CN108956124A - 电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电/磁流变执行器时间响应特性自动测试与标定平台，其特征是由硬件系统、数据处理与存储系统和响应时间分析系统组成；所述硬件系统由激励输出系统、信号采集与处理系统和控制与电驱动系统组成，共同完成对电/磁流变执行器相关特性的测试并采集数据；所述数据处理与存储系统将硬件系统所采集的数据转换成可视化曲线并对数据进行筛选；所述响应时间分析系统将数据处理与存储系统筛选的数据进行分析自动标定输出各单元及整个控制执行系统的响应时间，使分析结果更加全面、明确，采用成熟的计算机语言对响应时间的分析实现了自动化，极大提高了测试结果的正确率与计算效率并节约了人力成本。
Description
技术领域
本发明涉及电/磁流变执行器的研究，尤其涉及一种对于电/磁流变执行器时间响应特性的自动测试与标定平台。
背景技术
电/磁流变液(ER/MR)是在电/磁场作用下能够在毫秒级时间内发生可逆流变效应的智能材料。在电/磁场的作用下，可实现ER/MR液粘性的无级调节。目前基于电/磁流变技术的装置主要包括阻尼器、制动器、离合器以及液压阀等，都有比较大的发展前景，有些已经在汽车、健身设备、航空航天以及国防工业等领域得到应用。电/磁流变技术在某些领域的应用，如用于能量吸收器即减震器中吸收并缓冲振动和冲击，对于电/磁流变执行器的时间响应特性提出了要求。较好的时间响应特性不仅能保证机械设备、仪器系统在运行时的稳定性和安全性，而且还能提升车辆、飞行器等载运工具提供给负载或乘员的舒适性。
响应时间作为研究电/磁流变执行器阻尼力即时可控性能的重要评价指标，对于主动与半主动电/磁流变执行器的研究具有重要意义。目前国内外对于电/磁流变执行器的研究主要是对其力学响应特性的探索研究，对于电/磁流变执行器的响应时间的研究主要是研究控制系统或者单纯的分析响应时间，缺少系统的研究，且目前对于电/磁流变时间响应特性的研究一般是在测得数据之后再人为进行数据筛选并分析响应时间，提高了人力成本且效率低下。本发明从控制系统信号输出开始到电/磁流变执行器的响应对整个测试系统中各单元的响应时间进行标定说明，通过对各单元响应时间分析进而实现对整个控制执行器响应时间的标定输出。采用成熟的计算机语言自动生成对系统时间响应特性的分析结果，自动测试与标定平台对提高系统响应时间的测试质量、效率和降低测试成本具有重要意义。本发明以研究电/磁流变执行器响应时间为出发点，提出一种对于电/磁流变执行器时间响应特性的自动测试和标定平台。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定平台，以期能方便进一步研究电/磁流变执行器的时间响应特性，从而能更加全面、准确的分析控制执行系统的响应时间，并在很大程度上简化响应时间短分析过程进而提高分析过程的高效性。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定平台的特点是由硬件系统、数据处理与存储系统和响应时间分析系统组成；
所述硬件系统由激励输出系统、信号采集与处理系统和控制与电驱动系统组成；
所述信号采集与处理系统由传感器系统以及信号调理系统组成；
所述控制与电驱动系统是由控制器和电驱动器组成；
所述激励输出系统输出不同类型的位移激励给外部的电/磁流变执行器；
所述传感器系统实时采集所述电/磁流变执行器上的实际位移信号和响应阻尼力信号并传递给所述信号调理系统和控制器；
所述电驱动器为可控电流驱动器或可控电压驱动器；所述控制器输出控制信号给所述电驱动器，由所述电驱动器输出驱动电流/电压给所述电/磁流变执行器；
所述信号调理系统根据采样频率将所述电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力信号、电驱动器的驱动电流/电压和控制器的控制信号转换为离散数据并进行存储；
