CN114264329A - 一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统及方法，系统包括可调预紧力整体机架，可调预紧力整体机架上对置式安装柱状堆叠式压电作动器，柱状堆叠式压电作动器的运动部分与编码器测头安装座两侧分别接触，可调预紧力整体支架上设置编码器测头安装座，电容位移传感器安装在可调预紧力整体机架上并与编码器测头保持初始距离；光栅正对编码器测头，光栅连接伺服转台的转动部件；电容位移传感器和柱状堆叠式压电作动器连接上位控制机；本发明所述系统能够高保真地还原光电编码器在真实工况环境所受的振动激励以及光栅旋转动作；本发明对通过实验室可靠性台架试验，主动暴露、激发光栅编码器各种潜在故障。
Description
技术领域
本发明属于机械性能与可靠性测试技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的光电编码器振 动可靠性测试系统及方法。
背景技术
高精度、高分辨力光电轴角编码器是一种集光、机、电为一体的精密数字测角装置。它以 高精度计量圆光栅为测量元件，将空间角位移转换成数字代码输出，与计算机及显示装置相连 接，可实现动态测量与数字控制。它具有精度高、能耗小、测量范围广、体积小、重量轻、抗 干扰能力强等优点，在工业、科研、国防、航天等领域得到广泛应用。随着航空航天技术的飞 速发展，测控系统的成本和复杂性越来越高，光电编码器的任何微小故障和错码，将对整个测 控系统造成致命性打击。所以，测试光电编码器在复杂振动环境下的输出准确性和快速性是提 高系统可靠性和降低事故风险的重要一环。
目前高精度光电编码器振动可靠性主要集中在环境振动对光栅信号的影响以及误差补偿 上。Lin H等人在研究基于光电编码器的引擎转速测量时提出一种振动的离散谱线校正技术 (Hinbin Lin,Kang Ding.A new method for measuring engine rotationalspeed based on the vibration and discrete spectrum correction technique[J].Measurement,2013,46(7):2056-2064)。Wan Q H等 人设计具备抗冲击能力编码器，以此来降低外界振动导致的测量误差(A Novel Miniature Absolute Metal Rotary EncoderBased on Single-track Periodic Gray Code.Wan Q H,Wang YY, Sun Y,et al.SecondInternational Conference on Instrumentation,Measurement,Computer,Communication and Control.2013)。吉林大学的周欣达利用电磁激振台设计了一种光栅编码器 可靠性试验装置(周欣达.光栅编码器可靠性试验装置研制[D].吉林大学,2018.)。
经文献调研可以发现，不改变故障模式和故障机理是进行实验室台架试验的前提。这就要 求可靠性试验系统必须具有真实工况模拟的能力。目前，国际上只有海德汉等少数光栅编码器 龙头企业拥有具备工况模拟能力的光栅编码器的可靠性试验设备和试验技术，但大都属于企业 的核心机密，对外严密封锁。国内光栅编码器企业由于研发能力有限、产品工况载荷数据缺失 等原因，难以开发出具备工况环境模拟能力的可靠性试验装备，具备光栅编码器产品可靠性试 验能力的企业寥寥无几。即使有相关试验装备与技术，也基本处于简单的空运转低级阶段，尚 不能称其为完全意义上的可靠性试验装备。因此，研究开发具备工况模拟能力的光栅编码器可 靠性试验装备及技术，进行实验室可靠性台架试验，主动暴露、激发光栅编码器各种潜在故障， 通过故障分析提出有针对性的改进建议和措施并实施，具有重要的工程意义。
