CN108716974A - 基于传递函数的振动幅值迭代控制系统 - Google Patents

基于传递函数的振动幅值迭代控制系统 Download PDF

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张旭飞
权龙�
熊晓燕
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Abstract

本发明提出一种基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，包括程控信号源、振动激励单元、数据采集单元、谐波分析软件及幅值控制软件。所述的振动幅值迭代控制系统基于振动激励单元的传递函数，通过一次输入量计算及振动驱动过程，将振动激励器输出振动信号的幅值调整到与目标振动信号幅值较为接近的值，然后，通过迭代控制过程实现残余幅值偏差的快速修正，最终可高效实现振动激励器输出振动信号幅值的高精度控制。本发明所述控制系统组成结构简单、操作流程简便、适用频率范围广泛，对振动激励器输出振动信号的幅值具有较高的控制精度及控制效率。

Description

基于传递函数的振动幅值迭代控制系统
技术领域
本发明属于振动幅值控制技术领域，具体涉及一种基于传递函数的振动幅值迭代控制系统。
背景技术
通常情况下，通过构建闭环反馈控制系统或基于逐次逼近的幅值精度调整系统，可实现对用于测振传感器标定或产品振动环境模拟试验的振动激励器输出振动信号的幅值控制。
闭环反馈控制系统实施过程通常需配备价格昂贵的高精度振动信号检测传感器，而且，闭环控制系统还存在稳定性要求高及参数调整难度大等技术难题。基于逐次逼近法的振动信号幅值调整系统则需首先驱动振动激励器产生某一随机幅值的振动信号，然后基于该随机幅值与目标幅值间的偏差逐次修正振动激励器的输入量幅值，直到振动信号幅值稳定在目标偏差范围内。显然，基于逐次逼近系统的振动信号幅值调整过程所需的操作周期数及耗时存在较大的随机性。特别地，考虑到振动信号的检测时间随频率的降低而逐渐增长，逐次逼近过程对低频振动信号幅值的调整将非常缓慢，严重影响振动激励器的工作效率。
中国专利201110090502.4公开的方法首先由逐次逼近法将具有较高频率的振动位移幅值调整至设定值，再基于逐步移频法将输入信号从较高频率逐步递减至目标频率，可实现超低频振动幅值的快速调整。但是，该方法操作过程繁琐，且只针对具有恒定位移-电压响应关系振动激励器输出的超低频振动位移幅值的控制，适用范围有限。
发明内容
为有效解决振动激励器输出振动信号幅值的传统控制及调整系统存在的操作过程繁琐、效率低及适用范围受限等问题，本发明提出一种基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，实现对振动激励器输出振动信号幅值的高效及高精度控制。
基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，包括程控信号源、振动激励单元、数据采集单元、谐波分析软件及幅值控制软件；所述的振动激励单元包括振动激励器系统及振动检测单元；所述的振动激励器系统包括功率放大器及振动激励器；所述的振动检测单元包括振动加速度传感器及放大器或适配器；所述的数据采集单元包括数据采集卡和计算机；所述的幅值控制软件包括判别模块和修正模块；所述的谐波分析软件和幅值控制软件安装在计算机中。
所述的程控信号源产生当前输入量，当前输入量经功率放大器放大后，驱动所述的振动激励器产生振动加速度信号；振动激励器的输出振动加速度信号由振动检测单元检测，并由数据采集卡采集后送入计算机；所述的谐波分析软件计算得到输出振动加速度信号中包含的基频成分的频率、幅值及相位，并计算得到相应的幅值偏差值λ；所述的判别模块判断所述的幅值偏差值λ是否满足小于或等于设定的幅值控制精度要求值λT，幅值控制精度要求值λT指待控制振动激励器设定的幅值偏差值λ的最大允许值，若满足，则保持当前输入量驱动振动激励器产生振动加速度信号；若不满足，则采用所述的修正模块完成对振动激励器输出振动加速度信号幅值的迭代控制。
所述的当前输入量的获取：在需施加振动幅值控制的频率范围内，基于振动激励单元的加速度传递函数及待控制振动激励器需产生的目标振动加速度信号频率、幅值及相位要求，以该目标振动加速度信号作为加速度传递函数的输出量，计算得到相应的输入量频率、幅值及相位，并以该输入量作为当前输入量。
