CN108266432B - 一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法及系统。其中，该方法包括如下步骤：获取液压系统的原始压力信号和电机转速；确定所述原始压力信号的压力脉动频率；确定所述电机转速与所述压力脉动频率之间的线性关系；根据所述线性关系确定上限频率和下限频率，以对所述原始压力信号进行带通滤波，输出滤波后的压力值。可以看出，本发明不需要对系统的结构进行复杂设计和改造，大大地降低了泵源液压系统的制造难度。此外，由于本发明根据压力脉动频率和电机转速之间的线性关系来确定对原始压力信号进行带通滤波的上限频率和下限频率，所以本发明实施例适用于不同的泵源液压系统，通用性较强。

Description

一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法及系统
技术领域
本发明涉及液压技术领域，尤其涉及一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法及系统。
背景技术
泵源液压系统压力脉动主要是由于泵内部的结构特性决定了输出的流量不是恒定的而是变化的，泵的输出流量遇到系统负载阻抗后形成系统压力，从而使输出流量和压力产生周期性脉动，该压力脉动对于闭环控制系统而言会降低控制精度、提高控制复杂度，所以必须采取措施予以消除。目前，消除压力脉动的方法主要有如下两种：一种是通过改进液压泵的结构来抑制泵源脉动，另一种是通过设计液压压力脉动滤波器结构来进行滤波。这两种方法都需要设计复杂的结构来消除脉动，大大地增加了泵源液压系统的制造难度；此外，这两种方法的滤波频段均固定，很难适应不同的液压系统。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法及系统，用以解决现有滤波方法需要设计复杂结构进而增加系统制造难度、以及不能自适应滤除不同泵源液压系统脉动的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一个方面，本发明提供了一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，该方法包括如下步骤：获取步骤，获取液压系统的原始压力信号和电机转速；频率确定步骤，确定所述原始压力信号的压力脉动频率；线性关系确定步骤，确定所述电机转速与所述压力脉动频率之间的线性关系；带通滤波步骤，根据所述线性关系确定上限频率和下限频率，以对所述原始压力信号进行带通滤波，输出滤波后的压力值。
可以看出，本发明通过确定原始压力信号中的压力脉动频率与电机转速的线性关系，并通过带通滤波来消除脉动，不需要对系统的结构进行复杂设计和改造，与现有技术中消除脉动的方式相比，本发明大大地降低了泵源液压系统的制造难度。此外，由于本发明根据压力脉动频率和电机转速之间的线性关系来确定对原始压力信号进行带通滤波的上限频率和下限频率，所以本发明实施例适用于不同的泵源液压系统，通用性较强。本发明只是通过简单运算确定上下限频率的方式即可消除脉动的问题，大大地节约了开发成本，而且由于电机转速和压力脉动频率之间的线性关系，还提高了闭环压力控制的精度、降低了控制系统的复杂度。
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法中，所述频率确定步骤进一步包括：对所述原始压力信号进行跟踪微分滤波；对跟踪微分滤波后的原始压力信号进行FFT变换；对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率。
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法中，所述对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率进一步为：根据式确定压力脉动频率；式中，X(n0)为频域幅值最大值，n0为频域幅值最大值对应的数组序号，Ts为采样周期，f为压力脉动频率，X(n)为跟踪微分滤波输出的频域数据数组，n为频域数据数组序号。
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法中，所述线性关系确定步骤进一步包括：构造线性回归函数式中，wi为电机转速，fi为压力脉动频率，Ns为跟踪微分滤波输出的时域数据数组总个数，a′、b′为线性回归系数；对F(a′,b′)求最小值，得到线性回归系数a′、b′为：式中，分别为压力脉动频率和电机转速的平均值；确定电机转速wi和压力脉动频率fi的线性关系为：wi＝b′fi+a′。
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法中，所述带通滤波步骤中，所述上限频率按下式确定：
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法中，所述带通滤波步骤中，所述下限频率按下式确定：
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法中，所述带通步骤中，输出的滤波后的压力值Pfilter(k)为：Pfilter(k)＝x21(k)-x11(k)；其中，k为时域数据数组序号，x21(k)为低频跟踪微分滤波的输出时域数据数组x21(k)，x11(k)为高频跟踪微分滤波的输出时域数据数组。
另一方面，本发明还提供了一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统，该系统包括：获取模块，用于获取液压系统的原始压力信号和电机转速；频率确定模块，用于确定所述原始压力信号的压力脉动频率；线性关系确定模块，用于确定所述电机转速与所述压力脉动频率之间的线性关系；带通滤波模块，用于根据所述线性关系确定上限频率和下限频率，以对所述原始压力信号进行带通滤波；压力值确定模块，用于根据所述带通滤波的输出结果确定所述原始压力信号的压力值。