所述数据处理与存储系统对所述控制信号、驱动电流/电压以及位移信号和响应阻尼力信号进行可视化处理，以直观反映所述控制器的控制信号、电驱动器的驱动电流/电压以及电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力变化特性，根据数据可视化后所得曲线对数据进行筛选；
所述响应时间分析系统包括：控制器响应时间分析子系统、电驱动器响应时间分析子系统和电/磁流变执行器响应时间分析子系统；
所述控制器响应时间分析子系统对所述控制信号进行分析，从而标定输出所述控制器的响应时间；
所述电驱动器响应时间分析子系统对所述驱动电流/电压以及控制信号进行联合分析，从而标定输出所述电驱动器的响应时间；
所述电/磁流变执行器响应时间分析子系统对响应阻尼力信号以及驱动电流/电压进行联合分析，从而标定输出所述电/磁流变执行器的响应时间；
由所述响应时间分析系统标定输出包含控制器、电驱动器和电/磁流变执行器的整个控制执行系统的总响应时间。
本发明所述的电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定系统的特点也在于，
所述响应时间分析系统是按如下步骤得到整个控制执行系统的总响应时间：
步骤(1)记所述控制器输出的控制信号由零开始发生突变的时刻记为tA，当所述控制信号继续增大到最大稳定值的Δ％倍的时刻记为tD，令所述控制信号从tA时刻开始变化增大到tD时刻的时间为所述控制信号的上升时间，即所述控制器响应时间分析子系统在tD时刻的运行结果为所述控制器的响应时间为
步骤(2)在tA时刻所述控制信号输入到所述电驱动器中，所述电驱动器在经历反应时间后，在tB时刻输出驱动电流/电压；所述驱动电流/电压由零开始增大，并在tE时刻达到最大稳定值的Δ％倍，则所述驱动电流/电压的上升时间为所述电驱动器响应时间分析子系统在tE时刻的运行结果为所述电驱动器的响应时间
步骤(3)在tB时刻所述驱动电流/电压输入到所述电/磁流变执行器，所述电/磁流变执行器在经历反应时间后，所述述电/磁流变执行器的响应阻尼力在tC时刻开始发生突变；所述响应阻尼力由零开始增大，并在tF时刻达到最大稳定值的Δ％倍，则所述响应阻尼力的上升时间为所述电/磁流变执行器响应时间分析子系统在tF时刻的运行结果为所述电/磁流变执行器的响应时间
步骤(4)将所述各子系统标定输出的响应时间进行求和，从而标定输出整个控制执行系统的总响应时间
所述控制执行系统中各单元的响应时间是由式(1)得到：
式(1)中，为控制执行系统中各单元的响应时间；r表示响应过程；和分别为所述控制执行系统中各单元的反应时间和信号上升时间，a表示反应过程，rise表示信号上升过程，且信号上升时间为各单元的输出信号从反应时间结束时开始达到稳定值的Δ％所用时间；j＝1,2分别表示所述控制执行系统中的各单元，即电驱动器以及电/磁流变执行器；j＝0表示所述控制执行系统中的控制器，且所述控制器为信号流初始端，为所述控制器的响应时间，和分别为所述控制器的反应时间和信号上升时间，且初始端的反应时间
所述控制执行系统的总响应时间是由式得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明从局部和整体两个维度对控制执行系统的时间响应特性进行说明，即分别从控制器、电驱动器以及电/磁流变执行器的响应时间进行标定输出进而实现了对整个控制执行系统的响应时间的标定输出，从而更加全面而准确的评价电/磁流变执行器的时间响应特性。
(2)本发明所提出的电/磁流变执行器时间响应特性自动测试与标定平台在满足测试要求的情况下实现了数据分析处理的自动化，即在硬件系统运行结束之后，数据处理与存储系统会自动生成相关曲线，并经过响应时间分析系统自动标定输出控制执行系统及各单元的响应时间，既省去了人工处理数据的繁琐过程，节约了人力成本，也提高了数据处理的效率和数据处理结果的准确性。