而且现有的光电编码器振动可靠性测试系统往往基于离心式激振器或电磁线圈式激振器， 不仅无法准确灵活地控制振动参数，还有能耗高、体积大、噪音大等缺点。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明公开一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测 试系统，能够以极高的位置、速度等运动参数精度还原光电编码器工况环境及仿真环境下的振 动干扰，为光电编码器产品可靠性设计验证提供了良好的测试平台。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠 性测试系统，包括柱状堆叠式压电作动器、编码器测头安装座、编码器测头、可调预紧力整体 机架、伺服转台、光栅、电容位移传感器以及上位控制机，可调预紧力整体机架两侧安装柱状 堆叠式压电作动器各一枚，柱状堆叠式压电作动器采用对置式安装，柱状堆叠式压电作动器的 运动部分与编码器测头安装座两侧分别接触，编码器测头安装座设置在可调预紧力整体支架上， 编码器测头安装在编码器测头安装座上，电容位移传感器安装在可调预紧力整体机架上并与编 码器测头安装座保持初始距离；光栅正对编码器测头，光栅安装在伺服转台的转动部件上；电 容位移传感器用于测量振动运动模块的位移响应，电容位移传感器和柱状堆叠式压电作动器连 接上位控制机。
微型滚珠滑轨及滑块的滑轨与可调预紧力整体支架连接，编码器测头安装座与微型滚珠滑 轨及滑块的滑块相连。
上位控制机与柱状堆叠式压电作动器之间连接有功率放大器，上位控制机与电容位移传感 器之间连接有电荷前置放大器。
可调预紧力整体支架上开设有安装柱状堆叠式压电作动器的凹槽，所述凹槽两端通过螺纹 连接有预紧螺钉，靠近柱状堆叠式压电作动器动端设置有径向压紧块。
上位控制机与伺服转台相连。
基于本发明所述系统的光电编码器振动可靠性测试方法，包括以下步骤：
S1，设置柱状堆叠式压电作动器的运动模式和运动参数，并设柱状堆叠式压电作动器1 当前位置为坐标原点；
S2，设置伺服转台的运动模式和运动参数，并设当前位置为坐标原点；
S3，设置数据采集参数，启动编码器测头，查看当前位置读数；
S4，测试启动，柱状堆叠式压电作动器以及伺服转台同步启动，并根据S1和S2中的设 置参数分别运动；
S5，在S4测试系统运动启动的同时，同时采集并保存电容位移传感器的信号、编码器侧 头的信号和伺服转台的位置信号；
柱状堆叠式压电作动器1对向反相作动方式；
采用模糊逻辑控制对柱状堆叠式压电作动器进行控制，采用二维模糊控制器，输入变量为 电容位移传感器对编码器测头的位移测量值与设计位移值的误差e(t)及其变化率
输出变 量为柱状堆叠式压电作动器的控制电压u(t)；
S6，伺服转台运动恢复测试初始位置，激振模块运动部分运动恢复初始位置；
S8，对数据处理获得光电测头在设定振动环境下的测量精度和可靠性表征数据。
S1中激振模块运动部分的运动模式包括简谐振动、方波式振动及任意波形振动。
S2中伺服转台的运动模式和运动参数采用PMAC运动指令控制。
S4中，采用三角形模糊器进行模糊化，模糊推理器采用Mamdani推理法，采用重心法解 模糊化；所述模糊化过程包括输入量预处理、尺度变换、模糊语言变量生成以及解模糊化；
输入量预处理包括参考输入设置以及基于控制器维数的输入量变化，控制器输入包含振动 运动模块的位移响应输出误差e(t)及其变化率
尺度变换具体如下：
式中，e0表示实际输入量，其变化范围为[emin,emax]；
表示e0在论域
中的对 应值；
表示比例因子，控制器两个输入变量ei(t)和
的论域区 间，主轴系统振动响应误差e(t)及其变化率
的变化区间视为关于零点对称，尺度变换采用 如下式线性变换：
式中，
对应运动模块位移响应误差的论域表示值ei(t)和运动模块位移响应误差变化率的 论域表示值
e0对应运动模块位移响应误差实际值e(t)和运动模块位移响应误差变化率实 际值
