CN112947615A - 一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器。方法将时域参考加速度通过频域分段处理方法处理后，获得合成参考加速度，对合成参考加速度进行二次积分计算后获得参考位移，利用位移伺服控制方法将参考位移和振动系统硬件的状态反馈信号进行计算得到控制输出电压。应用上述方法的加速度伺服控制器利用加速度频域分段伺服控制方法对时域参考加速度和状态反馈信号进行处理，获得控制输出电压。本发明提高了频率响应函数H的高频成分，提高了加速度功率谱密度控制精度，减少了电液随机振动系统的加速度功率谱密度再现过程时间；控制器中初始状态采样比一般的给初始状态置零的方式减少了加速度伺服控制内环在启动时的时域响应误差。

Description

一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器

技术领域

本发明涉及一种加速度伺服控制方法及控制器，尤其是一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器。

背景技术

电液随机振动系统被广泛应用于地震模拟试验台、产品疲劳试验机、振动工况模拟试验台等领域。电液随机振动系统以加速度功率谱密度再现能力或者加速度时域随机波形跟踪能力作为其性能评价的重要依据。一般电液随机振动系统的结构如图1所示，根据振动控制器和加速度伺服控制器所在位置可将电液随机振动系统分为由加速度伺服控制器和振动系统硬件组成的加速度伺服控制内环，和由振动控制器和加速度伺服控制内环组成的振动控制外环。电液随机振动系统工作一般流程如下：振动控制器获取振动系统硬件的时域输出加速度ya并将其转化为输出加速度功率谱密度Gya，将输出加速度功率谱密度Gya与参考加速度功率谱密度GRa进行比较，通过功率谱均衡与时域随机信号生成计算得到时域参考加速度Ra，加速度伺服控制器依次对时域参考加速度Ra进行第零高通滤波HPF0和二次积分运算后，结合状态反馈信号通过位移伺服控制方法计算得到控制输出电压u，控制输出电压u对振动系统硬件进行控制产生时域输出加速度ya。

加速度伺服控制内环的原理是通过控制使得时域输出加速度ya精确追踪时域参考加速度Ra，来实现输出加速度功率谱密度Gya接近或者等于参考加速度功率谱密度GRa的目的。无振动控制器参与控制时，参考加速度功率谱密度GRa就是时域参考加速度Ra的功率谱密度，此时输出加速度功率谱密度Gya与参考加速度功率谱密度GRa越接近，说明加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度越高。加速度伺服控制内环一般看作线性系统，其输出加速度功率谱密度Gya和参考加速度功率谱密度GRa有如下关系：Gya＝|H|²×GRa，其中H是加速度伺服控制内环的频率响应函数，可知当频率响应函数H越接近于1，加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度就越高。

实际上，由于振动系统硬件固有频率特性的影响，频率响应函数H是一个类似于低通滤波器的函数，这就导致高频段输出加速度功率谱密度Gya常常不能完全与参考加速度功率谱密度GRa相等，因此要想提高加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度，必须想办法提高频率响应函数H的高频成分。此外，一般振动系统硬件的执行器位移不允许超过工作行程范围，所以加速度伺服控制器不能对振动系统硬件进行直接加速度伺服控制，需要通过位移伺服控制以间接达到加速度伺服控制的目的。一般加速度伺服控制器中第零高通滤波HPF0的作用是滤除时域参考加速度Ra中的低频成分(常常是5Hz以下的低频成分)。加速度伺服控制器中的位移伺服控制方法常采用PID控制和三参量控制，其它常用方法还包括非线性最优控制和状态反馈控制等。

引入振动控制器解决了加速度伺服控制内环不能完全满足加速度功率谱密度再现问题。振动控制器可以在有限的加速度功率谱密度振动控制计算次数内，使得加速度伺服控制内环的输出加速度功率谱密度Gya接近或者等于参考加速度功率谱密度GRa。但是振动控制器每进行一次振动控制计算需要的时间远大于加速度伺服控制内环完成一次计算的时间，因而不具有实时性；加速度伺服控制内环的特性也影响振动控制器需要进行振动控制计算的次数，频率响应函数H各个频率分量越接近1，振动控制器所需振动控制计算次数越少。为避免硬件设备在多次振动控制计算过程中遭到破坏，振动控制器进行单次振动控制计算的时间应尽可能短，总的计算次数也应尽可能少。

