实现成为可能。大量围绕该技术的理论和应用创新不断涌现，其中基于自适应滤波的最小均方算法(LMS算法)，由于其简单、稳定、易于实现的优点得到广泛的应用。目前，在主动控制领域的大多算法都是以LMS算法为基础的，如FxLMS算法等。从控制器的输出经由滤波器、功率放大器、加速度传感器等环节，使得控制器的输出信号与加速度传感器测得的信号之间形成了一个物理通道，该通道被称为次级通道，对次级通道的辨识是FxLMS算法的关键，次级通道辨识的好坏，影响着最终的控制效果。次级通道的辨识通常通过控制器产生宽带噪声信号，经由滤波器、功率放大器驱动作动器产生振动，同时采集误差响应点的加速度信号，用标准LMS算法计算次级通道的权系数。这种方法在一般情况下是可以精确地进行次级通道辨识的，然而对于大型振动设备，次级通道的系统阻抗往往较大，这时，作动器在误差观测点处引起的振动较小，因此该信号容易受到噪声的干扰，这会导致较低的辨识精度，并最终影响控制效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种离线次级通道辨识方法及装置，被控机械误差响应点的信号不易受到其他噪声信号的影响，实现次级通道较高的辨识精度。
为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种离线次级通道的辨识方法，包括如下步骤：
(1)通过激励源对被控机械的作动器安装位置施加冲击力，测量激励源的力信号函数f(t)和被控机械误差响应点处的加速度信号函数x1(t)，通过f(t)和x1(t)计算被控机械的力学特性函数h1(t)，其中，
(2)通过控制器产生驱动作动器振动的白噪声信号，测量白噪声信号函数n(t)和作动器活动部件上的加速度信号x2(t)，通过n(t)和x2(t)计算作动器的动力学特性函数h2(t)，其中，
(3)通过h1(t)和h2(t)合成次级通道的权系数函数h(t)，其中，h(t)＝h1(t)*h2(t)；
(4)根据控制系统的控制需求，对计算出的h(t)进行重采样，得到次级通道的全系统函数h(k)，其中，
其中：
步骤(1)和步骤(2)中，t表示时间变量，ω表示圆频率，表示傅里叶变换，表示傅里叶逆变换，右角标H表示厄尔米特转置；
步骤(3)中，“*”代表卷积运算；
步骤(4)中，k表示离散时间序号，△T为控制系统采样周期,。
进一步的，所述激励源采用气动冲击锤。
进一步的，所述白噪声信号依次经滤波器、功率放大器后驱动作动器振动。
本发明还提供另外一个技术方案：一种离线次级通道的辨识装置，包括：
-激励源，用于施加冲击力；
-被控机械，用于在所述激励源的激励下振动；
-力传感器，用于测量冲击力的力信号函数；
-误差传感器，用于测量被控机械误差响应点的加速度信号函数；
-噪声源，用于产生驱动作动器振动的白噪声信号；
-作动器，用于在所述白噪声驱动下进行振动；
-加速度传感器，用于采集所述作动器的活动部件的加速度信号；
-固化有程序的控制单元，用于根据各传感器采集的信号计算次级通道的全系统，其分别与所述力传感器、所述误差传感器、所述噪声源以及所述加速度传感器连接。
进一步的，所述激励源采用气动冲击锤。
进一步的，所述噪声源包括依次输出连接的控制器、滤波器以及功率放大器。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明采用离线方法测量误差响应点的加速度，进而计算控制系统的全系统，误差传感器的信号不会受到控制器产生的噪声信号的影响，实现次级通道较高的辨识精度。
附图说明
图1为被动隔振力传递曲线图；
图2为本发明公开的离线次级通道的辨识装置的连接示意图；
图3为本发明公开的离线次级通道的辨识装置的位置示意图；
图4为本发明公开的离线次级通道的辨识装置的原理框图。