K*对应Ke和Ket；emin和emax的数值根据振动运动模块的实际响应幅值特性进行调 整和确定；
模糊语言变量生成，对尺度变换后的数值变量采用三角形模糊器进行模糊化，基于系统特 性以及专家知识制定模糊规则库，设定输出语言变量Uo的论域，根据模糊规则库推理相应的 控制器输出Uo，同一规则内采用取小运算，即利用两个输入变量对应的隶属度值中的较小者 确定对应Uo的模糊子集；对不同规则获得的Uo模糊子集取并集，采用取大运算，即同一模糊 子集中有多个隶属度值时保留大的隶属度值，最终获得输出语言变量Uo的解集；
对模糊推理所得解集的模糊语言变量采用重心法解模糊化操作，得到论域区间内的控制输 出量uo(t)，uo(t)从论域区间成比例放大到压电作动器的允许电压输入区间得到最终输入到作 动器的控制电压u(t)，即u(t)＝Kvuo(t)。
对数据处理获得光电编码器在设定振动环境下的测量精度和可靠性表征数据过程如下：
对采集到的信号进行低通滤波处理；
进行短时傅里叶变换和希尔伯特包络解调处理；
求解数值导数，得到实时振幅和频率、指示编码器测头相对其运动坐标原点的位置和速度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明推出了一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，在硬件组成方面，本 发明采用对置式安装的柱状堆叠式压电作动器以对向反相的驱动方式产生光电编码器测头的 位移。该方案充分发挥了压电作动器的优势，具有高驱动力、高分辨力、无磨损、低能耗、无 磁场、体积小以及良好的环境兼容性，能够实现微米级的位置控制精度和十千赫兹级的振动环 境测试范围，并且能够实现任意振动环境的高保真还原。
本发明同时采用伺服转台驱动光栅部件运动，借助PMAC运动控制指令方便对运动过程 进行准确便捷的程序控制，进一步提高光电编码器测试环境对真实工况的还原度，在控制方法 方面，本发明采用模糊逻辑控制光电编码器振动，利用0.1微米级测量精度的电容位移传感器 产生位移偏差信号并求其变化量作为系统控制输入量，发挥模糊逻辑控制的优势，不依赖于被 控对象的精确数学模型，利用控制法则来描述系统变量间的关系。简化系统设计的复杂性，特 别适用于非线性、时变、滞后、模型不完全系统的控制，具有较佳的鲁棒性、适应性及较佳的 容错性。
附图说明
图1是本发明一种可实施的机械结构示意图。
图2a是本发明一种可实施的光电编码器安装与激振模块机械结构示意图。
图2b是图2a局部剖视结构示意图。
图3是本发明一种测试系统工作流程图。
图4是本发明数据处理流程示意图。
图5是本发明一种模糊胡逻辑控制示意图。
图6为本发明采用的一种三角形模糊器。
图7为本发明采用的一种三角形模糊器。
图8为本发明一种模糊推理结果对应的输出曲面。
图9为本发明一种模糊推理过程。
附图中，1-柱状堆叠式压电作动器，2-微型滚珠滑轨及滑块，3-编码器测头安装座，4-编 码器测头，5-可调预紧力整体机架，8-伺服转台，9-光栅，10-电容位移传感器，11-上位控制 机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可 以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件 或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员 通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的 目的，不在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意 的和所有的组合。
