CN111338216B - 一种基于混合脉冲激励的输入整形器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于振动抑制技术领域，公开了一种基于混合脉冲激励的输入整形器及设计方法，建立二阶振动系统闭环传递函数；建立SIMULINK仿真模型；获取系统对单位阶跃信号的响应曲线；对响应曲线进行频谱分析，得到系统振动频率以及阻尼比；根据系统振动频率以及阻尼比设计基于混合脉冲激励的输入整形器；将设计得到的混合脉冲序列与期望输入进行卷积得到输入指令，完成对系统的残余振动抑制。本发明采用基于混合脉冲激励的输入整形器，对系统残余振动进行了有效抑制，并提高系统上升时间，减少时间延迟，降低输入整形器对系统参数的敏感性，增强系统鲁棒性。

Description

一种基于混合脉冲激励的输入整形器及设计方法

技术领域

本发明属于振动抑制技术领域，尤其涉及一种基于混合脉冲激励的输入整形器及设计方法。

背景技术

目前，现代工业控制系统中，为提高伺服系统对负载的适配性，经常使用刚度有限的传动设备连接负载，如齿轮、皮带、滚珠丝杠等，柔性传动部件的引入不可避免的会引发系统产生机械谐振以及残余振动，从而影响系统的高速高精响应，导致系统定位稳定时间过长。因此，设计一种切实可行的振动抑制方法对于伺服系统的高速高精控制而言是至关重要的。

输入整形器作为一种开环的前馈控制策略，独立于伺服控制环路之外，不会对整体控制回路中的其他控制模块造成干扰，也不会对整体系统的稳定性造成影响，因而对不同类型的多种系统皆具有很强的兼容性；另一方面，输入整形器的结构设计以及参数整定均在离线状态下进行，不会对控制系统造成额外的计算负担，导致系统的实时性降低。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)目前使用较多的输入整形器为零振动(Zero Vibration，ZV)输入整形器以及零振动微分(Zero Vibration andDerivation，ZVD)输入整形器，但这两种输入整形器都采用只包含正脉冲的脉冲序列进行构造，不可避免的会使系统响应产生一定的时间滞后。不能在有效抑制系统残余振动的前提下，保证系统的鲁棒性。

(2)针对传统输入整形器引入的时间滞后问题，最优输入整形算法通过借鉴最优控制理论，根据目标函数的极小值原理，对控制器的性能指标进行参数优化，得到目标函数极值最小的控制器，从而可以任意选择整形器的时滞时间，但未能给出时滞时间与系统物理特性及振动特性的关系表达式，需要通过经验选择时滞时间。

解决以上问题及缺陷的难度为：分析时滞时间与系统物理特性、振动特性及输入整形器结构之间的关系，通过引入负脉冲，组成混合脉冲激励序列，改造输入整形器结构，从而使系统响应的时滞时间减小，同时保证输入整形器的抑振能力。

解决以上问题及缺陷的意义为：在不对控制回路中其他模块的造成干扰的前提下，结合系统振动特性，改进输入整形器参数设计方法，并将输入指令通过输入整形器整形，从而消除系统的残余振动，同时减少系统的时滞时间，进一步提高系统运行的平稳性、控制精度、工作效率及设备寿命等，并且无需增加其它硬件设备，节约成本。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于混合脉冲激励的输入整形器及设计方法。

本发明是这样实现的，一种基于混合脉冲激励的输入整形器及设计方法包括：

步骤一，建立二阶振动系统闭环传递函数；

步骤二，根据步骤一建立的二阶振动系统闭环传递函数，对阻尼二阶振动系统建立仿真模型；

步骤三，通过Simulink仿真软件，在交流伺服系统的位置指令输入端给定固定采样时长的单位阶跃信号，采集系统的位置输出信息，得到阻尼二阶振动系统对单位阶跃信号的响应曲线；

