CN110928180B - 一种作动器的迟滞补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于作动器控制技术领域，公开了一种作动器的迟滞补偿方法和装置，包括：S1，获取时域控制信号和作动器的实际响应信号，所述时域控制信号为作动器的期望输入信号；S2，获取时域控制信号的频率、幅值和相位，根据时域控制信号的频率、幅值和相位，以及作动器的实际响应信号采用频域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐频率迟滞补偿，得到频域补偿后的控制信号，解决工程中作动器响应总是滞后于控制输入期望信号的问题。

Description

一种作动器的迟滞补偿方法和装置

技术领域

本发明属于作动器控制技术领域，尤其涉及一种作动器的迟滞补偿方法和装置。

背景技术

在工程控制领域经常会遇到当输入信号为往复信号时，在往复过程中输入与输出存在一定的迟滞现象，即往复的输入与输出曲线不重合。迟滞会带来控制系统的幅值、相位的滞后或削减，从而降低控制系统的精度，严重时还会引起控制系统的错误输出。特别是在精密控制领域，控制系统的迟滞是首先需要解决的问题。

在控制系统中，对非线性系统的控制比较困难，控制方法较少，一般先将非线性系统采取一定的迟滞补偿措施进行线性化处理。工程或研究中一般有三类方法对迟滞进行补偿：一是采用时域的PID对控制系统的迟滞现象进行线性化处理；二是采用迟滞算子组成唯像迟滞模型，进而建立迟滞补偿控制器串联在迟滞的非线性系统中，比如经典的Presiach模型及其衍生模型、Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型等；三是利用本构法对输入输出的迟滞若干条曲线进行拟合模拟，再生成逆模型补偿控制器对迟滞非线性系统进行补偿控制，比如记忆显性模型、三次多项式迟滞本构模型等。但这三类方法都存在自身的缺点，限制这些方法在工程领域的应用范围。时域PID方法只适合静态或准静态输入时，对于1Hz以上输入的迟滞非线性系统效果不佳，而且随着频率的提高，控制效果越差；采用迟滞算子组成唯像迟滞模型存在天然的弊端，该类模型在计算迟滞算子的权函数时需要大量的运算，从而加重控制系统的负担；本构法由于需要对输入输出的迟滞曲线提前进行拟合，因此对于输入信号的变换，模型也要进行相应变化，缺乏灵活性，而且迟滞曲线是拟合得到的，还存在控制精度问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种作动器的迟滞补偿方法和装置，解决工程中作动器响应总是滞后于控制输入期望信号的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种作动器的迟滞补偿方法，所述方法包括：

S1，获取时域控制信号和作动器的实际响应信号，所述时域控制信号为作动器的期望输入信号；

S2，获取时域控制信号的频率、幅值和相位，根据时域控制信号的频率、幅值和相位，以及作动器的实际响应信号采用频域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐频率迟滞补偿，得到频域补偿后的控制信号。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)所述方法还包括：

S3，获取作动器的实际响应信号，根据频域补偿后的控制信号和作动器的实际响应信号，采用时域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐点迟滞补偿。

(2)S2具体为：

将作动器的实际响应信号转换到频域，得到实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位；

根据时域控制信号的每个频率下的幅值和相位，以及实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位，对实际响应信号的每个频率对应的实际幅值进行逐频率幅值补偿，并对实际相位进行逐频率相位补偿，得到频域补偿后的控制信号；

将频域补偿后的控制信号转换成补偿后的时域信号。

(3)S3具体为：根据补偿后的时域信号和作动器的实际响应信号，采用时域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐点迟滞补偿。

(4)逐点读取频域补偿后的控制信号，并与实时采集的作动器的实际响应信号逐点相减，将相减后的信号输入到时域PID控制器中，经PID控制器修正后输出到作动器，实现作动器的实际响应信号的静态值补偿。

(5)时域控制信号的每个频率下的幅值和相位<A_n,φ_n,ω_n>减去作动器的实际响应信号的幅值和相位<A′_n,φ′_n,ω′_n>，相减后的信号按照频率有序的输入到并联的频域PID控制器中，得到修正的幅值和相位

所述并联的频域PID控制器包含一组并联的幅值PID控制器和一组并联的相位PID控制器，每个频率对应一个幅值PID控制器和一个相位PID控制器；

将修正的幅值和相位转换到时域，得到补偿后的时域信号，实现作动器的实际响应信号的动态值补偿。

技术方案二：

一种作动器的迟滞补偿装置，所述装置应用于如技术方案一所述的方法中，所述装置包括：

输入采集模块，用于获取时域控制信号，并采集作动器的实际响应信号，所述时域控制信号为作动器的期望输入信号；

频域误差补偿模块，用于获取时域控制信号的频率、幅值和相位，根据时域控制信号的频率、幅值和相位，以及作动器的实际响应信号采用频域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐频率迟滞补偿，得到频域补偿后的控制信号。

