CN108845594A - 基于传递函数的振动谐波迭代控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，包括计算当前输入量；驱动振动激励器产生振动加速度信号；检测输出振动加速度信号；计算谐波成分及波形失真度值；判断波形失真度值是否满足设定要求；计算与各阶谐波成分对应的输入补偿量；计算修正输入量，并代替当前输入量共7个步骤，通过对振动激励器输出振动信号中的谐波成分进行开环控制，达到降低振动信号波形失真度的目的。本发明公开的基于传递函数的振动谐波迭代控制方法所需控制系统组成结构简单、操作流程简便、适用范围广泛，具有较好的振动激励器输出振动信号波形失真控制稳定性及控制效果。

Description

基于传递函数的振动谐波迭代控制方法

技术领域

本发明属于振动谐波控制技术领域，具体涉及一种基于传递函数的振动谐波迭代控制方法。

背景技术

振动激励器广泛用于振动环境模拟、测振传感器标定及其它需产生振动激励信号的技术领域。为提高信噪比，振动激励器输出振动信号的位移幅值应随频率的降低而逐渐增大。但是，振动激励器中弹性回复装置、磁路结构等系统的非线性也将随位移幅值的增大而逐渐增大，进而导致输出振动信号叠加高次谐波成分，产生波形失真。输出振动信号的波形失真会严重制约振动激励器在需产生高精度单频振动激励信号场合的应用。

为降低振动激励器输出低频振动信号的波形失真度(控制谐波成分)，通常需构建闭环反馈控制系统。反馈控制对波形失真的控制效果与待控制系统的频率响应特性及反馈深度(反馈通道上的放大系数)相关。一般情况下，振动激励器在低频存在较大的非线性特性，为实现较好的波形失真控制效果，通常需施加深度负反馈控制。而且，振动激励器一般存在相位滞后响应特性。随着反馈深度及相位滞后的增大，控制系统将出现自激振荡或正反馈等不稳定现象，严重影响控制效果。为达到更好的反馈控制效果，通常需设计结构复杂的控制器(如PID控制器)，并通过对相关参数的反复调整完成系统校正。然而，引入控制器不可避免地会增加系统的复杂性及参数调整难度。

发明内容

为有效解决通过闭环反馈控制实现振动激励器输出振动信号波形失真控制中存在的系统结构复杂、参数调整难度大及稳定性要求高等问题，本发明提出基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，通过对振动激励器输出振动信号中的谐波成分进行开环控制，达到降低振动信号波形失真度的目的。

基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，具体步骤为：

1)计算当前输入量

在需施加波形失真控制的频率范围内，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

采用振动加速度传感器及其放大器或适配器检测得到振动激励器的输出振动加速度信号，由数据采集卡采集该输出振动加速度信号并送入计算机；

4)计算谐波成分及波形失真度值

采用具有对信号实施FFT分析及失真度计算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及各阶谐波成分的频率、幅值、相位及对应的波形失真度值；

5)判断波形失真度值是否满足设定要求

判断输出振动加速度信号的波形失真度值是否满足小于或等于设定的波形失真度要求，波形失真度要求指待控制振动激励器产生的输出振动加速度信号波形失真度的最大允许值，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)、7)，之后返回步骤2)；

6)计算与各阶谐波成分对应的输入补偿量

基于振动激励单元的加速度传递函数，分别以输出振动加速度信号中各阶谐波成分作为加速度传递函数的输入量，计算得到与各阶谐波成分对应的输入补偿量的频率、幅值及相位；

7)计算修正输入量，并代替当前输入量

将输出振动加速度信号各阶谐波对应的输入补偿量反相后与当前输入量叠加，得到修正输入量，并用修正输入量代替当前输入量。

所述的程控信号源为任意波形信号发生器。

步骤1)、6)所述的振动激励单元包括振动激励器、功率放大器、振动加速度传感器及其放大器或适配器。

步骤1)、6)所述的振动激励单元的加速度传递函数辨识步骤为：

(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波形失真控制的下限频率，上限值远远大于振动激励器需施加波形失真控制的上限频率；

(b)由振动加速度传感器及其放大器或适配器检测得到振动激励器在各频率点的输出加速度信号，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，然后，将该输出加速度信号及输入信号送入计算机；

(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。

本发明所述方法可实现对振动激励器输出振动信号中谐波成分的开环控制，所需控制系统组成结构简单、操作流程简便、适用范围广泛，具有较好的振动激励器输出振动信号波形失真控制稳定性及控制效果。

附图说明

图1为本发明振动激励单元的加速度传递函数辨识流程图。

图2为本发明基于传递函数的振动谐波迭代控制方法流程图。

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，用于驱动振动激励器的功率放大器放大倍数及用于检测振动加速度输出信号的振动加速度传感器(包括放大器或适配器)灵敏度在整个测试频段内可以设置为常数。所以，可以将振动激励器、功率放大器、振动加速度传感器及其放大器或适配器整体定义为振动激励单元。进一步，基于如图1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波形失真控制的下限频率，上限值远远大于振动激励器需施加波形失真控制的上限频率；

