CN109384148B

CN109384148B - 振动抑制方法以及振动抑制装置

Info

Publication number: CN109384148B
Application number: CN201710650602.5A
Authority: CN
Inventors: 横山一生; 戴志刚
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric China Co Ltd; Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: CN109384148A

Abstract

本发明涉及振动抑制方法以及振动抑制装置。振动抑制方法包括：输入步骤，输入用于对控制对象的动作进行控制的指令信号；卷积滤波步骤，在滤波时间内对所述指令信号进行卷积滤波处理，生成滤波后指令信号；以及输出步骤，输出所述滤波后指令信号，其中，所述滤波时间不根据在所述指令信号的控制下所述控制对象的振动的振动周期而任意设定。根据本发明，能够有效地抑制由于输出指令信号而导致的振动。

Description

振动抑制方法以及振动抑制装置

技术领域

本发明涉及振动抑制领域，特别涉及振动抑制方法以及振动抑制装置。

背景技术

例如，当起重机运送货物时，起停动作、起重机臂的上下左右运动改变速度时，起重机臂、悬吊的货物等由于惯性会发生摆动，这样的摆动必然增加起重机工作负荷。因此，从稳定工作、减少起重机故障发生的角度来说，希望能够尽可能避免这样的摆动。

另外，升降电梯的轿厢在上下运行时，例如起停时，由于惯性作用，也会发生摆动，而这样的摆动是不希望的。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明提出一种振动抑制方法以及振动抑制装置。

本发明的一个方面提供一种振动抑制方法，包括：输入步骤，输入用于对控制对象的动作进行控制的指令信号；卷积滤波步骤，在滤波时间内对所述指令信号进行卷积滤波处理，生成滤波后指令信号；以及输出步骤，输出所述滤波后指令信号，其中，所述滤波时间不根据在所述指令信号的控制下所述控制对象的振动的振动周期而任意设定。

所述卷积滤波步骤可以包括：N个延迟处理步骤，在第k个延迟处理中将所述指令信号延迟k-1个单位延迟时间并以第k个权重系数进行加权，生成第k个延迟信号，其中k＝1、…、N；以及相加步骤，将通过所述N个延迟处理步骤生成的N个延迟信号相加。其中，在将所述指令信号的控制下所述控制对象的振动的种类数设为M、M为大于等于1的自然数的情况下，N为大于等于2M+1的自然数，所述单位延迟时间是所述滤波时间的1/(N-1)，所述第k个权重系数可基于延迟处理的数目、滤波时间以及M种所述振动的各振动周期来设定。

所述权重系数可以如下设定：当将所述滤波时间设为h、将M种所述振动的各振动周期设为T_i(i＝1、…、M)、将所述权重系数设为x₀、x₁、…x_N-1时，

相移常数β_i为

设矩阵

则所述权重系数可通过下式设定

另外，所述卷积滤波步骤可以对所述指令信号和权重系数进行卷积运算，在将所述指令信号的控制下的所述控制对象的振动的种类数设为M的情况下，所述权重系数可基于滤波时间和M种所述振动的各振动周期来设定，其中，M为大于等于1的自然数。

所述权重系数可以如下设定：当将所述滤波时间设为h、将M种所述振动的振动周期设为T_i、将所述权重系数设为x(τ)，其中i＝1、2、……、M时，

相移常数

设矩阵

矩阵

则权重系数通过下式设定

本发明的另一方面提供一种振动抑制装置，包括：输入单元，所述输入单元输入用于对控制对象的动作进行控制的指令信号；卷积滤波单元，所述卷积滤波单元在滤波时间内对来自所述输入单元的所述指令信号进行卷积滤波处理，生成滤波后指令信号；以及输出单元，所述输出单元输出来自所述卷积滤波单元的所述滤波后指令信号。其中，所述滤波时间不根据在所述指令信号的控制下所述控制对象的振动的振动周期而任意设定。