现有的光电编码器振动可靠性测试系统往往基于离心式激振器或电磁线圈式激振器，不仅 无法准确灵活地控制振动参数，还有能耗高、体积大、噪音大等缺点。本发明提出一种基于模 糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，利用压电陶瓷的高驱动力、高分辨力、无磨损、低 能耗、无磁场、体积小以及良好的环境兼容性等优点，结合模糊逻辑控制算法，能够准确的提 供振动测试位移以期高保真地还原编码器工况环境下的振动激励，同时提供广阔的测试带宽， 给予用户更多选择。
本发明所提出的一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统具有如图1所示的 机械安装结构，该机械安装结构包括光电编码器安装与激振模块和光栅旋转驱动模块；具体包 括柱状堆叠式压电作动器1、编码器测头安装座3、编码器测头4、可调预紧力整体机架5、伺 服转台8、光栅9、电容位移传感器10以及上位控制机11，可调预紧力整体机架5两侧安装 柱状堆叠式压电作动器1各一枚，柱状堆叠式压电作动器1采用对置式安装，柱状堆叠式压电 作动器1的运动部分与编码器测头安装座3两侧分别接触，编码器测头安装座3设置在可调预 紧力整体支架5上，编码器测头4安装在编码器测头安装座3上，电容位移传感器10安装在 可调预紧力整体机架5上并与编码器测头安装座3保持初始距离；电容位移传感器10用于测 量振动运动模块的位移响应，光栅9正对编码器测头4，光栅9安装在伺服转台8的转动部件 上；电容位移传感器10和柱状堆叠式压电作动器1连接上位控制机11；上位控制机11与柱 状堆叠式压电作动器1之间连接有功率放大器7，上位控制机11与电容位移传感器10之间连 接有电荷前置放大器6。
参考图2a和图2b，可调预紧力整体支架5上开设有安装柱状堆叠式压电作动器1的凹槽， 所述凹槽两端通过螺纹连接有预紧螺钉，靠近柱状堆叠式压电作动器1动端设置有径向压紧块； 微型滚珠滑轨及滑块2的滑轨与可调预紧力整体支架5连接，编码器测头安装座3与微型滚珠 滑轨及滑块2的滑块相连。
如图2a和图2b所示，光电编码器安装与激振模块的机械结构示意图，以可调预紧力整体 机架5作为机械结构，可调预紧力整体机架5两侧安装柱状堆叠式压电作动器各一枚，所述柱 状堆叠式压电作动器采用对置式安装和对向反相作动方式。柱状堆叠式压电作动器的运动部分 与编码器测头安装座两侧分别接触，编码器测头安装座与可调预紧力整体机架5通过微型滚珠 滑轨及滑块相连，编码器测头安装在编码器测头安装座上，电容位移传感器安装在可调预紧力 整体机架5上并与安装座保持初始距离，初始距离为0.8～1.2mm。光栅旋转驱动模块以伺服转 台为主要机械结构，光栅安装在伺服转台的转动部件上。
控制硬件为数据采集与控制模块，是以上位控制机为核心，上位控制机与电荷前置放大器 和功率放大器相连。同时，上位控制机与光栅旋转驱动模块中的伺服转台相连；数据采集与控 制模块中的电荷前置放大器和光电编码器安装与激振模块中的电容位移传感器相连，数据采集 与控制模块中的功率放大器和光电编码器安装与激振模块中的柱状堆叠式压电作动器相连。
作为一种可选的实施例，上位控制机中装载基于虚拟仪器的数据采集软件、基于虚拟仪器 的数据处理与可视化面板以及基于虚拟仪器和模糊控制的控制信号输出软件。
基于虚拟仪器的数据采集软件具备如下功能：1硬件接口物理地址自动识别功能；2数据 采集采样频率可在100至300kHz调整；3数据采集的信号耦合类型包含交流和直流耦合；4 数据采集的A/D转换精度为16位；5能定义运动部件坐标原点。
作为另一种可选的实施例，上位控制机中装载数据采集的计算机程序、数据处理与可视化 的计算机程序以及基于虚拟仪器和模糊控制的控制信号输出的计算机程序，计算机程序在由处 理器执行时能够实现数据采集、数据处理与可视化同时实现基于虚拟仪器和模糊控制的控制信 号输出。
数据采集的计算机程序还能执行以下方法：1硬件接口物理地址自动识别；2数据采集采 样频率在100至300kHz调整；3数据采集的信号耦合类型包含交流和直流耦合；4数据采集 的A/D转换精度为16位；5能定义运动部件坐标原点。