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统中，所述频率确定模块进一步包括：微分滤波子模块，用于对所述原始压力信号进行跟踪微分滤波；变换子模块，用于对跟踪微分滤波后的原始压力信号进行FFT变换；频率确定子模块，用于对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率。
进一步地，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统中，所述带通滤波模块还用于：输出的滤波后的压力值Pfilter(k)为：Pfilter(k)＝x21(k)-x11(k)；其中，k为时域数据数组序号，x21(k)为低频跟踪微分滤波的输出时域数据数组x21(k)，x11(k)为高频跟踪微分滤波的输出时域数据数组。
由于本发明中的滤波系统与上述滤波方法原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例提供的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法的又一流程图；
图3为本发明实施例提供的泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统的结构框图；
图4为本发明实施例提供的泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统中，频率确定模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
方法实施例：
本发明的一个具体实施例，公开了一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法。参见图1和图2，该方法包括如下步骤：
获取步骤S1，获取泵源液压系统的原始压力信号P0(k)和电机转速wi。
频率确定步骤S2，确定原始压力信号P0(k)的压力脉动频率。
首先，对获取的原始压力信号P0(k)进行跟踪微分滤波。
具体地，将原始压力信号P0(k)送入低通的微分跟踪滤波器
上式中，为截止频率，h0为滤波因子，h为采样步长，x1(k)为跟踪微分滤波的输出时域数据数组，x2(k)为跟踪微分滤波的中间状态变量，k为时域数据数组序号。
上式中的fhan(x1(k)-P0(k),x2(k),r,h0)可以为：
最速综合函数：
上式中，
x在上式中先后赋值(y)/(y+d)/(y-d)/(a+d)/(a-d)/a。
该微分跟踪滤波器对原始压力信号进行低通滤波，以滤除高频系统噪声，如采集及电磁噪声等，得到低频的压力脉动噪声。
然后，对跟踪微分滤波后的原始压力信号进行FFT变换；
具体地，将经过微分跟踪滤波器进行滤波后的信号进行FFT(快速傅里叶变换)，即其中，K为跟踪微分滤波输出的时域数据数组总个数，k为时域数据数组序号，X(n)为跟踪微分滤波输出的频域数据数组，n为频域数据数组序号；
最后，对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定压力脉动频率f。
具体地，对FFT后的原始压力信号进行频谱分析，得到的频率序列进入频率定位得到压力脉动频率fi。其中，X(n0)为频域幅值最大值，n0为频域幅值最大值对应的数组序号，Ts为采样周期。
线性关系确定步骤S3，确定电机转速wi与压力脉动频率fi之间的线性关系。具体实施时，可以利用线性回归法确定电机转速与压力脉动频率之间的线性关系，下面对线性回归法进行详细说明：
首先，构造线性回归函数式中，wi为电机转速，fi为压力脉动频率，Ns＝K，为跟踪微分滤波输出的时域数据数组总个数，i为频率序号变量，a′、b′为线性回归系数。
然后对F(a,b)求最小值，得到线性回归系数a′、b′为：
式中，分别为压力脉动频率和电机转速的平均值。
最后，确定电机转速wi压力脉动频率fi的线性关系为：wi＝b′fi+a′。
这样，在已知泵电机转速wi的情况下，就可以得到压力脉动频率fi。
带通滤波步骤S4，根据线性关系确定上限频率fH和下限频率fL，以对原始压力信号P0(k)进行带通滤波。
先根据电机转速和压力脉动频率之间的线性关系确定上限频率fH和下限频率fL。具体为：上限频率下限频率
其中，带通滤波中的高频跟踪微分滤波为：
上式中，x11(k)为高频跟踪微分滤波的输出时域数据数组，x12(k)为高频跟踪微分滤波的中间状态变量，r1＝(fH1.14)2。
上式中的fhan(x11(k)-P0(k),x12(k),r1,h0)可以为：
最速综合函数：
上式中，
x在上式中先后赋值(y)/(y+d)/(y-d)/(a+d)/(a-d)/a。
带通滤波中的低频跟踪微分滤波为：
上式中，x21(k)为低频跟踪微分滤波的输出时域数据数组，x22(k)为低频跟踪微分滤波的中间状态变量，r2＝(fL1.14)2。
上式中的fhan(x21(k)-P0(k),x22(k),r2,h0)可以为：
最速综合函数：：
上式中，
x在上式中先后赋值(y)/(y+d)/(y-d)/(a+d)/(a-d)/a。
滤波后输出的压力值Pfilter(k)为：Pfilter(k)＝x21(k)-x11(k)。
可以看出，本发明实施例通过确定原始压力信号中的压力脉动频率与电机转速的线性关系，并通过带通滤波来消除脉动问题，不需要对系统的结构进行复杂设计和改造，与现有技术中消除脉动的方式相比，本发明实施例大大地降低了泵源液压系统的制造难度。此外，由于本发明实施例根据压力脉动频率和电机转速之间的线性关系来确定对原始压力信号进行带通滤波的上限频率和下限频率，所以本发明实施例适用于不同的泵源液压系统，通用性较强。而且，本发明实施例只是通过简单运算确定上下限频率的方式即可消除脉动问题，大大地节约了开发成本，而且由于电机转速和压力脉动频率之间的线性关系，还提高了闭环压力控制的精度、降低了控制系统的复杂度。