所述卷积滤波单元可以包括：N个延迟支路，在所述N个延迟支路中的第k个延迟支路中将所述指令信号延迟k-1个单位延迟时间并以第k个权重系数进行加权，生成第k个延迟信号，其中k＝1、…、N-1；以及加法器，所述加法器将通过所述N个延迟支路生成的N个延迟信号相加。其中，在将所述指令信号的控制下所述控制对象的振动的种类数记为M、M为大于等于1的自然数的情况下，N为大于等于2M+1的自然数，所述单位延迟时间是所述滤波时间的1/(N-1)，所述第k个权重系数可基于延迟支路的数目、滤波时间以及M种所述振动的各振动周期来设定。

所述权重系数可以如下设定：当将M种所述振动的振动周期设为T_i、将所述滤波时间设为h、将权重系数设为x₀、x₁、…x_N-1，其中i＝1、2、……、M时，

相移常数β_i为

设矩阵

则所述权重系数可通过下式来设定

所述卷积滤波单元可以对所述指令信号和权重系数进行卷积运算，在将所述指令信号的控制下所述控制对象的振动的种类数设为M的情况下，所述权重系数基于滤波时间和M种所述振动的各振动周期来设定，其中，M为大于等于1的自然数。

所述权重系数可以如下设定：当将所述滤波时间设为h、将所述M种振动的各振动周期设为T_i、将所述权重系数设为x(τ)，其中i＝1、2、……、M时，

相移常数β_i为

设矩阵

矩阵

则权重系数函数可通过下式来设定

根据本发明，能够有效地抑制在控制其动作的指令信号发生变化时控制对象由于惯性而发生的振动。

附图说明

图1是用于说明指令信号作用下的控制对象发生残余振动的情况的示意图；

图2是半周期卷积滤波器的原理图；

图3是示出采用半周期卷积滤波器进行滤波的示意图；

图4是示出采用移动平均滤波器进行滤波的示意图；

图5是移动平均滤波器的原理图；

图6是移动平均滤波器的增益曲线图；

图7是示出根据本发明的实施方式的振动抑制装置的功能性结构的功能框图；

图8是示出根据本发明的实施方式的振动抑制方法的流程图；

图9是示出根据本发明实施例1的离散型卷积滤波器的示意图；

图10是示出本发明实施例1中M＝1、N＝3时的滤波处理示意图；

图11是示出本发明实施例1中M＝1、N＝3时的具体仿真例的波特图；

图12是示出希望抑制的两种振动的示意图；

图13是示出抑制两种振动的一个具体例子的增益曲线图；

图14是示出抑制两种振动的另一个具体例子的增益曲线图；

图15是示出根据本发明实施例2的连续型卷积滤波器的示意图；

图16是示出本发明实施例2的抑制一种振动的一个具体仿真例的波特图；

图17是示出本发明实施例2的抑制两种振动的一个具体仿真例的增益曲线图；

图18是示出本发明实施例2的抑制两种振动的又一个具体仿真例的增益曲线图；

图19是示出本发明实施例2的抑制两种振动的再一个具体仿真例的增益曲线图。

具体实施方式

如图1所示，当向起重机施加指令信号f(t)控制其起停动作、起重机臂的上下左右运动等时，如果指令信号发生突变，则起重机臂、悬吊的货物等由于惯性会发生摆动。升降电梯的轿厢在指令信号的控制下上下运行时，例如起停时，由于惯性作用，也会发生摆动。对于这样的由于惯性引起的摆动，可考虑利用微分积分滤波器或卷积滤波器对控制物体的动作的指令信号进行滤波来减弱或消除。

在使用微分积分滤波器的情况下，滤波后的指令信号的波形不会在有限时间内收敛。

相对于此，卷积滤波器能够实现使滤波后的指令信号在有限时间内收敛。以往，一般使用半周期卷积滤波器或移动平均滤波器，作为对指令信号进行滤波以抑制控制对象的振动的卷积滤波器。