提高加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度，也即提高频率响应函数H幅值特性中的高频成分，对减少振动控制计算次数，以缩短电液随机振动系统加速度功率谱密度再现过程总时长有重要意义。

在期刊论文《随机振动功率谱复现迭代算法的研究》一文中，关广丰等人提出了频域分段变步长迭代算法，对不同频段的驱动谱修正过程采用不同迭代步长，提高了振动控制器进行功率谱均衡的效率，但是其内容仍然属于振动控制器外环这一非实时过程，是对振动控制器的改进，并不是从提高加速度伺服控制内环的频率响应函数H这一实时控制的角度着手提高加速度功率谱密度再现过程效率。

发明内容

现有加速度伺服控制方法对加速度伺服控制内环的加速度功率谱密度控制精度提升能力有限，所以需要研发一种新的加速度伺服控制方法及控制器，以提高电液随机振动系统加速度伺服控制内环的加速度功率谱密度控制精度，减少振动控制外环进行振动控制计算次数，从而缩短电液随机振动系统加速度功率谱密度再现过程所需的时间。由此，本发明提出了一种电液随机振动系统的加速度频域分段伺服控制方法及控制器，可提高加速度伺服控制内环的频率响应函数H幅值特性中的高频成分，进而提高加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度。

本发明所涉及的是以加速度功率谱密度再现能力为评价标准的电液随机振动系统。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种加速度频域分段伺服控制方法

加速度频域分段伺服控制方法包括以下步骤：

电液振动系统中振动控制器输出的时域参考加速度Ra通过频域分段处理方法处理后，获得合成参考加速度，对合成参考加速度进行二次积分计算后获得参考位移，利用位移伺服控制方法将参考位移和振动系统硬件的状态反馈信号进行计算得到控制输出电压u。

所述频域分段处理方法包括并联式频域分段处理方法和串联式频域分段处理方法。

所述并联式频域分段处理方法具体为：

时域参考加速度Ra通过第零高通滤波器HPF0处理后得到第零参考加速度信号ra0，利用N个具有不同截止频率的高通滤波器HPF_k分别提取时域参考加速度Ra的N个不同的高频段信号，其中，k＝1,2,…,N，N为正整数；时域参考加速度Ra的N个不同的高频段信号分别乘上对应的第一增益系数Kg_k后分别获得参考加速度信号ra_k，第零参考加速度信号ra0和所有的参考加速度信号ra_k进行相加后获得合成参考加速度ra。

所述串联式频域分段处理方法具体为：

时域参考加速度Ra通过第零高通滤波器HPF0处理后得到第零参考加速度信号ra0，第零参考加速度信号ra0通过第一高通滤波器HPF₁处理后获得第一高频段信号，第一高频段信号与第一增益系数Kg₁相乘后与第零参考加速度信号ra0相加，获得第一参考加速度信号ra₁；第k-1参考加速度信号ra_k-1通过第k高通滤波器HPF_k处理后获得第k高频段信号，第k高频段信号与第k增益系数Kg_k相乘后与第k-1参考加速度信号ra_k-1相加，获得第k参考加速度信号ra_k，其中，k＝1,2,…,N，N为正整数；最终获得第N参考加速度信号ra_N，第N参考加速度信号ra_N作为合成参考加速度ra。