其中，10、气动冲击锤；20、被控机械；30、力传感器；40、误差传感器；50、噪声源；51、控制器；52、滤波器；53、功率放大器；60、作动器；70、加速度传感器；80、控制单元；81、数据采集仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。
参见图2至图4，如其中的图例所示：一种离线次级通道的辨识装置，包括：
-气动冲击锤10，用于产生冲击力；
-被控机械20，用于在气动冲击锤10的激励下振动；
-力传感器30，用于测量冲击力的力信号函数；
-误差传感器40，用于测量被控机械20误差响应点的加速度信号函数；
-噪声源50，包括依次输出连接的控制器51、滤波器52以及功率放大器53，用于产生驱动作动器70振动的白噪声信号，该白噪声信号符合白噪声信号函数；
-作动器60，用于在白噪声驱动下进行振动；
-加速度传感器70，用于采集作动器60的活动部件的加速度信号；
-固化有程序的控制单元80，用于根据各传感器采集的信号计算次级通道的全系统，其分别与力传感器20、误差传感器40、噪声源50以及加速度传感器70连接。
以下为一种离线次级通道的辨识方法，包括如下步骤：
(1)对于被控机械20，将误差传感器安装在振动控制目标位置处(图中位置A)，将汽动冲击锤安装在振动控制作动器布置点(图中位置B)。将加速度传感器70和汽动冲击锤10内置的力传感器连接至数据采集仪81，将数据采集仪81与控制单元80(即计算机)相连。这里数据采集仪81用于实时采集冲击力锤10所产生的脉冲信号以及加速度传感器70拾取的加速度信号，计算机用于对采集到的信号进行处理，采集到典型力信号和加速度信号；
(2)通过气动冲击锤10对被控机械20的作动器安装位置施加冲击力，通过力传感器30测量气动冲击锤10的力信号函数f(t)和通过误差传感器40测量被控机械20误差响应点处的加速度信号函数x1(t)，通过f(t)和x1(t)计算被控机械20的力学特性函数h1(t)，其中， 其中t表示时间变量，ω表示圆频率，表示傅里叶变换，表示傅里叶逆变换，右角标H表示厄尔米特转置；
(3)通过控制器51产生符合函数n(t)的白噪声信号，经滤波器52和功率放大器53驱动作动器60振动，通过加速度传感器70测量作动器60活动部件上的加速度信号x2(t)，通过n(t)和x2(t)计算作动器60的动力学特性函数h2(t)，其中， 其中，t表示时间变量，ω表示圆频率，表示傅里叶变换，(·)表示傅里叶逆变换，右角标H表示厄尔米特转置；
(3)通过h1(t)和h2(t)合成次级通道的权系数函数h(t)，其中，h(t)＝h1(t)*h2(t)，其中，“*”代表卷积运算；
(4)根据控制系统的控制需求，对计算出的h(t)进行重采样，得到次级通道的全系统函数h(k)，其中，其中，△T为控制系统采样周期,△T＝1/Fs，这里Fs为控制系统的采样频率；以常见的低频振动主动控制为例，Fs＝2000Hz，则ΔT＝1/2000＝0.005秒。
以下为传统次级通道的辨识结果与本申请中离线次级通道的辨识结果的对比，在此，用信噪比SNR来衡量两种方法的辨识精度。如图4所示，辨识误差e[n]＝d[n]-y[n]，其中d[n]为待辨识系统在激励x[n]下的响应，n为离散时间序号。y[n]为权向量W与输入向量{x[n]x[n-1]x[n-2]…x[n-L+1]}的内积。L为滤波器的阶数，下面算例中L＝256。信噪比SNR在此的定义为：
其中||·||2表示2范数。信噪比SNR越大，表明辨识精度越高。
下表1给出了对小型弱阻尼结构(简支钢梁)采用两种辨识方法的辨识结果对比，简直钢梁长度L＝1500mm，宽度b＝120mm，厚度h＝16mm。在梁的长度方向等间距布置5个点，在第1个点处安装作动器，对该配置下的5个次级通道进行辨识，两种辨识方法的辨识精度见表1。从表1的结果可以看出，对于小型弱阻尼结构，本申请的离线次级通道辨识方法辨识精度略高于传统辨识方法的辨识精度，但是这种优势并不明显。
表1小型弱阻尼结构次级通道辨识精度对比