半周期卷积滤波器是离散型卷积滤波器，分割数限定为2，滤波时间h被限定为振动周期T的半周期的奇数倍，例如，T/2、3T/2、5T/2、……。如此，半周期卷积滤波器的分割数被固定，仅为2，并且滤波时间h需与振动周期T保持一定的关联，即，必须根据振动周期T来设定。因此，振动抑制效果不理想。图2是半周期卷积滤波器的原理图。即，将振动波形进行两分割，将当前的振动波形的幅值的一半作为第一分割部分，将该波形延迟半周期的奇数倍后的波形的振幅的一半作为第二分割部分，对两者进行叠加，从而消除振动，这种消除振动的原理也比较容易想到且容易实现。图3是示出采用半周期卷积滤波器进行滤波的示意图。如图3的左侧所示，由于是将振动波形两分割，因此在将指令重合的定时会存在明显的弯折部分，即滤波后的波形存在明显的弯折，这种弯折会导致在该指令信号的控制下的控制对象产生明显的晃动。

另外，以往的移动平均滤波器是连续型卷积滤波器，其滤波时间(即，移动平均区间)h被限定为想要抑制的振动的振动周期T的倍数，例如，T、2T、3T、……。如此，移动平均滤波器的滤波时间h也需与振动周期T保持一定的关联，即，必须根据振动周期T来设定，而且不能小于振动周期T。移动平均滤波器存在滤波时间越长，响应性就越差的问题。因此，不仅振动抑制效果不理想，而且还响应性也差。图4是示出采用移动平均滤波器进行滤波的示意图。图5示出移动平均滤波器的原理图，通过对一个周期的振动波形进行平均化，从而实现滤波的效果，这也比较容易想到。图6是移动平均滤波器的增益曲线图。假设想要抑制的振动的振动周期为T[s]，则图中示出了滤波时间为T[s]、2T[s]、10T[s]时的增益曲线。从图6的三个波形的变化可以看出，滤波时间越长，响应性越差。

本申请的发明人经过锐意的研究之后做出了本发明。为了将本发明的目的、技术方案和效果阐述更加清楚，下面，举出本发明的实施方式和若干实施例，并结合相应附图来进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在通过阅读本申请文件理解本发明的发明构思后，能够在不需要作出创造性劳动的前提下对本说明书中记载的实施例进行变更或改进后实施，当然通过变更或改进后的实施方式也都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一个实施例方式，可以以振动抑制装置来实施。图7是示出根据本发明的实施方式的振动抑制装置的功能性结构的功能框图。如图7所示，振动抑制装置100包括：输入单元1，输入用于对控制对象的动作进行控制的指令信号；卷积滤波单元2，在滤波时间内对来自输入单元1的指令信号进行卷积滤波处理，生成滤波后指令信号；以及输出单元3，输出单元3输出来自卷积滤波单元2的滤波后指令信号。其中，滤波时间可任意设定，而不依据在指令信号的控制下控制对象的振动的振动周期。

根据本发明的另一个实施例方式，可以以振动抑制方法来实施。图8是示出根据本发明一个实施方式的振动抑制方法的流程示意图。如图8所示，振动抑制方法包括：输入步骤S1，输入用于对控制对象的动作进行控制的指令信号；卷积滤波步骤S2，在滤波时间内对指令信号进行卷积滤波处理，生成滤波后指令信号；以及输出步骤S3，输出滤波后指令信号。其中，滤波时间可任意设定，而不依据在指令信号的控制下控制对象的振动的振动周期。

根据本发明的实施方式，由于滤波时间h可以任意设定，而无需与想要抑制的振动的振动周期T具有一定的关联，例如不需要设定为振动周期的半周期的奇数倍或者周期的整数倍。由此，能够使得滤波后指令信号的变化更加平滑，从而能够更有效地抑制振动。