基于虚拟仪器的数据处理与可视化面板能够对采集到的信号进行低通滤波处理，并具备短 时傅里叶变换和希尔伯特包络解调处理能力，并能够求解至少二阶数值导数。能够在可视化面 上实时显示处理后的波形图线以及对应的实时振幅和频率，指示编码器测头相对其运动坐标原 点的位置和速度信息。
参考图3，本发明所提出的一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统的工作过 程包括以下步骤：
S1，用户在上位控制机设置测试系统激振模块运动部分的运动模式和运动参数，并设激振 模块运动部分当前位置为坐标原点。激振模块运动部分的运动模式包括简谐振动、方波式振动 及任意波形振动。其中，简谐振动的运动参数包括频率、幅值以及初始相位；方波式振动的运 动参数包括频率、幅值、初始相位和占空比；任意波形振动运动由用户给定的时间-位移点数 据表实现。
S2，设置伺服转台的运动模式和运动参数，并设当前位置为坐标原点。伺服转台的运动模 式和运动参数由PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)运动指令控制，能够灵活的控制转 台转角-时间、转速-时间、角加速度-时间关系，能够高保真的还原工况现场的光栅转动情况。
S3，设置数据采集系统参数，启动编码器测头，查看当前位置读数情况。本发明中的数据 采集系统采用能够对接口物理地址自动识别的硬件；数据采集采样频率可在100至300kHz调 整；数据采集的信号耦合类型包含交流和直流耦合；数据采集系统的A/D转换精度为16位； 可定义运动部件坐标原点。更进一步的，作为一种可行的实施例，本发明还能基于虚拟仪器的 数据处理与可视化面板能够对采集到的信号进行低通滤波处理，并具备短时傅里叶变换和希尔 伯特包络解调处理能力，并能够求解至少二阶数值导数。能够在可视化面上实时显示处理后的 波形图线以及对应的实时振幅和频率，指示编码器测头相对其运动坐标原点的位置和速度信息。
S4，系统测试启动，光电编码器安装与激振模块以及光栅旋转驱动模块同步启动并根据 S1和S2中的设置参数分别运动。本发明中采用模糊逻辑控制方式，包含为本发明设计的模糊 化、规则库、模糊推理以及解模糊化操作，能够有效控制编码器测头按照用户设计的运动参数 进行振动。本发明采用二维模糊控制器，其输入变量为电容位移传感器对编码器测头的位移测 量值与设计位移值的误差及其变化率，输出变量为柱状堆叠式压电作动器的控制电压。模糊化 方式采用三角形模糊器实现，模糊推理器采用Mamdani推理法，解模糊化时采用重心解模糊 化方法。
S5，在S4测试系统运动启动的同时，同时记录电容位移传感器信号、光电编码器信号和 伺服转台位置信号，根据用户需求可以实时显示光电编码器测头实时位置与设定位置的偏差。 对于简谐振动模式下的测试任务，系统实时绘制短时傅里叶变换的时频谱线。
S6，系统完成所有运动指令，自动判定完成运动任务，当前测试完成，激振模块和伺服驱 动模块停止运动，手动确认测试任务正常完成后上位机保存S5中记录的数据。
S7，用户手动确认系统回零，伺服转台运动恢复测试初始位置，激振模块运动部分运动恢 复初始位置；
S8，对S5中记录的数据进行处理得到设定振动环境下的测量精度和可靠性表征数据。
基于虚拟仪器的数据处理与可视化面板能够对采集到的信号进行低通滤波等信号预处理 操作，并具备短时傅里叶变换和希尔伯特包络解调处理能力取得预设信号和实际信号的时频特 征和频域特征，并能够求解至少二阶数值导数以获取信号中包含的速度和加速度信息，能够在 可视化面上实时显示处理后的波形图线以及对应的实时振幅和频率，指示编码器测头相对其运 动坐标原点的位置和速度信息其运行流程，如图4所示。