本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

(1)所述装置还包括：

时域误差补偿模块，用于获取作动器的实际响应信号，根据频域补偿后的控制信号和作动器的实际响应信号，采用时域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐点迟滞补偿。

(2)频域误差补偿模块，具体用于：将作动器的实际响应信号转换到频域，得到实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位；

根据时域控制信号的每个频率下的幅值和相位，以及实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位，对实际响应信号的每个频率对应的实际幅值进行幅值补偿，并对实际相位进行相位补偿，得到频域补偿后的控制信号；将频域补偿后的控制信号转换成补偿后的时域信号。

本发明的有益效果：针对作动器控制信号为单频或多频正弦信号组合的宽频、高频控制情形，本发明提出的时域+频域相结合的宽频误差补偿控制算法，避免了构建复杂的作动器本构模型，控制器设计容易，计算简单高效、对硬件性能需求低，控制器设计只与控制信号的频率数量相关，而与激励频率高低无关，通用性、灵活性强，适应频带宽、控制精度高。

附图说明

图1为作动器幅值、相位补偿控制器模块结构图；

图2为无控制状态下输入信号与作动器反馈信号时域对比示意图；

图3为作动器采用本发明所述补偿控制方法闭环控制下输入信号与作动器反馈信号时域对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种时域+频域相结合的作动器宽频补偿控制算法。该补偿算法分为内层和外层2个控制回路。如图1所示：

其中，内层为一个时域误差补偿控制回路(此处误差补偿控制器以PID控制器为例)，PID输入为期望时域信号与作动器反馈信号的差值，通过逐点控制可实现稳态值的误差实时补偿。

外层为频域误差补偿控制回路，由一系列并联的独立误差补偿控制器构成(独立的误差补偿控制器以PID控制器为例)。对所有的正弦信号幅值和相位，逐一构建独立的PID控制器，实现每个频率下的正弦信号幅值和相位补偿。具体为对采集的一段时长为T的整周期反馈信号进行频谱分析，将信号从时域转换到频域，得到信号各个频率成分的幅值和相位信息，然后与期望信号的幅值和相位一一对应减去，随后输入到各个误差补偿控制器中，得到一系列修正的幅值和相位，再通过IFFT变换将信号从频域变换到时域，作为内层控制回路的输入，最终实现作动器的迟滞补偿控制。

步骤1：输入控制信号

输入期望信号在频域下的各个频率、幅值和相位<A_n,φ_n,ω_n>,其中A_n为幅值、φ_n为相位，ω_n为圆频率,其中A₀表示静态值。

步骤2：时域信号生成

<A_n,φ_n,ω_n>传输到“波形生成”模块，通过IFFT法将信号从频域转换到时域，生成时长为T由512个点组成的整周期时域信号，并存储在“FIFO-1”(缓存)中。

时域波形信号生成公式为：

式中n表示n的下限，/>

表示n的上限。/>

步骤3：内层时域PID控制

按给定时间间隔dt或根据触发信号，从“FIFO-1”中逐点读取信号，并与实时采集的作动器反馈信号点相减，随后输入到时域PID模块中，经PID修正后输出到作动器中。该步骤的时域PID控制可实现控制信号的静态值补偿。

步骤4；反馈信号频谱分析

采集并在“FIFO-2”中存储时长T的整周期的作动器反馈信号Y，然后作FFT分析，将信号从时域转换到频域，得到一系列幅值、相位和频率<A′_n,φ′_n,ω′_n>。

步骤5：外层频域PID控制

期望信号的幅相<A_n,φ_n,ω_n>减去反馈信号的幅相<A′_n,φ′_n,ω′_n>，随后有序的输入到各个并联的独立的频域PID控制器中，得到修正的幅值和相位

随后输入步骤2中进行信号生成。该步可实现控制信号的动态值(各个频率成分正弦信号的幅值和相位)误差补偿。

重复步骤2～5，即可实现作动器迟滞补偿的实时控制。

具体的，图2为无控制状态下输入信号与作动器反馈信号时域对比，图3为作动器采用本发明技术方案所述补偿控制方法闭环控制下输入信号与作动器反馈信号时域对比，从中可以看出，通过补偿之后，期望信号与反馈信号基本一致。

针对作动器控制信号为单频或多频正弦信号组合的宽频、高频控制情形，作动器如压电作动器、磁致伸缩作动器等其输入与输出的迟滞随着激励频率的升高而升高，且迟滞特性与频率呈非线性关系,传统的时域补偿控制方法构建作动器控制模型困难、复杂、工作量大，且往往只能在较窄的频率取得满足的精度，而宽频补偿能力很差。

本发明提供了一种时域+频域相结合的作动器宽频补偿控制算法，适用于控制信号为单频或多频正弦信号组合的宽频、高频控制情形。

根据信号的特点，通过FFT等频谱分析方法得到信号静态值和动态值成分，其中动态值为信号中各个频率下正弦信号的幅值和相位，由此对信号中的各个成分进行独立误差补偿控制，避免了复杂的作动器本构模型的构建或迟滞算子的高昂计算成本。该误差补偿控制算法为2层级联控制，分为内层和外层2个控制回路，内层为时域控制器，可实现静态值的实时误差补偿，外层为频域控制器，可实现信号动态值的整周期误差补偿。