在本发明的实施方式中，卷积滤波可以采用离散型卷积滤波和连续行卷积滤波中的任一种。下面，基于实施例并结合附图进行说明。

实施例1

结合图9～图14对通过对指令信号进行离散型卷积滤波来抑制控制对象的振动的例子进行说明。

图9是示出根据本发明实施例1的离散型卷积滤波器的示意图。

在本实施例1中，振动抑制装置100的卷积滤波单元2被构成为图9示的离散型卷积滤波器12。如图9所示，离散型卷积滤波器12包括N个延迟支路和加法器123。

N个延迟支路的每一个均包括延迟部和与该延迟部串联的加权部。以第k个延迟支路为例时，包括延迟部121k和加权部122k，其中k＝1、…、N。这里，在将想要抑制的振动的种类数、即总数记为M(为大于等于1的自然数)的情况下，延迟支路的个数N优选为大于等于2M+1，单位延迟时间为滤波时间h的1/(N-1)，单位延迟时间是单个延迟支路的最小延迟时间。

第k个延迟支路的加权部122k的权重系数x_(k-1)优选地基于延迟支路的数目N、滤波时间h以及M种振动的各振动周期T来设定。具体地，假定M个振动的振动周期分别为T₁～T_M[s]。在有M个需要抑制的振动并且延迟分为N个支路的情况下，

相移常数β_i为

其中，i＝1,2,…,M。

设矩阵为

则上述各加权部的权重系数可通过下式求出。

X＝-A^T(AA^T)^-1B，(A^T是A的转置矩阵)。

在要抑制的振动为1个、即M＝1，振动周期记为T的情况下，

相移常数β为

此时，矩阵A和B、以及权重系数X分别如下。

当根据本实施例执行M个振动的抑制处理时，首先，用于对控制对象的动作进行控制的指令信号f(t)被输入至输入单元1。这里，指令信号f(t)的频域信号表示为F(s)(输入步骤S1)。

接着，该输入的指令信号f(t)经N个延迟支路被分别实施延迟处理(相当于本发明的N个延迟处理步骤)。具体地，如图9所示，在第一个延迟支路，不延迟，并以x₀进行加权，在第二个延迟支路，延迟h/(N-1)时间，并以x₁进行加权，……，在第k个延迟支路，延迟h·(k-1)/(N-1)时间，并以x_(k-1)进行加权，……，在第N个延迟支路，延迟h时间，并以x_(N-1)进行加权。

然后，经过上述延迟处理后的各支路的信号在加法器123被相加，获得滤波后指令信号F_OUT(s)(相当于本发明的相加步骤)。图9示意性地示出了滤波前的输入信号波形、各个延迟后的信号波形以及滤波后的信号波形。比较图9左右侧的波形示意图可知，与滤波前的指令信号的波形相比，滤波后指令信号的波形变得平滑很多。

该滤波后指令信号F_OUT(s)从振动抑制装置100输出，用于对控制对象的运动进行控制。由于滤波后指令信号的波形变化平滑，因此可有效地抑制控制对象发生振动。

下面，举具体数据进行仿真来进行说明。首先对抑制一种振动的情况进行说明。图10是示出本发明实施例1中M＝1、N＝3时的滤波处理的示意图，图11是示出本发明实施例1中M＝1、N＝3时的具体仿真例的波特图。

假定延迟支路N为3个，滤波时间h选取0.25s，要抑制的振动的振动周期T为1s。

图10示出了根据本发明实施例1的具有三个延迟支路的离散型卷积滤波器12的结构。

如图10所示，输入信号F(s)分别以0、h/2、h进行延迟，相移常数为

矩阵A为如下。

设常数

则加权部的权重系数为

对此进行仿真后的结果示于图11。图11示出了上述具体仿真例的波特图。从图11以看出，频率为1Hz(周期为1s)处的增益显示为明显的波谷，说明对频率为1Hz的振动的抑制效果非常显著。

由以上说明可知，当根据本发明的实施例1采用离散型卷积滤波对指令信号进行滤波后对控制对象的动作进行控制时，能够任意地设定滤波时间h，因此能够获得更加平滑的指令信号，进而能够抑制控制对象在指令信号的控制下动作时的振动。

另外，根据本发明的实施例1，能够同时抑制多个振动，这里包括指令信号作用下的一个控制对象上发生的多个振动，也包括指令信号作用下的多个控制对象上发生的多个振动。

例如，以起重机为例，在指令信号控制起重机臂使其左右移动下面悬吊的货物的情况下，当指令信号发生改变，从而导致起重机臂左右晃动，起重机臂悬吊的货物也发生左右晃动时，通过本发明的实施例1，可以同时抑制起重机臂以及货物的左右晃动。