附图说明
图1a为线性激振系统条件下电/磁流变执行器测试系统原理图；
图1b为旋转激励系统条件下电/磁流变执行器测试系统原理图；
图2为电/磁流变执行器自动测试与标定平台信号流程图；
图3为硬件系统运行模块；
图4为数据处理与存储系统运行模块；
图5为响应时间分析系统运行模块；
图6为电/磁流变执行器响应特性时间轴。
图中标号：1力传感器，2线性电/磁流变执行器，3线性激励输出系统，4线性位移传感器，5信号调理系统，6控制器，7电驱动器，201旋转激励输出系统，202旋转角位移传感器，203转矩传感器，204旋转电/磁流变执行器501控制器响应时间分析子系统，502电流/电压驱动器响应时间分析子系统，503执行器响应时间分析子系统。
具体实施方式
本实施例中，一种电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定平台，是由硬件系统、数据处理与存储系统和响应时间分析系统组成；硬件系统由激励输出系统、信号采集与处理系统和控制与电驱动系统组成；信号采集与处理系统由传感器系统以及信号调理系统组成；控制与电驱动系统是由控制器和电驱动器组成。
图1a所示为硬件系统的一种实施案例，线性激励输出系统3根据不同需求输出不同频率、不同幅值以及不同波形的线性位移激励给外部的线性电/磁流变执行器2来模拟实际应用场景中施加给线性电/磁流变执行器2的激励信号。该线性激励输出系统3整合有包括线性位移传感器4以及力传感器1的传感器系统实时采集线性电/磁流变执行器2上的位移信号和响应阻尼力信号并传递给信号调理系统5和控制器6。电驱动器7为可控电流驱动器或可控电压驱动器，控制器6根据传感器系统所采集的线性电/磁流变执行器2的实时位移信号输出控制信号给电驱动器7，由电驱动器7输出驱动电流/电压给线性电/磁流变执行器2。
图1b所示为硬件系统的另一种实施案例，旋转激励输出系统201根据不同需求根据不同需求输出不同频率、不同幅值以及不同波形的旋转激励给外部的旋转电/磁流变执行器204来模拟实际应用场景中施加给旋转电/磁流变执行器204的激励信号。该旋转激励输出系统201整合有包括旋转角位移传感器202以及转矩传感器203的传感器系统实时采集旋转电/磁流变执行器204上的角位移信号和转矩信号并传递给信号调理系统5和控制器6。电驱动器7为可控电流驱动器或可控电压驱动器，控制器6根据传感器系统所采集的旋转电/磁流变执行器204的实时角位移信号输出控制信号给电驱动器7，由电驱动器7输出驱动电流/电压给旋转电/磁流变执行器204。
图2所示为电/磁流变执行器时间响应特性自动测试于标定平台信号流向示意图，激励输出系统输出不同类型的位移激励给电/磁流变执行器，由传感器系统实时采集电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力信号并将所采集的位移信号输出给控制器。控制器根据位移信号输出控制信号给电驱动器，进而控制电驱动器输出驱动电流/电压给电/磁流变执行器。位移信号、响应阻尼力信号、控制信号以及驱动电流/电压信号均输出到信号调理系统。信号调理系统根据采样频率将电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力信号、电驱动器的驱动电流/电压和控制器的控制信号转换为离散数据并进行存储。如图3所示，在硬件系统开始运行之后，根据设备运行情况，包括激励输出系统的激励输出情况、传感器系统数据采集情况、控制与电驱动系统的运行情况以及电/磁流变执行器的响应阻尼力来判断硬件系统是否工作正常。若出现故障应立即停止硬件系统运行并检查硬件设备是否完好或导线连接是否正确，在保证硬件系统运行顺畅之后再采集数据进而传输给数据处理与存储系统。