所述的修正模块基于输出振动加速度信号的基频幅值A1、目标振动加速度信号的幅值A2及当前输入量的幅值A，按照公式计算得到修正输入量的幅值AC，然后用修正输入量的幅值AC代替当前输入量的幅值A，并基于该当前输入量，由程控信号源和功率放大器驱动振动激励器产生幅值修正后的振动加速度信号，完成整个迭代控制过程。
所述的幅值偏差值
所述的程控信号源为正弦信号发生器。
总体而言，本发明所述控制系统基于振动激励单元的传递函数，通过一次输入量计算及振动驱动过程，将振动激励器输出振动信号的幅值调整到与目标振动信号幅值较为接近的值，然后，通过迭代控制过程实现残余幅值偏差的快速修正，最终可高效实现振动激励器输出振动信号幅值的高精度控制。
本发明所述控制系统组成结构简单、操作流程简便、适用频率范围广泛，对振动激励器输出振动信号的幅值具有较高的控制精度及控制效率。
附图说明
图1为本发明基于传递函数的振动幅值迭代控制系统组成图。
图2为本发明振动激励单元的加速度传递函数辨识流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
以振动检测单元中采用振动加速度传感器检测振动激励器的输出振动信号为例，如图1所示，基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，包括程控信号源、振动激励单元、数据采集单元、谐波分析软件及幅值控制软件；所述的振动激励单元包括振动激励器系统及振动检测单元；所述的振动激励器系统包括功率放大器及振动激励器；所述的振动检测单元包括振动加速度传感器及放大器或适配器；所述的数据采集单元包括数据采集卡和计算机；所述的幅值控制软件包括判别模块和修正模块；所述的谐波分析软件和幅值控制软件安装在计算机中。
所述的程控信号源产生当前输入量，当前输入量经功率放大器放大后，驱动所述的振动激励器产生振动加速度信号；振动激励器的输出振动加速度信号由振动检测单元检测，并由数据采集卡采集后送入计算机；所述的谐波分析软件计算得到输出振动加速度信号中包含的基频成分的频率、幅值及相位，并计算得到相应的幅值偏差值λ；所述的判别模块判断所述的幅值偏差值λ是否满足小于或等于设定的幅值控制精度要求值λT，幅值控制精度要求值λT指待控制振动激励器设定的幅值偏差值λ的最大允许值，若满足，则保持当前输入量驱动振动激励器产生振动加速度信号；若不满足，则采用所述的修正模块完成对振动激励器输出振动加速度信号幅值的迭代控制。
所述的当前输入量的获取：在需施加振动幅值控制的频率范围内，基于振动激励单元的加速度传递函数及待控制振动激励器需产生的目标振动加速度信号频率、幅值及相位要求，以该目标振动加速度信号作为加速度传递函数的输出量，计算得到相应的输入量频率、幅值及相位，并以该输入量作为当前输入量。
所述的修正模块基于输出振动加速度信号的基频幅值A1、目标振动加速度信号的幅值A2及当前输入量的幅值A，按照公式计算得到修正输入量的幅值AC，然后用修正输入量的幅值AC代替当前输入量的幅值A，并基于该当前输入量，由程控信号源和功率放大器驱动振动激励器产生幅值修正后的振动加速度信号，完成整个迭代控制过程。
所述的幅值偏差值
所述的程控信号源为正弦信号发生器，可受计算机软件控制输出具有设定频率、幅值及相位的振动信号。
为实现对振动激励器输出振动加速度信号幅值的迭代控制，首先需基于如图2所示的振动激励单元的加速度传递函数辨识流程，辨识得到振动激励单元的加速度传递函数，具体步骤为：
(a)在一定频率范围内，选取多个测试频率点，由程控信号源和功率放大器驱动振动激励器产生各频率点对应的振动输出信号；该频率范围的下限值远远小于振动激励器需施加输出振动信号幅值控制的下限频率，上限值远远大于振动激励器需施加输出振动信号幅值控制的上限频率；
(b)由振动检测单元检测振动激励器各频率点对应的输出加速度信号，并由数据采集卡同步采集该输出加速度信号及程控信号源产生的输入信号；
(c)分别计算各频率点对应的输出加速度信号与输入信号间的幅值比及相位差，进一步得到振动激励单元各频率点对应的加速度幅频及相频特性值；
(d)基于上述各选定频率点的加速度幅频及相频特性值，通过MATLAB系统辨识工具辨识得到振动激励单元的加速度传递函数。
振动激励器输出振动信号中的谐波成分可通过相应的波形控制方法进行有效抑制，所以，本实施例仅针对输出振动信号中基频成分的幅值进行控制。如图1所示，基于上述振动激励单元的加速度传递函数，所述的振动幅值迭代控制过程的具体步骤为：
1)计算当前输入量
在需施加振动信号幅值控制的频率范围内，基于振动激励单元的加速度传递函数及待控制振动激励器需产生的目标振动加速度信号频率、幅值及相位要求，以该目标振动加速度信号作为加速度传递函数的输出量，计算得到相应的输入量频率、幅值及相位，并以该输入量作为当前输入量；