其中，内层为常规的时域误差补偿控制回路，包括但不限于PID算法，误差补偿控制器输入为期望时域信号与作动器反馈信号的差值，通过逐点控制可实现稳态值的误差实时补偿，同时可使信号连续变化，减小信号的阶跃速度，对作动器起保护作用，避免作动器受到冲击。

外层为频域误差补偿控制回路，由一系列并联的独立误差补偿控制器构成，误差补偿控制器包括但不限于PID控制器。对所有的正弦信号幅值和相位，逐一构建独立的误差补偿控制器，实现每个频率下的正弦信号幅值和相位补偿。具体为对采集的一段时长为T的整周期反馈信号进行频谱分析(包括但不限于FFT法)，将信号从时域转换到频域，得到信号各个频率成分的幅值和相位信息，然后与期望信号的幅值和相位一一对应减去，随后输入到各个误差补偿控制器中，得到一系列修正的幅值和相位，再通过IFFT变换将信号从频域变换到时域，作为内层控制回路的输入。

最终实现作动器的迟滞补偿控制，解决作动器响应总是滞后于期望控制输入信号的问题，亦即响应与期望信号在频域中的各个频率下的幅值和相位不一致问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种作动器的迟滞补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，获取时域控制信号和作动器的实际响应信号，所述时域控制信号为作动器的期望输入信号；

S2，获取时域控制信号的频率、幅值和相位，根据时域控制信号的频率、幅值和相位，以及作动器的实际响应信号采用频域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐频率迟滞补偿，得到频域补偿后的控制信号；

S2具体为：

将作动器的实际响应信号转换到频域，得到实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位；

根据时域控制信号的每个频率下的幅值和相位，以及实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位，对实际响应信号的每个频率对应的实际幅值进行逐频率幅值补偿，并对实际相位进行逐频率相位补偿，得到频域补偿后的控制信号；

将频域补偿后的控制信号转换成补偿后的时域信号。

2.根据权利要求1所述的一种作动器的迟滞补偿方法，其特征在于，在S2之后，所述方法还包括：

S3，获取作动器的实际响应信号，根据频域补偿后的控制信号和作动器的实际响应信号，采用时域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐点迟滞补偿。

3.根据权利要求2所述的一种作动器的迟滞补偿方法，其特征在于，S3具体为：根据补偿后的时域信号和作动器的实际响应信号，采用时域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐点迟滞补偿。

4.根据权利要求2所述的一种作动器的迟滞补偿方法，其特征在于，

逐点读取频域补偿后的控制信号，并与实时采集的作动器的实际响应信号逐点相减，将相减后的信号输入到时域PID控制器中，经PID控制器修正后输出到作动器，实现作动器的实际响应信号的静态值补偿。

5.根据权利要求1所述的一种作动器的迟滞补偿方法，其特征在于，

时域控制信号的每个频率下的幅值和相位<A_n,φ_n,ω_n>减去作动器的实际响应信号的幅值和相位<A′_n,φ′_n,ω′_n>，相减后的信号按照频率有序的输入到并联的频域PID控制器中，得到修正的幅值和相位

所述并联的频域PID控制器包含一组并联的幅值PID控制器和一组并联的相位PID控制器，每个频率对应一个幅值PID控制器和一个相位PID控制器；

将修正的幅值和相位转换到时域，得到补偿后的时域信号，实现作动器的实际响应信号的动态值补偿。

6.一种作动器的迟滞补偿装置，所述装置应用于如权利要求1－5中任一项所述的方法中，其特征在于，所述装置包括：

输入采集模块，用于获取时域控制信号，并采集作动器的实际响应信号，所述时域控制信号为作动器的期望输入信号；

频域误差补偿模块，用于获取时域控制信号的频率、幅值和相位，根据时域控制信号的频率、幅值和相位，以及作动器的实际响应信号采用频域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐频率迟滞补偿，得到频域补偿后的控制信号；

频域误差补偿模块，具体用于：将作动器的实际响应信号转换到频域，得到实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位；

根据时域控制信号的每个频率下的幅值和相位，以及实际响应信号的每个频率对应的实际幅值和实际相位，对实际响应信号的每个频率对应的实际幅值进行幅值补偿，并对实际相位进行相位补偿，得到频域补偿后的控制信号；

将频域补偿后的控制信号转换成补偿后的时域信号。

7.根据权利要求6所述的一种作动器的迟滞补偿装置，其特征在于，所述装置还包括：

时域误差补偿模块，用于获取作动器的实际响应信号，根据频域补偿后的控制信号和作动器的实际响应信号，采用时域误差补偿对作动器的实际响应信号进行逐点迟滞补偿。

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