本发明对振动运动模块采取模糊逻辑控制方式。模糊控制是一种非线性智能控制方法，主 要包含模糊化、规则库、模糊推理以及解模糊化等操作，其流程如图5所示。所谓模糊化，是 指将控制器输入中的精确数值变量转换为模糊语言变量，使其更符合人类的思维和语言方式， 便于利用专家知识等进行控制推理操作。这里控制器的输入量包含人为确定的参考输入、被控 系统的输出等。模糊化过程可以分为三步：输入量预处理、尺度变换以及模糊语言变量生成。
输入量预处理包括参考输入设置以及基于控制器维数的输入量变化。Z0(t)是控制器参考 输入，e(t)是振动运动模块在压电作动器激励力作用下的位移响应Zhd(t)与参考位移输入Z0(t) 的差值，即e(t)＝Zhd(t)-Z0(t)。本发明采用二维模糊控制器进行振动运动模块的位移控制，一 方面保证控制精度，另一方面也提高控制器响应速度等动态控制性能。此时控制器输入包含振 动运动模块的位移响应输出误差e(t)及其变化率
为了控制规则设计的方便性及其对不同运行状态的普适性，在控制规则设置前需先对输入 和输出变量的取值人为设置一个讨论范围，即论域。将系统响应偏差及其变化率等由实际值转 换到论域的过程即为尺度变换。本发明中尺度变换采用如下式所示的线性变换。
式中，e0表示实际输入量，其变化范围为[emin,emax]；
表示e0在论域
中的对 应值；
表示比例因子。
可选的，在本发明中，控制器两个输入变量ei(t)和
的论域均设置为[-3,3]。为适应 不同振动作动工况，将振动运动模块位移响应误差e(t)及其变化率
的变化区间也均视为关 于零点对称。由此，式(1)可以简化为：
式中，
对应图6中的ei(t)和
e0对应图7中的e(t)和
K*对应Ke和Ket；emin和 emax的数值需要根据振动运动模块的实际响应幅值特性进行进一步的调整和确定。
实际输入变量经过尺度变换后仍然是数值变量，需要通过进一步的模糊化操作转换为模糊 语言变量。本发明中采用如图6所示的三角形模糊器进行模糊化操作，图6(a)和图6(b)中，Ei和Eit分别表示输入数值变量ei(t)和
对应的模糊语言变量。Ei的模糊集中有8个模糊子集， 分别为{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}；Eit有7个模糊子集，分别为 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。对于各个子集，其对应的物理意义如表1所示，包括正负和 幅值大小两个特性。该三角形模糊器的隶属度函数可以表示为：
式中，(ej,aj)是一系列常数；n表示模糊语言变量具备的模糊子集的数量；j＝1,2,…,n则 分别对应各个模糊子集；对于模糊语言变量Ei，n＝8，(ej,aj)的具体数值如式(4)；而对于语 言变量Eit，n＝7，(ej,aj)具体见式(5)
{(ej,aj)}＝{(-3,1),(-2,1),(-1,1),(-1/3,2/3),(1/3,2/3),(1,1),(2,1),(3,1)} (4)
{(ej,aj)}＝{(-3,1),(-2,1),(-1,1),(0,1),(1,1),(2,1),(3,1)} (5)
规则库包含利用模糊语言变量表示的一系列模糊规则，为有效控制系统提供指导。在本发 明中，基于系统特性以及专家知识进行模糊规则库的制定。所谓系统特性，是指压电作动器主 动控制力与振动运动模块系统动态响应输出之间的定性关系。在系统特性分析的基础上，借助 专家知识，根据系统响应特性指导作动器施加合理的控制力，亦即对相应作动器施加合适的控 制电压信号，进而实现振动模块位移控制目标。
模糊控制规则制定前先对输出语言变量Uo进行模糊空间的划分。对于Uo，同样设置其论 域为[-3,3]，采用和输入语言变量Eit一样的模糊空间划分和三角形模糊器，参考图7，模糊器 隶属度函数表达同式(3)和式(4)。在发明中，基于专家知识设计表2所示的模糊控制规则表， 共有56条规则，包含所有可能的控制操作。以第一条控制规则“如果Ei为NB，Eit为NB，则 Uo为PB”为例，它表示当输入语言变量Ei和Eit均为负的大值时，输出为大的正值。从物理意 义上分析，它意味着当振动运动模块在压电作动力下的振动响应和参考输入的误差及其变化率 均为负值且幅值较大时，需要输入一个正的幅值较大的控制信号进行位移控制，即输出一个作 用效果和振动运动模块当前振动响应特性相反的控制力，进而减小位移误差。