如图4所示，为便于观察、分析和比较，数据处理与存储系统对控制信号、驱动电流/电压以及位移信号和响应阻尼力信号进行可视化处理。将几种不同信号转化为直观曲线并整合到一起进行集中显示，同时在不影响相关数据本身属性的前提下可对曲线进行放大、缩小或平移，以直观反映控制器的控制信号、电驱动器的驱动电流/电压以及电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力变化特性。将可视化曲线进行对比分析过后，将所筛选的数据传送给响应时间分析系统。
如图5所示，响应时间分析系统包括：控制器响应时间分析子系统501、电驱动器响应时间分析子系统502和电/磁流变执行器响应时间分析子系统503；控制器响应时间分析子系统501对控制信号进行分析，从而标定输出控制器的响应时间；电驱动器响应时间分析子系统502对驱动电流/电压以及控制信号进行联合分析，从而标定输出电驱动器的响应时间；电/磁流变执行器响应时间分析子系统503对响应阻尼力信号以及驱动电流/电压进行联合分析，从而标定输出电/磁流变执行器的响应时间；由响应时间分析系统标定输出包含控制器、电驱动器和电/磁流变执行器的整个控制执行系统的总响应时间。
具体实施中，响应时间分析系统是按如下步骤得到整个控制执行系统的总响应时间：
步骤(1)记控制器输出的控制信号由零开始发生突变的时刻记为tA，当控制信号继续增大到最大稳定值的Δ％倍的时刻记为tD，令控制信号从tA时刻开始变化增大到tD时刻的时间为控制信号的上升时间，即控制器响应时间分析子系统501在tD时刻的运行结果为控制器的响应时间为
步骤(2)在tA时刻控制信号输入到电驱动器中，电驱动器在经历反应时间后，在tB时刻输出驱动电流/电压；驱动电流/电压由零开始增大，并在tE时刻达到最大稳定值的Δ％倍，则驱动电流/电压的上升时间为电驱动器响应时间分析子系统502在tE时刻的运行结果为电驱动器的响应时间
步骤(3)在tB时刻驱动电流/电压输入到电/磁流变执行器，电/磁流变执行器在经历反应时间后，述电/磁流变执行器的响应阻尼力在tC时刻开始发生突变；响应阻尼力由零开始增大，并在tF时刻达到最大稳定值的Δ％倍，则响应阻尼力的上升时间为电/磁流变执行器响应时间分析子系统503在tF时刻的运行结果为电/磁流变执行器的响应时间
步骤(4)将各子系统标定输出的响应时间进行求和，从而标定输出整个控制执行系统的总响应时间
整个响应时间分析模块运行过程中，各子系统的标定结果和整个控制执行系统的标定结果可由图6所示时间轴表示。标定系统中各单元的响应时间包括各单元的反应时间和上升时间，同时标定系统后端流各单元的上升时间积累了前端各单元的上升时间。控制执行系统中各单元的响应时间是由式(1)得到：
式(1)中，为控制执行系统中各单元的响应时间；r表示响应过程；和分别为控制执行系统中各单元的反应时间和信号上升时间，a表示反应过程，rise表示信号上升过程，且信号上升时间为各单元的输出信号从反应时间结束时开始达到稳定值的Δ％所用时间；j＝1,2分别表示控制执行系统中的各单元，即电驱动器以及电/磁流变执行器；j＝0表示控制执行系统中的控制器，且所述控制器为信号流的初始端，为控制器的响应时间，且,和分别为控制器的反应时间和信号上升时间，且初始端反应时间
控制执行系统的总响应时间包括控制器的响应时间、电驱动器的响应时间以及电/磁流变执行器的响应时间，由式(2)得到。
Claims (3)
1.一种电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定平台，其特征是由硬件系统、数据处理与存储系统和响应时间分析系统组成；
所述硬件系统由激励输出系统、信号采集与处理系统和控制与电驱动系统组成；
所述信号采集与处理系统由传感器系统以及信号调理系统组成；