下面，以抑制两个振动的离散型卷积滤波作为示例进行说明。

图12是示出希望抑制的两种振动的示意图，如图12所示，希望抑制的振动的周期分别为周期T₁[s]、周期T₂[s]。在存在两个振动的情况下，即M＝2时，N为5以上的值，这里假定N＝5。假设希望求出的权重系数为x₀～x₄，则

X＝A^-1B

这里，作为具体的一个例子，假定各参数分别为以下值。h＝0.25[s]、T₁＝1.0[s]、T₂＝0.75[s]，则通过计算获得

图13示出了使用该权重的滤波器的增益曲线图。根据该增益曲线图可知，对于振动周期为T₁＝1.0[s]、T₂＝0.75[s]的这两种振动，对应的频率分别为1[Hz]、1.33[Hz]，在图13中，这两处的频率的增益显著下降，由此可以确认在这两处得到了振动被明显抑制的效果。

作为又一具体的例子，假定h＝0.25[s]、T₁＝1.0[s]、T₂＝0.2[s]，则通过计算获得

图14示出了使用该权重的滤波器的增益曲线图。根据该增益曲线图可知，对于振动周期为T₁＝1.0[s]、T₂＝0.2[s]的这两种振动，对应的频率分别为1[Hz]、5[Hz]，在图14的增益曲线图中，这两处的频率的增益明显下降，由此可以确认在这两处得到了振动被明显抑制的效果。

另外，在本实施例1中，举例说明了权重系数计算方法，但实际上只要是能够使经本发明滤波后的输出信号(滤波后信号)相对于输入信号(滤波前信号)仅改变信号平滑度而不改变幅值的权重系数，可以采用任意种计算方法，而不限于上述的权重系数计算方法。

实施例2

结合图15～图19对通过对指令信号进行连续型卷积滤波来抑制控制对象的振动的例子进行说明。

图15是示出根据本发明实施例2的连续型卷积滤波器的示意图。

在本实施例2中，振动抑制装置100的卷积滤波单元2被构成为图15所示的连续型卷积滤波器22。如图15所示，连续卷积滤波的滤波过程可以理解为与上述实施例1的离散卷积滤波相同，不同点在于延迟处理次数(延迟支路数)N趋向于∞。在输入信号为f(t)、所述滤波时间为h时，连续型卷积滤波器22的传递函数表示为

其中，权重系数x(τ)可以考虑如下设置。

将想要抑制的M种振动的振动周期分别记为T_i，其中，i＝1、2、……、M，

则相移常数数β_i为

设矩阵

则所述权重系数通过下式来设定

在要抑制的振动为1个、即M＝1，振动周期记为T的情况下，

相移常数β为

此时，矩阵A和B、以及权重系数x(τ)分别如下。

(A^T是A的转置矩阵)。

下面，例举具体数据并进行仿真来进行说明。图16是示出本发明实施例2的抑制一种振动的一个具体仿真例的波特图，假定滤波时间h选取0.25s，要抑制的振动的振动周期T为1s。对此进行仿真后的结果示于图16。从图16可以看出，频率为1Hz(周期为1s)处的增益显示为明显的波谷，说明对频率为1Hz的振动的抑制效果非常显著。

由以上说明可知，当根据本发明的实施例2采用连续型卷积滤波对指令信号进行滤波后对控制对象的动作进行控制时，能够任意地设定滤波时间h，因此能够获得更加平滑的指令信号，进而能够更有效地抑制控制对象在指令信号的控制下运动时的振动。

进而，滤波时间h可以设定为小于要抑制的振动的振动周期T。当设定为小于要抑制的振动的振动周期T时，与以往必须设定为振动周期T的整数倍的情况相比，既能够抑制振动又能够提高响应性。