表2给出了对大型强阻尼结构(柴油发电机组双层隔振系统)采用两种辨识方法的辨识结果对比，柴油发电机组总重量2400kg，柴油发电机组4个基脚通过4组隔振器与刚性基础相连，每个基脚均安装1个作动器。该配置下形成的次级通道数目N＝16，在此配置下两种辨识方法的辨识精度见表2。
表2大型强阻尼结构次级通道辨识精度对比
通道序号 传统次级通道的辨识精度 本申请方法的辨识精度
1 23.2dB 27.1dB
2 20.5dB 25.4dB
3 22.2dB 26.8dB
4 23.5dB 25.6dB
5 25.0dB 29.7dB
6 24.3dB 27.9dB
7 22.2dB 24.6dB
8 20.0dB 23.6dB
9 24.9dB 28.5dB
10 23.3dB 26.5dB
11 24.8dB 28.2dB
12 22.1dB 25.7dB
13 20.9dB 23.1dB
14 21.6dB 24.8dB
15 21.5dB 25.0dB
16 25.7dB 28.9dB
从表2可以看出，对于大型强阻尼机构，本申请的离线次级通道辨识方法的辨识精度远高于传统辨识方法。
通过上述针对不同结构进行的次级通道辨识试验的比较可知，本申请的离线次级通道辨识方法对于弱阻尼结构，其精度略高于传统辨识方法；而对于大型强阻尼结构，本申请的离线次级通道辨识方法与传统辨识方法相比具有明显的优势，其辨识精度远高于传统辨识方法。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种离线次级通道的辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过激励源对被控机械的作动器安装位置施加冲击力，测量激励源的力信号函数f(t)和被控机械误差响应点处的加速度信号函数x1(t)，通过f(t)和x1(t)计算被控机械的力学特性函数h1(t)，其中，
(2)通过控制器产生驱动作动器振动的白噪声信号，测量白噪声信号函数n(t)和作动器活动部件上的加速度信号x2(t)，通过n(t)和x2(t)计算作动器的动力学特性函数h2(t)，其中，
(3)通过h1(t)和h2(t)合成次级通道的权系数函数h(t)，其中，h(t)＝h1(t)*h2(t)；
(4)根据控制系统的控制需求，对计算出的h(t)进行重采样，得到次级通道的全系统函数h(k)，其中，
其中：
步骤(1)和步骤(2)中，t表示时间变量，ω表示圆频率，表示傅里叶变换，表示傅里叶逆变换，右角标H表示厄尔米特转置；
步骤(3)中，“*”代表卷积运算；
步骤(4)中，k表示离散时间序号，ΔT为控制系统采样周期。
2.根据权利要求1所述的离线次级通道的辨识方法，其特征在于，所述激励源采用气动冲击锤。
3.根据权利要求1所述的离线次级通道的辨识方法，其特征在于，所述白噪声信号依次经滤波器、功率放大器后驱动作动器振动。
4.一种离线次级通道的辨识装置，其特征在于，包括：
-激励源，用于施加冲击力；
-被控机械，用于在所述激励源的激励下振动；
-力传感器，用于测量冲击力的力信号函数；
-误差传感器，用于测量被控机械误差响应点的加速度信号函数；
-噪声源，用于产生驱动作动器振动的白噪声信号；
-作动器，用于在所述白噪声驱动下进行振动；
-加速度传感器，用于采集所述作动器的活动部件的加速度信号；
-固化有程序的控制单元，用于根据各传感器采集的信号计算次级通道的全系统，其分别与所述力传感器、所述误差传感器、所述噪声源以及所述加速度传感器连接。
5.根据权利要求4所述的离线次级通道辨识装置，其特征在于，所述激励源采用气动冲击锤。
6.根据权利要求4所述的离线次级通道辨识装置，其特征在于，所述噪声源包括依次输出连接的控制器、滤波器以及功率放大器。
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