CN108469849A - 一种随机角振动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种随机角振动控制方法，属于自动控制领域。所述方法为：利用伺服控制与随机控制共同作用来实现角振动台转动的角位移、角速度以及角加速度的功率谱复现。随机控制是根据设置的参考谱与反馈的响应信号功率谱来修正驱动谱，从而产生驱动信号，伺服控制是利用此驱动信号与反馈的响应信号实时精准地控制角振动台进行角振动，最终实现响应谱稳定在参考谱容差带范围以内。本发明解决了角振动台进行随机角振动的实现问题，并且较好地满足了实时性的要求。

Description

一种随机角振动控制方法
技术领域
本发明涉及一种随机角振动控制方法，属于自动控制领域。
背景技术
惯性导航系统是航空、航天、航海领域中的一项核心技术，惯性传感器是惯导系统中不可缺少的核心测量器件。为了保证这些惯性器件工作的可靠性，需要对其进行定期校验。其中动态角运动校准尤为重要，现阶段动态角运动校准只有正弦角振动校准和半正弦角冲击校准，最接近实际环境的随机角振动的校准还没有实现。角振动激励源是进行动态角运动量校准的基础，因此对于设计出能够产生随机激励的角振动控制系统十分迫切。随机控制方法现已应用到单向线振动和多维线振动领域，但是对于角振动领域的随机控制还是处于研究阶段。
发明内容
针对现有技术中还没有能实现随机角振动的控制系统及方法的问题。本发明公开的一种随机角振动控制方法要解决的技术问题是，将随机角振动控制方法灵活地应用在角振动台系统上，使得角振动台能够实现高精度的角运动功率谱复现。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种随机角振动控制方法，包括如下步骤：
步骤1：通过上位机对角运动进行选择，是为了控制该角运动的功率谱复现，并将选择的角运动的参考谱与谱线数，输入到上位机；上位机根据参考谱与谱线数计算出频率分辨率；
所述的角运动包括角位移、角速度和角加速度；
步骤2：进行预实验，设置预实验角速度驱动谱，通过随机信号发生模块不断产生预实验角速度随机驱动信号，预实验角速度随机驱动信号经过D/A转换及低通滤波后输入给伺服控制器，伺服控制器控制角振动台进行角振动。采集角位移传感器信号，处理后得到角振动台的预实验角位移信号，预实验角位移信号分为两路，一路输入给伺服控制器，以实现闭环控制。另一路进行功率谱估计，得到预实验角位移响应谱，通过预实验角位移响应谱计算出预实验角速度响应谱，利用预实验角速度响应谱与设置的预实验角速度驱动谱计算出系统频响函数，利用步骤1中设置的参考谱与系统频响函数求出角运动驱动谱；
步骤3：根据角位移功率谱、角速度功率谱、角加速度功率谱三者之间的关系(式1、式2)将角运动驱动谱转化成角速度驱动谱；
Gv(f)＝(2πf)2Gx(f)(1)
Gv(f)＝Ga(f)/(2πf)2(2)
步骤4：利用随机信号发生模块将步骤3的角速度驱动谱转化成角速度随机驱动信号；
步骤5：伺服控制器根据步骤4的角速度随机驱动信号，通过控制算法控制角振动台进行角振动；
步骤6：采集角位移传感器输出信号，处理后得到角振动台的角位移信号，将角位移信号反馈给伺服控制器，伺服控制器根据角位移信号进行闭环控制。同时，对角位移信号进行谱估计得到角位移响应谱，再根据三种角运动功率谱之间的关系计算出角运动响应谱；
步骤7：将所有步骤6的角运动响应谱结果进行平均处理作为谱估计的基础谱；
步骤8：判断基础谱是否在参考谱的±3dB以内，不符合要求，继续重复步骤4至步骤7；符合要求，进行步骤9；
步骤9：判断基础谱是否在参考谱的容差带范围以内，容差带可根据需求定义。不符合要求，则利用基础谱与步骤1的参考谱作差得到误差谱，通过误差谱和步骤2的系统频响函数得到角运动驱动谱的修正谱；将修正谱累加到角运动驱动谱上，完成角运动驱动谱的更新修正，得到修正后的角运动驱动谱。符合要求，则不更新修正角运动驱动谱；
步骤10：根据角位移功率谱、角速度功率谱、角加速度功率谱三者之间的关系(式1、式2)将步骤9所得的角运动驱动谱转化成角速度驱动谱；
步骤11：利用随机信号发生模块将步骤10的角速度驱动谱转化成角速度随机驱动信号；
步骤12：伺服控制器根据步骤11的角速度随机驱动信号，通过控制算法控制角振动台进行角振动；