所述状态反馈信号包括执行器的位移信号d、执行器的速度信号v/执行器的加速度信号a和压力信号。

二、用于实施加速度频域分段伺服控制方法的一种加速度频域分段伺服控制器

加速度频域分段伺服控制器主要由数字信号处理芯片、模拟信号输入接口和模拟信号输出接口组成；

所述模拟信号输入接口集成了手动可调放大器，与振动系统硬件中的各个传感器输出端相连；所述模拟信号输出接口集成了抗混滤波器，与振动系统硬件的电液控制元件输入端相连。

包括以下工作过程：

加速度频域分段伺服控制器上电后进行数字信号处理芯片的功能配置和初始状态采样；

之后，加速度频域分段伺服控制器依靠循环往复的定时器中断进入工作状态，每次进入定时器中断响应函数，对振动控制器输出的时域参考加速度Ra和振动系统硬件的状态反馈信号进行采样；利用加速度频域分段伺服控制方法处理时域参考加速度和状态反馈信号，获得控制输出电压u，然后将控制输出电压u通过模拟信号输出接口输出给振动系统硬件。

所述振动系统硬件中设置有位移传感器、动态加速度传感器、速度传感器和动态压力传感器。

本发明方法工作原理如下：

采用加速度频域分段伺服控制方法时，分段提高了参考加速度高频分量的幅值，而二次积分项、位移伺服控制方法和振动系统硬件所组成的加速度内环子系统的频率响应函数不变，根据电液随机振动系统输出加速度功率谱密度等于电液随机振动系统输入加速度功率谱密度与频率响应函数平方的乘积可知，电液随机振动系统输出加速度功率谱密度的高频分量也相应提高，即加速度功率谱密度控制精度得到提高，且分段越细，加速度功率谱密度控制精度越高。

本发明的有益效果是：

采用本发明所提出的加速度频域分段伺服控制方法，提高了加速度伺服控制内环的频率响应函数H的高频成分，进而提高了加速度伺服控制内环的加速度功率谱密度控制精度，减少了电液随机振动系统的加速度功率谱密度再现过程时间。

本发明提出的加速度频域分段伺服控制器中，初始状态采样比一般的给初始状态置零的方式减少了加速度伺服控制内环在启动时的时域响应误差；控制器设置可手动调节的适调放大器可以提高控制器对不同的量程传感器的适应能力，降低了传感器反馈信号在向数字处理芯片传输过程中由于量程不匹配导致的精度损失。

附图说明

图1为电液随机振动控制系统示意图。

图2为加速度频域分段伺服控制方法的并联形式。

图3为加速度频域分段伺服控制方法的串联形式。

图4采用并联式加速度频域分段伺服控制方法的加速度伺服控制内环幅频特性仿真曲线。

图5采用串联式加速度频域分段伺服控制方法的加速度伺服控制内环幅频特性仿真曲线。

具体实施方式

附图仅用于本发明所提出的加速度频域分段伺服控制方法执行过程的示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

为了方便表示，将采用并联式频域分段处理方法的加速度频域分段伺服控制方法称为并联式加速度频域分段伺服控制方法，将采用串联式频域分段处理方法的加速度频域分段伺服控制方法称为串联式加速度频域分段伺服控制方法。

并联式加速度频域分段伺服控制方法包括以下步骤：

1)利用第零高通滤波HPF0对时域参考加速度Ra进行处理，获得第零参考加速度ra0；

2)利用N个具有不同截止频率的高通滤波器HPF_k分别提取时域参考加速度Ra的N个不同的高频段信号，其中，k＝1,2,…,N，N为正整数，具体值可根据实际需要改变；时域参考加速度Ra的N个不同的高频段信号分别乘上对应的第一增益系数Kg_k后分别获得参考加速度信号ra_k，第零参考加速度信号ra0和所有的参考加速度信号ra_k进行相加后获得合成参考加速度ra；

3)将合成参考加速度ra进行二次积分，获得参考位移rd，利用位移伺服控制方法对参考位移rd与状态反馈信号进行计算得出控制输出电压u，控制输出电压u对振动系统硬件进行控制后，振动系统硬件产生时域输出加速度ya。

串联式加速度频域分段伺服控制方法包括以下步骤：

S1)利用第零高通滤波HPF0对时域参考加速度Ra进行处理，获得第零参考加速度ra0；

S2)第零参考加速度信号ra0通过第一高通滤波器HPF₁处理后获得第一高频段信号，第一高频段信号与第一增益系数Kg₁相乘后与第零参考加速度信号ra0相加，获得第一参考加速度信号ra1；第k-1参考加速度信号ra_k-1通过第k高通滤波器HPF_k处理后获得第k高频段信号，第k高频段信号与第k增益系数Kg_k相乘后与第k-1参考加速度信号rak-1相加，获得第k参考加速度信号ra_k，其中，k＝1,2,…,N，N为正整数，具体值可根据实际需要改变；最终获得第N参考加速度信号ra_N，第N参考加速度信号ra_N作为合成参考加速度ra；