步骤四，对响应曲线进行快速傅里叶分析，得到阻尼二阶振动系统振动频率；并通过对数衰减法获得阻尼比；

步骤五，根据阻尼二阶振动系统振动频率以及阻尼比，通过求解约束方程得到混合脉冲激励输入整形器的混合脉冲序列；

步骤六，将得到的混合脉冲信号与期望输入信号进行卷积计算得到输入指令，完成对阻尼二阶振动系统的残余振动抑制。

进一步，所述步骤一二阶振动系统闭环传递函数为：

其中，ω_n为系统自然振动频率，ξ为系统阻尼比。

进一步，所述步骤五进一步包括：

第一步，输入整形器系列脉冲之和：

第二步，将该脉冲序列作用于二阶振动系统闭环传递函数的阻尼二阶振动系统，得到残余振动为：

其中

其中，A_i、t_i分别为脉冲序列中各脉冲的幅值以及作用时刻，阻尼二阶振动系统的振动频率为

第三步，给定混合脉冲序列幅值：

其中，Q为整形器的品质因数，n为奇数；

第四步，对混合脉冲序列作用时间增加约束条件满足残余振动式为零，约束条件为：

第五步，增加残余振动微分为零，即：

通过给定混合脉冲序列幅值条件求解约束方程、

得到混合脉冲序列激励下的输入整形器各脉冲序列幅值A_i以及作用时间t_i。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法获得的基于混合脉冲激励的输入整形器。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法的刚度有限传动设备伺服系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：输入整形器作为一种开环前馈控制策略，不会对其他控制模块造成干扰，也不会对整体系统的稳定性造成影响，因而对不同类型的多种系统皆具有很强的兼容性；本发明所设计的输入整形器对系统的残余振动具有明显的抑制能力，与传统输入整形器相比，系统响应时滞时间明显减少，仿真对比效果如图3、图4所示，时滞时间对比如表1所示。

本发明提供的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法通过建立二阶振动系统闭环传递函数；建立SIMULINK仿真模型；获取系统对单位阶跃信号的响应曲线；对响应曲线进行频谱分析，得到系统振动频率以及阻尼比；根据系统振动频率以及阻尼比设计基于混合脉冲激励的输入整形器；将设计得到的混合脉冲序列与期望输入进行卷积得到输入指令，完成对系统的残余振动抑制。本发明采用基于混合脉冲激励的输入整形器，对系统残余振动进行了有效抑制，并提高系统上升时间，减少时间延迟，降低输入整形器对系统参数的敏感性，增强系统鲁棒性。

结合实验或试验数据和现有技术对比得到的效果和优点：如图3及图4所示，与未加入输入整形器的原系统相比，系统残余振动得到了有效抑制；如表1所示，与传统输入整形器振动抑制效果对比，系统上升时间得以提高，时滞时间得以减少。

表1是本发明实施例提供的加入混合脉冲激励的输入整形器系统时滞时间与加入传统输入整形器系统时滞时间对比表。

输入整形器类型	正脉冲激励	混合脉冲激励
			ZV	21.6ms	0.1ms
ZVD	101.9ms	80.6ms

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法流程图。原理图。

图2是本发明实施例提供的残余振动抑制原理图。

图3是本发明实施例提供的未加入输入整形器的系统残余振动与加入基于混合脉冲激励的ZV输入整形器以及传统ZV输入整形器的系统残余振动曲线对比示意图。

图4是本发明实施例提供的未加入基于混合脉冲激励的输入整形器的系统残余振动与加入基于混合脉冲激励的ZVD输入整形器以及传统ZVD输入整形器的系统残余振动曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前使用较多的输入整形器为零振动(Zero Vibration，ZV)输入整形器以及零振动微分(Zero Vibration and Derivation，ZVD)输入整形器，但这两种输入整形器都采用只包含正脉冲的脉冲序列进行构造，不可避免的会使系统响应产生一定的时间滞后。不能在有效抑制系统残余振动的前提下，保证系统的鲁棒性。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法，包括：