步骤13：采集角位移传感器输出的角振动台的角位移信号；并将角位移信号反馈给伺服控制器，伺服控制器根据角位移信号进行闭环控制。同时，对角位移信号进行谱估计得到角位移响应谱，再根据三种角运动功率谱之间的关系计算出角运动响应谱；
步骤14：将步骤13得到的角运动响应谱对步骤7得到的基础谱进行10％的更新，得到更新后的基础谱；
步骤15：重复循环步骤9到14，保持角运动响应谱稳定在参考谱容差带范围以内。此控制方法能够实现角运动的功率谱复现，即实现了随机角振动控制。
实现随机角振动控制方法的角振动台装置，包括上位机、角位移传感器、控制器和角振动台，组合成闭环控制系统。
有益效果
(1)本发明的随机角振动控制方法采用随机控制和伺服控制结合的方式，实现了角振动的随机控制，并且通过闭环控制，提高了响应谱的收敛速度；
(2)本发明的随机角振动控制方法使控制系统较好地满足了实时性的要求，并且通过修正基础谱的方式进行谱估计，保证了实时谱估计的精度。
附图说明
图1本发明的随机角振动控制原理图；
图2本发明的随机角振动控制方法流程图；
图3随机信号生成流程流程图；
图4伺服控制系统结构图；
图5功率谱估计流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明的随机角振动控制原理如图1所示，所使用的角振动台装置采用电机式角振动台，由伺服电机作为角运动的激振器，圆光栅作为角位移传感器，圆光栅固定于电机主轴上，角振动台圆台面与电机主轴同轴心刚性连接。角位移传感器所采集的信号经处理后即为角振动台的角位移信号。伺服控制部分采用伺服控制器实现对伺服电机的控制，随机控制部分则采用自主设计的手段利用计算机编程来实现。
本发明的具体方法流程如图2所示，本发明的随机角振动控制方法包括以下步骤：
步骤1通过上位机选择角速度功率谱复现。并设置参考谱与谱线数，通过设置的参考谱与谱线数计算出频率分辨率。
步骤2进行预实验，操作人员通过上位机设置预实验角速度驱动谱，随机信号发生模块不断产生预实验角速度随机驱动信号，预实验角速度随机驱动信号经过D/A转换及低通滤波后输入给伺服控制器，伺服控制器控制角振动台进行角振动。采集圆光栅角位移传感器信号，处理后得到角振动台预实验角位移信号，预实验角位移信号分为两路，一路输入给伺服控制器，以实现闭环控制。另一路用Welch法进行功率谱估计，得到预实验角位移响应谱，利用公式(1)将预实验角位移响应谱计算出预实验角速度响应谱，利用预实验角速度响应谱G′vy(f)与设置的预实验角速度驱动谱G′vx(f)通过公式(3)计算出系统频响函数H(f)。
|H(f)|2＝G′vy(f)/G′vx(f) (3)
利用步骤1中设置的角速度参考谱与系统频响函数求出角速度驱动谱。
本实施例中，所述D/A转化及低通滤波均通过配置数据采集卡实现。
步骤3在本实例中不需要执行。
步骤4的实现流程如图3所示，具体步骤如下：
步骤4.1将角速度驱动谱转化为幅值谱，将幅值谱添加服从均匀分布的随机相位构建驱动信号的频谱。此操作为本领域技术人员公知常识。
步骤4.2对频谱进行快速傅里叶反变换得到伪随机信号。
步骤4.3将每一帧伪随机信号中的随机一点作为起点，将起点之前的信号与起点之后的信号对调位置，重新组合成一帧新的伪随机信号。
步骤4.4对信号加hanning窗，将相邻三帧信号中的第一帧信号后50％与第二帧信号前50％相加，第二帧信号后50％与第三帧信号前50％相加，将两次相加的结果连接组合成一帧信号。
步骤4.5对信号进行幅值修正，实现生成真随机信号，得到角速度随机驱动信号。
步骤5伺服控制的三闭环控制结构图如图4所示，伺服控制器根据角速度随机驱动信号使用速度环来控制角振动台进行角振动。
步骤6角振动台上的圆光栅输出的信号经高速数据采集卡采集处理后得到角振动台的角位移信号。将响应的角位移信号反馈给伺服控制器，伺服控制器进行闭环角速度控制。同时，对角位移信号进行Welch法谱估计得到角位移响应谱，再利用公式(1)，计算出角速度响应谱。
步骤6中，Welch法功率谱估计流程如图5所示，具体步骤如下：
步骤6.1每四帧信号进行一次首尾相连，以相邻两段重叠50％的方式将首尾相连的四帧信号分为7段，每段长度仍为一帧信号长度。