S3)将合成参考加速度ra进行二次积分，获得参考位移rd，利用位移伺服控制方法对参考位移rd与状态反馈信号进行计算得出控制输出电压u，控制输出电压u对振动系统硬件进行控制后，振动系统硬件产生时域输出加速度ya。

状态反馈信号包括执行器的位移信号d、执行器的速度信号v、执行器的加速度信号a和压力信号。

以上两种示例的可行性仿真验证：

图4为采用并联式加速度频域分段伺服控制方法的加速度伺服控制内环频率响应函数H的幅频特性仿真曲线。黑色实线表示无频域分段(N＝0)时频率响应函数H的幅频特性，结果即为背景技术中所述一般加速度伺服控制方法所得效果，其高频分量在所有曲线中最小；带点虚线表示频域分段次数为N＝1时率响应函数H的幅频特性，在60Hz后的高频段分量均高于N＝0时的结果；点划线表示频域分段次数为N＝2时率响应函数H的幅频特性，在约110Hz后的高频段分量均高于N＝1时的结果；虚线表示频域分段次数为N＝3时率响应函数H的幅频特性，在约220Hz后的高频段分量均高于N＝2时的结果。仿真结果验证了并联频域分段处理次数越多，加速度伺服控制内环的频率响应函数H的高频成分得到的补偿越多，从而加速度功率谱密度控制精度越高。

图5为采用串联式加速度频域分段伺服控制方法的加速度伺服控制内环频率响应函数H的幅频特性仿真曲线。黑色实线表示无频域分段(N＝0)时频率响应函数H的幅频特性，结果即为背景所述一般加速度伺服控制方法所得效果，其高频分量在所有曲线中最小；带点虚线表示频域分段次数为N＝1时率响应函数H的幅频特性，在60Hz后的高频段分量均高于N＝0时的结果；点划线表示频域分段次数为N＝2时率响应函数H的幅频特性，在约100Hz后的高频段分量均高于N＝1时的结果；虚线表示频域分段次数为N＝3时率响应函数H的幅频特性，在约100Hz后的高频段分量均高于N＝2时的结果。仿真结果验证了串联频域分段处理次数越多，加速度伺服控制内环的频率响应函数H的高频成分得到的补偿越多，从而加速度功率谱密度控制精度越高。

加速度频域分段伺服控制器主要由数字信号处理芯片、外部扩展存储芯片、电源模块、程序烧录、仿真接口、CAN总线接口、串行接口、模拟信号输入接口和模拟信号输出接口组成；

模拟信号输入接口集成了手动可调放大器，与振动系统硬件中的各个传感器输出端相连，以接收振动系统硬件的状态反馈信号，以适应不同量程的传感器信号，可以提高控制器对不同输出量程传感器的适应能力，降低传感器反馈信号在向数字处理芯片传输过程中精度损失；模拟信号输出接口集成了抗混滤波器，与振动系统硬件的电液控制元件输入端相连，以控制振动控制系统硬件。

加速度频域分段伺服控制器包括以下工作过程：

加速度频域分段伺服控制器上电后进行数字信号处理芯片的功能配置和初始状态采样；初始状态采样指的是加速度频域分段伺服控制器在进入正常工作状态前进行持续采样，获取系统初始状态信息。初始状态采样比给初始状态置零的方式减少了加速度伺服控制在启动时的时域误差。

之后，加速度频域分段伺服控制器依靠循环往复的定时器中断进入工作状态，每次进入定时器中断响应函数，对振动控制器输出的时域参考加速度Ra和振动系统硬件的状态反馈信号进行采样；利用加速度频域分段伺服控制方法处理时域参考加速度和状态反馈信号，获得控制输出电压u，然后将控制输出电压u通过模拟信号输出接口输出给振动系统硬件。