系统实施例：
参见图3，图3为本发明实施例提供的泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统的结构框图。该系统包括：
获取模块301，用于获取液压系统的原始压力信号和电机转速；
频率确定模块302，用于确定所述原始压力信号的压力脉动频率；
线性关系确定模块303，用于确定所述电机转速与所述压力脉动频率之间的线性关系；
带通滤波模块304，用于根据所述线性关系确定上限频率和下限频率，以对所述原始压力信号进行带通滤波，输出滤波后的压力值。
参见图4，上述泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统中，频率确定模块进一步包括：
微分滤波子模块401，用于对所述原始压力信号进行跟踪微分滤波；
变换子模块402，用于对跟踪微分滤波后的原始压力信号进行FFT变换；
频率确定子模块403，用于对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率。
上述各实施例中，带通滤波模块还用于：输出滤波后的压力值Pfilter(k)为：Pfilter(k)＝x21(k)-x11(k)；其中，k为时域数据数组序号，x21(k)为低频跟踪微分滤波的输出时域数据数组x21(k)，x11(k)为高频跟踪微分滤波的输出时域数据数组。
本发明实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。
由于本实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。
综上所述，本发明实施例提供了一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，解决了传统滤波措施需要设计复杂结构以及不能自适应滤除不同泵源液压系统的脉动的问题，不但节约了开发成本，而且提高了闭环压力控制的精度、降低了控制系统的复杂度。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
获取步骤，获取液压系统的原始压力信号和电机转速；
频率确定步骤，确定所述原始压力信号的压力脉动频率；进一步包括：
对所述原始压力信号进行跟踪微分滤波；
对跟踪微分滤波后的原始压力信号进行FFT变换；
对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率；
线性关系确定步骤，利用线性回归法确定所述电机转速与所述压力脉动频率之间的线性关系；
带通滤波步骤，根据所述线性关系确定上限频率和下限频率，以对所述原始压力信号进行带通滤波，输出滤波后的压力值。
2.根据权利要求1所述的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，其特征在于，所述对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率进一步为：
根据式确定压力脉动频率；式中，X(n0)为频域幅值最大值，n0为频域幅值最大值对应的数组序号，Ts为采样周期，f压力脉动频率，X(n)为跟踪微分滤波输出的频域数据数组，n为频域数据数组序号，K为跟踪微分滤波输出的时域数据数组总个数。
3.根据权利要求2所述的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，其特征在于，所述线性关系确定步骤进一步包括：
构造线性回归函数式中，wi为电机转速，fi为压力脉动频率，Ns为跟踪微分滤波输出的时域数据数组总个数，a′、b′为线性回归系数；
对F(a′,b′)求最小值，得到线性回归系数a′、b′为：式中，分别为压力脉动频率和电机转速的平均值；
确定电机转速wi和压力脉动频率fi的线性关系为：wi＝b′fi+a′。
4.根据权利要求3所述的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，其特征在于，所述带通滤波步骤中，所述上限频率fH按下式确定：
5.根据权利要求3所述的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，其特征在于，所述带通滤波步骤中，所述下限频率fL按下式确定：
6.根据权利要求1至5中任一项所述的泵源液压系统压力脉动自适应滤波方法，其特征在于，所述带通滤波步骤中，输出的滤波后的压力值Pfilter(k)为：Pfilter(k)＝x21(k)-x11(k)；其中，k为时域数据数组序号，x21(k)为低频跟踪微分滤波的输出时域数据数组x21(k)，x11(k)为高频跟踪微分滤波的输出时域数据数组。
7.一种泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取液压系统的原始压力信号和电机转速；
频率确定模块，用于确定所述原始压力信号的压力脉动频率；进一步包括：
微分滤波子模块，用于对所述原始压力信号进行跟踪微分滤波；
变换子模块，用于对跟踪微分滤波后的原始压力信号进行FFT变换；
频率确定子模块，用于对FFT变换后的原始压力信号进行频率定位，确定所述压力脉动频率；
线性关系确定模块，用于确定所述电机转速与所述压力脉动频率之间的线性关系；
带通滤波模块，用于根据所述线性关系确定上限频率和下限频率，以对所述原始压力信号进行带通滤波，输出滤波后的压力值。
8.根据权利要求7所述的泵源液压系统压力脉动自适应滤波系统，其特征在于，所述带通滤波模块还用于：输出滤波后的压力值Pfilter(k)为：Pfilter(k)＝x21(k)-x11(k)；其中，k为时域数据数组序号，x21(k)为低频跟踪微分滤波的输出时域数据数组x21(k)，x11(k)为高频跟踪微分滤波的输出时域数据数组。
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