步骤6.2对每段信号加hamming窗后进行快速傅里叶变换，进而得到功率谱。
步骤6.3对功率谱估计结果进行平均处理后再进行归一化处理，将得到的双边功率谱转化为单边功率谱。
步骤7将所有步骤6的角速度响应谱结果进行平均处理作为谱估计的基础谱；
步骤8判断基础谱是否在参考谱的±3dB以内，不符合要求，继续重复步骤4至步骤7；符合要求，进行步骤9；
步骤9：判断基础谱是否在参考谱的容差带范围以内，容差带可根据需求定义。
不符合要求，则利用基础谱与步骤1的参考谱作差得到误差谱Gve(f)k，通过误差谱和步骤2的系统频响函数H(f)得到角速度驱动谱的修正谱；将修正谱累加到角速度驱动谱Gvv(f)k上，完成角速度驱动谱的更新修正，得到修正后的角速度驱动谱Gvv(f)k+1。修正方法如公式(4)所示：
Gvv(f)k+1＝Gvv(f)k+α·Gve(f)k/|H(f)|2 (4)
其中，α为反馈增益，0＜α≤1。
符合要求，则不更新修正角速度驱动谱；
步骤10：在本实例中不需要执行。
步骤11：利用随机信号发生模块将步骤9的角速度驱动谱转化成角速度随机驱动信号；
步骤12：伺服控制器根据步骤11的角速度随机驱动信号，通过控制算法控制角振动台进行角振动；
步骤13：采集圆光栅角位移传感器信号，处理后得到角振动台的角位移信号；并将角位移信号反馈给伺服控制器，伺服控制器根据角位移信号进行闭环控制。同时，对角位移信号进行Welch法谱估计得到角位移响应谱，再根据三种角运动功率谱之间的关系计算出角速度响应谱；
步骤14：将步骤13得到的角速度响应谱对步骤7得到的基础谱进行10％的更新，得到更新后的基础谱；
步骤15：重复循环步骤9到14，保持角速度响应谱稳定在参考谱容差带范围以内。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
在步骤1中，通过上位机选择角位移功率谱复现。步骤2中利用步骤1中设置的角位移参考谱与系统频响函数求出角位移驱动谱。步骤3中，根据公式(1)将角位移驱动谱转化成角速度驱动谱；步骤6中，得到角位移响应功率谱之后，不需要计算出角速度响应功率谱。步骤7将所有步骤6的角位移响应谱结果进行平均处理作为谱估计的基础谱；步骤9中，不符合要求，则利用基础谱与步骤1的参考谱作差得到误差谱Gxe(f)k，通过误差谱Gxe(f)k和步骤2的系统频响函数H(f)得到角位移驱动谱的修正谱；将修正谱累加到角位移驱动谱Gxx(f)k上，完成角位移驱动谱的更新修正，得到修正后的角位移驱动谱Gxx(f)k+1。修正方法如公式(5)所示：
Gxx(f)k+1＝Gxx(f)k+β·Gxe(f)k/|H(f)|2 (5)
其中，β为反馈增益，0＜β≤1。
符合要求，则不更新修正角位移驱动谱；步骤10中，通过公式1将步骤9所得的角位移驱动谱转化成角速度驱动谱；步骤13中，得到角位移响应谱之后，不需要计算出角速度响应谱。步骤14中，将步骤13得到的角位移响应谱对步骤7得到的基础谱进行10％的更新；步骤15中，重复循环步骤9到14，保持角位移响应谱稳定在参考谱容差带范围以内。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：
在步骤1中，通过上位机选择角加速度功率谱复现。步骤2中利用步骤1中设置的角加速度参考谱与系统频响函数求出角加速度驱动谱。步骤3中，根据公式(2)将角加速度驱动谱转化成角速度驱动谱；步骤6中，对角位移信号进行Welch法谱估计得到角位移响应谱之后，再利用公式(1)和(2)，计算出角加速度响应谱。
步骤7将所有步骤6的角加速度响应谱结果进行平均处理作为谱估计的基础谱；步骤9中，不符合要求，则利用基础谱与步骤1的参考谱作差得到误差谱Gae(f)k，通过误差谱Gae(f)k和步骤2的系统频响函数H(f)得到角加速度驱动谱的修正谱；将修正谱累加到角加速度驱动谱Gaa(f)k上，完成角加速度驱动谱的更新修正，得到修正后的角加速度驱动谱Gaa(f)k+1。修正方法如公式(6)所示：
Gaa(f)k+1＝Gaa(f)k+γ·Gae(f)k/|H(f)|2 (6)
其中，γ为反馈增益，0＜γ≤1。