所述控制与电驱动系统是由控制器和电驱动器组成；
所述激励输出系统输出不同类型的位移激励给外部的电/磁流变执行器；
所述传感器系统实时采集所述电/磁流变执行器上的实际位移信号和响应阻尼力信号并传递给所述信号调理系统和控制器；
所述电驱动器为可控电流驱动器或可控电压驱动器；所述控制器输出控制信号给所述电驱动器，由所述电驱动器输出驱动电流/电压给所述电/磁流变执行器；
所述信号调理系统根据采样频率将所述电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力信号、电驱动器的驱动电流/电压和控制器的控制信号转换为离散数据并进行存储；
所述数据处理与存储系统对所述控制信号、驱动电流/电压以及位移信号和响应阻尼力信号进行可视化处理，以直观反映所述控制器的控制信号、电驱动器的驱动电流/电压以及电/磁流变执行器的位移信号和响应阻尼力变化特性，根据数据可视化后所得曲线对数据进行筛选；
所述响应时间分析系统包括：控制器响应时间分析子系统、电驱动器响应时间分析子系统和电/磁流变执行器响应时间分析子系统；
所述控制器响应时间分析子系统对所述控制信号进行分析，从而标定输出所述控制器的响应时间；
所述电驱动器响应时间分析子系统对所述驱动电流/电压以及控制信号进行联合分析，从而标定输出所述电驱动器的响应时间；
所述电/磁流变执行器响应时间分析子系统对响应阻尼力信号以及驱动电流/电压进行联合分析，从而标定输出所述电/磁流变执行器的响应时间；
由所述响应时间分析系统标定输出包含控制器、电驱动器和电/磁流变执行器的整个控制执行系统的总响应时间。
2.根据权利要求1所述的电/磁流变执行器的时间响应特性自动测试与标定系统，其特征是，所述响应时间分析系统是按如下步骤得到整个控制执行系统的总响应时间：
步骤(1)记所述控制器输出的控制信号由零开始发生突变的时刻记为tA，当所述控制信号继续增大到最大稳定值的Δ％倍的时刻记为tD，令所述控制信号从tA时刻开始变化增大到tD时刻的时间为所述控制信号的上升时间，即所述控制器响应时间分析子系统在tD时刻的运行结果为所述控制器的响应时间为
步骤(2)在tA时刻所述控制信号输入到所述电驱动器中，所述电驱动器在经历反应时间后，在tB时刻输出驱动电流/电压；所述驱动电流/电压由零开始增大，并在tE时刻达到最大稳定值的Δ％倍，则所述驱动电流/电压的上升时间为所述电驱动器响应时间分析子系统在tE时刻的运行结果为所述电驱动器的响应时间
步骤(3)在tB时刻所述驱动电流/电压输入到所述电/磁流变执行器，所述电/磁流变执行器在经历反应时间后，所述述电/磁流变执行器的响应阻尼力在tC时刻开始发生突变；所述响应阻尼力由零开始增大，并在tF时刻达到最大稳定值的Δ％倍，则所述响应阻尼力的上升时间为所述电/磁流变执行器响应时间分析子系统在tF时刻的运行结果为所述电/磁流变执行器的响应时间
步骤(4)将所述各子系统标定输出的响应时间进行求和，从而标定输出整个控制执行系统的总响应时间
3.根据权利要求1所述的时间响应特性自动测试与标定平台，其特征是，所述控制执行系统中各单元的响应时间是由式(1)得到：
式(1)中，为控制执行系统中各单元的响应时间；r表示响应过程；和分别为所述控制执行系统中各单元的反应时间和信号上升时间，a表示反应过程，rise表示信号上升过程，且信号上升时间为各单元的输出信号从反应时间结束时开始达到稳定值的Δ％所用时间；j＝1,2分别表示所述控制执行系统中的各单元，即电驱动器以及电/磁流变执行器；j＝0表示所述控制执行系统中的控制器，且所述控制器为信号流初始端，为所述控制器的响应时间，和分别为所述控制器的反应时间和信号上升时间，且初始端的反应时间
所述控制执行系统的总响应时间是由式得到。
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