(b)由振动加速度传感器及其放大器或适配器检测得到振动激励器在各频率点的输出加速度信号，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，然后，将该输出加速度信号及输入信号送入计算机；

(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。

基于上述振动激励单元的加速度传递函数，实现振动激励器输出振动加速度信号中谐波成分的开环控制。如图2所示，具体步骤为：

1)计算当前输入量

在需施加波形失真控制的频率范围内，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

采用振动加速度传感器及其放大器或适配器检测得到振动激励器的输出振动加速度信号，由数据采集卡采集该输出振动加速度信号并送入计算机；

4)计算谐波成分及波形失真度值

采用具有对信号实施FFT分析及失真度计算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及各阶谐波成分的频率、幅值、相位及对应的波形失真度值；

5)判断波形失真度值是否满足设定要求

判断输出振动加速度信号的波形失真度值是否满足小于或等于设定的波形失真度要求，波形失真度要求指待控制振动激励器产生的输出振动加速度信号波形失真度的最大允许值，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，顺序执行步骤6)、7)，之后返回步骤2)；

6)计算与各阶谐波成分对应的输入补偿量

基于振动激励单元的加速度传递函数，分别以输出振动加速度信号中各阶谐波成分作为加速度传递函数的输入量，计算得到与各阶谐波成分对应的输入补偿量的频率、幅值及相位；

7)计算修正输入量，并代替当前输入量

将输出振动加速度信号各阶谐波对应的输入补偿量反相后与当前输入量叠加得到修正输入量，并由修正输入量代替当前输入量。

所述的程控信号源为任意波形信号发生器，可受计算机软件控制输出具有设定频率、幅值及相位的单频信号或多个单频信号的叠加信号。

步骤1)、6)所述的振动激励单元包括振动激励器、功率放大器、振动加速度传感器及其放大器或适配器。

所述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，基于步骤1)-7)所述的迭代控制过程，可分别实现在整个需施加波形失真控制的频段内将振动激励器输出振动加速度信号的波形失真度、输出振动速度信号的波形失真度或输出振动位移信号的波形失真度控制到设定范围内。

总体而言，本实施例基于振动激励单元的传递函数，构建振动激励器输出振动信号中谐波成分的补偿量，并叠加到输入量中，通过迭代控制实现对谐波成分的有效控制，从而达到降低振动激励器输出振动信号波形失真度的目的。

本实施例所述方法可实现对振动激励器输出振动信号中谐波成分的开环控制，所需控制系统组成结构简单、操作流程简便、适用范围广泛，具有较好的振动激励器输出振动信号波形失真控制稳定性及控制效果。

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 (4)

1.基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，其特征在于：具体步骤为：

1)计算当前输入量

在需施加波形失真控制的频率范围内，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

采用振动加速度传感器及其放大器或适配器检测得到振动激励器的输出振动加速度信号，由数据采集卡采集该输出振动加速度信号并送入计算机；

4)计算谐波成分及波形失真度值

采用具有对信号实施FFT分析及失真度计算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及各阶谐波成分的频率、幅值、相位及对应的波形失真度值；

5)判断波形失真度值是否满足设定要求

判断输出振动加速度信号的波形失真度值是否满足小于或等于设定的波形失真度要求，波形失真度要求指振动激励器产生的输出振动加速度信号波形失真度的最大允许值，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)、7)，之后返回步骤2)；

6)计算与各阶谐波成分对应的输入补偿量

基于振动激励单元的加速度传递函数，分别以输出振动加速度信号中各阶谐波成分作为加速度传递函数的输入量，计算得到与各阶谐波成分对应的输入补偿量的频率、幅值及相位；

7)计算修正输入量，并代替当前输入量

将输出振动加速度信号各阶谐波对应的输入补偿量反相后与当前输入量叠加，得到修正输入量，并用修正输入量代替当前输入量。

2.根据权利要求1所述的基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，其特征在于：程控信号源为任意波形信号发生器。

3.根据权利要求1所述的基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，其特征在于：步骤1)、6)所述的振动激励单元包括振动激励器、功率放大器、振动加速度传感器及其放大器或适配器。

4.根据权利要求1所述的基于传递函数的振动谐波迭代控制方法，其特征在于：步骤1)、6)所述的振动激励单元的加速度传递函数辨识步骤为：

(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波形失真控制的下限频率，上限值远远大于振动激励器需施加波形失真控制的上限频率；

(b)由振动加速度传感器及其放大器或适配器检测得到振动激励器在各频率点的输出加速度信号，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，然后，将该输出加速度信号及输入信号送入计算机；

(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。