2)驱动振动激励器产生振动加速度信号
由程控信号源产生当前输入量，并输入功率放大器驱动振动激励器产生振动加速度信号；
3)检测输出振动加速度信号
采用振动检测单元检测得到振动激励器的输出振动加速度信号，并由数据采集单元采集该输出振动加速度信号；
4)计算基频成分及幅值偏差值λ
采用具有对信号实施FFT分析能力的谐波分析软件，计算得到输出振动加速度信号中包含的基频成分的频率、幅值及相位，并进一步计算得到相应的幅值偏差值λ；
5)判断幅值偏差值λ是否满足设定要求
采用幅值控制软件，由所述的判别模块判断所述的幅值偏差值λ是否满足小于或等于设定的幅值控制精度要求值λT，幅值控制精度要求值λT指待控制振动激励器设定的幅值偏差值λ的最大允许值，若满足，则保持当前输入量驱动振动激励器产生振动加速度信号；若不满足，则顺序执行步骤6)，之后返回步骤2)；
6)计算修正输入量的幅值AC，并代替当前输入量的幅值A
采用幅值控制软件，基于输出振动加速度信号的基频幅值A1、目标振动加速度信号的幅值A2及当前输入量的幅值A，由所述的修正模块按照公式计算得到修正输入量的幅值AC，然后用修正输入量的幅值AC代替当前输入量的幅值A，完成对当前输入量幅值A的偏差修正。
所述的振动检测单元包括的振动加速度传感器可以由振动速度传感器或振动位移传感器代替，当采用振动速度传感器时，以上所述振动激励单元的传递函数为速度传递函数；当采用振动位移传感器时，以上所述振动激励单元的传递函数为位移传递函数。
与所述的振动加速度传感器、振动速度传感器或振动位移传感器对应，基于本发明所述的迭代控制系统，可分别实现在整个需施加输出振动信号幅值控制的频段内将振动激励器输出振动加速度信号的幅值、输出振动速度信号的幅值或输出振动位移信号的幅值控制到设定范围内。
总体而言，本实施例所述控制系统基于振动激励单元的传递函数，通过一次输入量计算及振动驱动过程，将振动激励器输出振动信号的幅值调整到与目标振动信号幅值较为接近的值，然后，通过迭代控制过程实现残余幅值偏差的快速修正，最终可高效实现振动激励器输出振动信号幅值的高精度控制。
本实施例所述控制系统组成结构简单、操作流程简便、适用频率范围广泛，对振动激励器输出振动信号的幅值具有较高的控制精度及控制效率。
说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，其特征在于：包括程控信号源、振动激励单元、数据采集单元、谐波分析软件及幅值控制软件；所述的振动激励单元包括振动激励器系统及振动检测单元；所述的振动激励器系统包括功率放大器及振动激励器；所述的振动检测单元包括振动加速度传感器及放大器或适配器；所述的数据采集单元包括数据采集卡和计算机；所述的幅值控制软件包括判别模块和修正模块；所述的谐波分析软件和幅值控制软件安装在计算机中；
所述的程控信号源产生当前输入量，当前输入量经功率放大器放大后，驱动所述的振动激励器产生振动加速度信号；振动激励器的输出振动加速度信号由振动检测单元检测，并由数据采集卡采集后送入计算机；所述的谐波分析软件计算得到输出振动加速度信号中包含的基频成分的频率、幅值及相位，并计算得到相应的幅值偏差值λ；所述的判别模块判断所述的幅值偏差值λ是否满足小于或等于设定的幅值控制精度要求值λT，幅值控制精度要求值λT指待控制振动激励器设定的幅值偏差值λ的最大允许值，若满足，则保持当前输入量驱动振动激励器产生振动加速度信号；若不满足，则采用所述的修正模块完成对振动激励器输出振动加速度信号幅值的迭代控制；
所述的当前输入量的获取：在需施加振动幅值控制的频率范围内，基于振动激励单元的加速度传递函数及待控制振动激励器需产生的目标振动加速度信号频率、幅值及相位要求，以该目标振动加速度信号作为加速度传递函数的输出量，计算得到相应的输入量频率、幅值及相位，并以该输入量作为当前输入量；
所述的修正模块基于输出振动加速度信号的基频幅值A1、目标振动加速度信号的幅值A2及当前输入量的幅值A，按照公式计算得到修正输入量的幅值AC，然后用修正输入量的幅值AC代替当前输入量的幅值A，并基于该当前输入量，由程控信号源和功率放大器驱动振动激励器产生幅值修正后的振动加速度信号，完成整个迭代控制过程。
2.根据权利要求1所述的基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，其特征在于：幅值偏差值
3.根据权利要求1所述的基于传递函数的振动幅值迭代控制系统，其特征在于：程控信号源为正弦信号发生器。
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