另外，根据本发明的实施例2，能够同时抑制多个振动，这里包括指令信号作用下的一个控制对象上发生的多个振动，也包括指令信号作用下的多个控制对象上发生的多个振动。

下面，以希望抑制的振动的周期分别为周期T₁[s]、周期T₂[s]，在该情况下，权重系数x(τ)的一个解如下式给出。

这里，A^T(τ)是A(τ)的转置矩阵。

这里，如果具体的数值假定为滤波时间h＝0.25[s]、周期T₁＝1.0[s]、周期T₂＝0.75[s]，则权重如下计算。

x(τ)＝(19208*((7206*3^(1/2))/49+4*π^2-π*(3*3^(1/2)+8)-12384/49)*(59*π+(1032*3^(1/2))/7-8*π^2*cos(2*π*τ)+8*π^2*sin(2*π*τ)+9*π^2*sin((8*π*τ)/3)+π*cos((8*π*τ)/3)*((150*3^(1/2))/7-144/7)-π*cos(2*π*τ)*((150*3^(1/2))/7-432/7)+π*sin(2*π*τ)*((150*3^(1/2))/7-432/7)+π*sin((8*π*τ)/3)*((144*3^(1/2))/7-450/7)-3*3^(1/2)*π^2*cos((8*π*τ)/3)-3078/7))/(π^3*(2709504*3^(1/2)-6996563)-π^2*(1389150*3^(1/2)-12293120)+489444984*3^(1/2)+38416*π^5-π*(249868800*3^(1/2)-420158844)-845988192)+4。

如果具体的数值假定为滤波时间h＝0.25[s]、周期T₁＝1.0[s]、周期T₂＝0.2[s]，则权重如下计算。

x(τ)＝-(20*π*(108*π-48*cos(2*π*τ)+48*cos(10*π*τ)+48*sin(2*π*τ)-48*sin(10*π*τ)-180*π*cos(2*π*τ)-36*π*cos(10*π*τ)+180*π*sin(2*π*τ)+36*π*sin(10*π*τ)+45*π^2+16))/((3*π+16)*(220*π-75*π^2+48))。

如果具体的数值假定为滤波时间h＝0.25[s]、周期T₁＝1.0[s]、周期T₂＝0.05[s]，则权重如下来计算。

x(τ)＝-(51072*cos(40*π*τ)+π*(2547216*cos(2*π*τ)-2547216*sin(2*π*τ))-10188864)/(318402*π+159201*π^2-2547248)。

针对上述的具体例子，增益曲线图如图17至图19所示。图17至图19分别示出了本实施例2中的抑制两种振动的具体仿真例的增益曲线图，横轴表示频率，纵轴表示增益，圆圈示出了增益下降的位置。

针对振动周期为T₁＝1.0[s]、T₂＝0.75[s]的振动，由图17可知，在频率为1[Hz]、1.33[Hz]处增益明显下降；针对T₁＝1.0[s]、T₂＝0.20[s]的振动，由图18可知，在频率为1[Hz]、5.0[Hz]处增益明显下降，针对T₁＝1.0[s]、T₂＝0.05[s]的振动，由图19可知，在频率为1[Hz]、20.0[Hz]处增益明显下降，由此可以确认能够在振动抑制目标位置获得了明显的振动抑制效果。

因此，采用本发明的连续卷积滤波器无论是针对一种振动还是多种振动都能够得到良好的振动抑制效果。

另外，在本实施例2中，举例说明了权重系数计算方法，但实际上只要是能够使经本发明滤波后的输出信号(滤波后信号)相对于输入信号(滤波前信号)仅改变信号平滑度而不改变幅值的权重系数，可以采用任意种计算方法，而不限于上述的权重系数计算方法。

以上，基于实施例，对根据本发明的振动抑制装置和振动抑制方法进行了说明。但不限于此，本发明也可以以通过指令代码实现上述振动抑制方法的计算机程序、存储有该计算机程序的存储介质等各种方式实施。

另外，根据本发明的振动抑制装置其一部分或者全部可以通过计算机程序来实现，也可以通过ASIC、FPGA、SOC等其他硬件电路来实现，或者也可以通过分立元件组装而成的硬件电路来实现。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用，使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。