S101：构建有阻尼二阶振动系统闭环传递方程：

其中，ω_n为系统自然振动频率，ξ为系统阻尼比；

S102：基于SIMULINK环境搭建伺服驱动系统，包括位置-速度-电流三层环路控制，并将上述二阶系统作为负载建立仿真模型。

S103：在交流伺服系统的位置指令输入端给定固定采样时长的单位阶跃信号，获取系统对单位阶跃信号的响应曲线。

S104:对响应曲线进行频谱分析，得到二阶振动系统的振动频率以及阻尼比。

S105：针对由步骤S104获取的系统振动频率以及阻尼比，分别设计基于混合脉冲激励的ZV输入整形器以及基于混合脉冲激励的ZVD输入整形器。

S106:将通过输入整形器所设计混合脉冲序列与输入指令进行卷积，形成相应的脉冲序列作为系统的输入，完成对有阻尼二阶振动系统的振动抑制。

步骤S105，具体包括：

第1步：确定基于混合脉冲激励的ZV输入整形器的混合脉冲序列幅值为：

其中，Q为整形器的品质因数，n为奇数。

将混合脉冲序列为：

作用于上述系统，在最后一个脉冲信号作用后，得到系统的残余振动为：

其中，

其中，其中，A_i、t_i分别为脉冲序列中各脉冲的幅值以及作用时刻，t_n为最后一个脉冲的作用时刻，二阶系统的振动频率为

为保证整形时间最短，对混合脉冲序列作用时间增加如下约束条件：

为保证整形后系统残余振动为零，增加约束条件满足式(3)为零，即分别满足式(4)以及式(5)为零。

根据约束条件(4)-(6)建立非线性方程组，并采用迭代法求解，得到混合脉冲序列中各脉冲的作用时间t_i(i＝1,2,…,n)，即可得到基于混合脉冲激励的ZV输入整形器。

第2步：在基于混合脉冲激励的ZV输入整形器的基础上，增加脉冲个数，并添加对参与振动微分的约束：

为保证整形后系统残余振动为零，增加约束条件满足式(3)为零。

为降低输入整形器对系统参数的敏感性，提高系统鲁棒性，增加残余振动微分为零，即：

通过给定条件(6)求解约束方程(4)-(8)，得到混合脉冲序列激励下的输入整形器各脉冲序列幅值A_i以及作用时间t_i。

如图2所示，本发明实施例提供的残余振动抑制原理图。

通过上述方案，本发明有效抑制二阶有阻尼振动系统的残余振动；与传统输入整形器对比，减少系统对输入指令的响应时间；降低输入整形器对系统振动参数的敏感性，提升系统鲁棒性。

图3是本发明实施例提供的未加入输入整形器的系统残余振动与加入基于混合脉冲激励的ZV输入整形器以及传统ZV输入整形器的系统残余振动曲线对比示意图。

图4是本发明实施例提供的未加入基于混合脉冲激励的输入整形器的系统残余振动与加入基于混合脉冲激励的ZVD输入整形器以及传统ZVD输入整形器的系统残余振动曲线示意图。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法，其特征在于，所述基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法包括：

步骤一，建立二阶振动系统闭环传递函数；

步骤二，根据步骤一建立的二阶振动系统闭环传递函数，对阻尼二阶振动系统建立仿真模型；

步骤三，在交流伺服系统的位置指令输入端给定固定采样时长的单位阶跃信号，获取阻尼二阶振动系统对单位阶跃信号的响应曲线；

步骤四，对响应曲线进行频谱分析，得到阻尼二阶振动系统振动频率以及阻尼比；

步骤五，根据阻尼二阶振动系统振动频率以及阻尼比，通过求解约束方程得到混合脉冲激励输入整形器的混合脉冲序列；

所述步骤五进一步包括：

第一步，输入整形器系列脉冲之和：

第二步，将该脉冲序列作用于二阶振动系统闭环传递函数的阻尼二阶振动系统，得到残余振动为：

其中

其中，A_i、t_i分别为脉冲序列中各脉冲的幅值以及作用时刻，阻尼二阶振动系统的振动频率为

第三步，给定混合脉冲序列幅值：

其中，Q为整形器的品质因数，n为奇数；

第四步，对混合脉冲序列作用时间增加约束条件满足残余振动式为零，约束条件为：

第五步，增加残余振动微分为零，即：

通过给定混合脉冲序列幅值条件求解约束方程、

得到混合脉冲序列激励下的输入整形器各脉冲序列幅值A_i以及作用时间t_i；

步骤六，将得到的混合脉冲序列与期望输入进行卷积得到输入指令，完成对阻尼二阶振动系统的残余振动抑制。

2.如权利要求1所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法，其特征在于，所述步骤一二阶振动系统闭环传递函数为：

其中，ω_n为系统自然振动频率，ξ为系统阻尼比。

3.一种利用权利要求1～2任意一项所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法获得的基于混合脉冲激励的输入整形器。

4.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1～2任意一项所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法。

5.一种利用权利要求1～2任意一项所述的基于混合脉冲激励的输入整形器设计方法的刚度有限传动设备伺服系统。

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