符合要求，则不更新修正角加速度驱动谱；步骤10中，通过公式(2)将步骤9所得的角加速度驱动谱转化成角速度驱动谱；步骤13中，得到角位移响应谱之后，再利用公式(1)和(2)，计算出角加速度响应谱；步骤14中，将步骤13得到的角加速度响应谱对步骤7得到的基础谱进行10％的更新；步骤15：重复循环步骤9到14，保持角加速度响应谱稳定在参考谱容差带范围以内。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种随机角振动控制方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：通过上位机对角运动进行选择，并将选择的角运动的参考谱与谱线数，输入到上位机；上位机根据参考谱与谱线数计算出频率分辨率；
所述的角运动包括角位移、角速度和角加速度；
步骤2：进行预实验，设置预实验角速度驱动谱，通过随机信号发生模块不断产生预实验角速度随机驱动信号，预实验角速度随机驱动信号经过D/A转换及低通滤波后输入给伺服控制器，伺服控制器控制角振动台进行角振动；采集角位移传感器信号，处理后得到角振动台的预实验角位移信号，预实验角位移信号分为两路，一路输入给伺服控制器，以实现闭环控制；另一路进行功率谱估计，得到预实验角位移响应谱，通过预实验角位移响应谱计算出预实验角速度响应谱，利用预实验角速度响应谱与设置的预实验角速度驱动谱计算出系统频响函数，利用步骤1中设置的参考谱与系统频响函数计算出角运动驱动谱；
步骤3：根据角位移功率谱Gx(f)、角速度功率谱Gv(f)、角加速度功率谱Ga(f)三者之间的关系(式1、式2)将步骤2得到的角运动驱动谱转化成角速度驱动谱；
Gv(f)＝(2πf)2Gx(f) (1)
Gv(f)＝Ga(f)/(2πf)2 (2)
步骤4：利用随机信号发生模块将步骤3得到的角速度驱动谱转化成角速度随机驱动信号；
步骤5：伺服控制器根据步骤4的角速度随机驱动信号，通过控制算法控制角振动台进行角振动；
步骤6：采集角位移传感器输出信号，处理后得到角振动台的角位移信号，将角位移信号反馈给伺服控制器，伺服控制器根据角位移信号进行闭环控制；同时，对角位移信号进行谱估计得到角位移响应谱，再根据三种角运动功率谱之间的关系计算出角运动响应谱；
步骤7：将所有步骤6的角运动响应谱结果进行平均处理作为谱估计的基础谱；
步骤8：判断基础谱是否在参考谱的±3dB以内，不符合要求，继续重复步骤4至步骤7；符合要求，进行步骤9；
步骤9：判断基础谱是否在参考谱的容差带范围以内，容差带根据需求定义；不符合要求，则利用基础谱与步骤1的参考谱作差得到误差谱，通过误差谱和步骤2的系统频响函数得到角运动驱动谱的修正谱；将修正谱累加到角运动驱动谱上，完成角运动驱动谱的更新修正，得到修正后的角运动驱动谱；符合要求，则不更新修正角运动驱动谱；
步骤10：根据角位移功率谱、角速度功率谱、角加速度功率谱三者之间的关系(式1、式2)将步骤9所得的角运动驱动谱转化成角速度驱动谱；
步骤11：利用随机信号发生模块将步骤10的角速度驱动谱转化成角速度随机驱动信号；
步骤12：伺服控制器根据步骤11的角速度随机驱动信号，通过控制算法控制角振动台进行角振动；
步骤13：采集角位移传感器输出的角振动台的角位移信号；并将角位移信号反馈给伺服控制器，伺服控制器根据角位移信号进行闭环控制；同时，对角位移信号进行谱估计得到角位移响应谱，再根据三种角运动功率谱之间的关系计算出角运动响应谱；
步骤14：将步骤13得到的角运动响应谱对步骤7得到的基础谱进行10％的更新，得到更新后的基础谱；
步骤15：重复循环步骤9到14，保持角运动响应谱稳定在参考谱容差带范围以内；此控制方法能够实现角运动的功率谱复现，即实现了随机角振动控制。
2.实现如权利要求1所述的方法的角振动台装置，包括：上位机、角位移传感器、控制器和角振动台，组合成闭环控制系统；所使用的角振动台装置采用电机式角振动台，由伺服电机作为角运动的激振器，圆光栅作为角位移传感器，圆光栅固定于电机主轴上，角振动台圆台面与电机主轴同轴心刚性连接；角位移传感器所采集的信号经处理后即为角振动台的角位移信号；伺服控制部分采用伺服控制器实现对伺服电机的控制，随机控制部分则采用自主设计的手段利用计算机编程来实现。
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