状态反馈信号包括执行器的位移信号d、执行器的速度信号v、执行器的加速度信号a和压力信号。振动系统硬件中设置有位移传感器、高频动态加速度传感器、速度传感器和高频动态压力传感器。位移信号、速度信号、加速度信号和压力信号是由位移传感器、高频动态加速度传感器、速度传感器和高频动态压力传感器测量获得。

Claims (8)

1.一种加速度频域分段伺服控制方法，其特征在于：电液振动系统中振动控制器输出的时域参考加速度Ra通过频域分段处理方法处理后，获得合成参考加速度，对合成参考加速度进行二次积分计算后获得参考位移，利用位移伺服控制方法将参考位移和振动系统硬件的状态反馈信号进行计算得到控制输出电压u。

2.根据权利要求1所述的一种加速度频域分段伺服控制方法，其特征在于：所述频域分段处理方法包括并联式频域分段处理方法和串联式频域分段处理方法。

3.根据权利要求2所述的一种加速度频域分段伺服控制方法，其特征在于：所述并联式频域分段处理方法具体为：

时域参考加速度Ra通过第零高通滤波器HPF0处理后得到第零参考加速度信号ra0，利用N个具有不同截止频率的高通滤波器HPF_k分别提取时域参考加速度Ra的N个不同的高频段信号，其中，k＝1,2,…,N，N为正整数；时域参考加速度Ra的N个不同的高频段信号分别乘上对应的第一增益系数Kg_k后分别获得参考加速度信号ra_k，第零参考加速度信号ra0和所有的参考加速度信号ra_k进行相加后获得合成参考加速度ra。

4.根据权利要求2所述的一种加速度频域分段伺服控制方法，其特征在于：所述串联式频域分段处理方法具体为：

时域参考加速度Ra通过第零高通滤波器HPF0处理后得到第零参考加速度信号ra0，第零参考加速度信号ra0通过第一高通滤波器HPF₁处理后获得第一高频段信号，第一高频段信号与第一增益系数Kg₁相乘后与第零参考加速度信号ra0相加，获得第一参考加速度信号ra₁；第k-1参考加速度信号ra_k-1通过第k高通滤波器HPF_k处理后获得第k高频段信号，第k高频段信号与第k增益系数Kg_k相乘后与第k-1参考加速度信号ra_k-1相加，获得第k参考加速度信号ra_k，其中，k＝1,2,…,N，N为正整数；最终获得第N参考加速度信号ra_N，第N参考加速度信号ra_N作为合成参考加速度ra。

5.根据权利要求1所述的一种加速度频域分段伺服控制方法，其特征在于：所述状态反馈信号包括执行器的位移信号d、执行器的速度信号v/执行器的加速度信号a和压力信号。

6.用于实施权利要求1-4任一所述的加速度频域分段伺服控制方法的一种加速度频域分段伺服控制器，其特征在于：主要由数字信号处理芯片、模拟信号输入接口和模拟信号输出接口组成；

所述模拟信号输入接口集成了手动可调放大器，与振动系统硬件中的各个传感器输出端相连；所述模拟信号输出接口集成了抗混滤波器，与振动系统硬件的电液控制元件输入端相连。

7.根据权利要求6所述的一种加速度频域分段伺服控制器，其特征在于：包括以下工作过程：

加速度频域分段伺服控制器上电后进行数字信号处理芯片的功能配置和初始状态采样；

之后，加速度频域分段伺服控制器依靠循环往复的定时器中断进入工作状态，每次进入定时器中断响应函数，对振动控制器输出的时域参考加速度Ra和振动系统硬件的状态反馈信号进行采样；利用加速度频域分段伺服控制方法处理时域参考加速度和状态反馈信号，获得控制输出电压u，然后将控制输出电压u通过模拟信号输出接口输出给振动系统硬件。

8.根据权利要求6所述的一种加速度频域分段伺服控制器，其特征在于：所述振动系统硬件中设置有位移传感器、动态加速度传感器、速度传感器和动态压力传感器。

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