模糊推理是模糊控制的核心，根据控制器输入，利用模糊控制规则决策控制器输出。在本 发明中，采用Mamdani推理法，模糊推理的输出曲面如图8所示。
以ei(t)＝0.47,eit(t)＝0.27为例，进行模糊推理分析。此时，根据式(3)至式(5)所示的三角 形模糊器隶属度函数，输入ei(t)对应到语言变量Ei的模糊子集为PO和PS，输入eit(t)对应到 语言变量Eit的模糊子集ZO和PS。根据表2所示的模糊规则，其适用4条模糊规则，分别为 “如果Ei为PO，Eit为ZO，则Uo为ZO”、“如果Ei为PO，Eit为PS，则Uo为NS”、“如果Ei为PS，Eit为ZO，则Uo为NS”和“如果Ei为PS，Eit为PS，则Uo为NM”。利用上述模糊规则， 推理相应的控制器输出Uo，具体过程如图9。在同一规则内采用取小运算，即利用两个输入变 量对应的隶属度值中的较小者确定对应Uo的模糊子集。对不同规则获得的Uo模糊子集取并集， 在此过程采用取大运算，即同一模糊子集中有多个隶属度值时保留大的隶属度值。通过模糊推 理，获得输出语言变量Uo的解集，参考图9中阴影区域，为后续解模糊化做好准备。
模糊推理得到的控制输出依然是模糊语言变量，需要通过进一步的解模糊化操作将其转换 为数值量，进而驱动作动器进行颤振控制。在本发明中，采用式(6)所示的重心法解模糊器进 行解模糊化操作。
式中，uo(t)是uo(t)＝[uox(t) uoy(t)]T的元素；
表示t时刻推理得到的输出语言变量Uo的模 糊解集，如图9中的阴影区域。
经过解模糊化操作，得到论域[-3,3]区间内的控制输出量uo(t)。为了充分发挥压电作动器 的能力，将uo(t)从论域区间[-3,3]成比例放大到压电作动器的允许电压输入区间得到最终输入 到作动器的控制电压u(t)，即u(t)＝Kvuo(t)。在本发明中，所用压电作动器经过功率放大器放 大前的允许输入电压范围是[-10V,10V]，因而设置常量Kv＝3.33。
表1 模糊子集对应的物理意义
表2 模糊控制规则表
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所 提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本 教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有 的等价物的全部范围来确定。
Claims (10)
1.一种基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，其特征在于，包括柱状堆叠式压电作动器(1)、编码器测头安装座(3)、编码器测头(4)、可调预紧力整体机架(5)、伺服转台(8)、光栅(9)、电容位移传感器(10)以及上位控制机(11)，可调预紧力整体机架(5)两侧安装柱状堆叠式压电作动器(1)各一枚，柱状堆叠式压电作动器(1)采用对置式安装，柱状堆叠式压电作动器(1)的运动部分与编码器测头安装座(3)两侧分别接触，编码器测头安装座(3)设置在可调预紧力整体支架(5)上，编码器测头(4)安装在编码器测头安装座(3)上，电容位移传感器(10)安装在可调预紧力整体机架(5)上并与编码器测头安装座(3)保持初始距离；光栅(9)正对编码器测头(4)，光栅(9)安装在伺服转台(8)的转动部件上；电容位移传感器(10)用于测量振动运动模块的位移响应，电容位移传感器(10)和柱状堆叠式压电作动器(1)连接上位控制机(11)。
2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，其特征在于，微型滚珠滑轨及滑块(2)的滑轨与可调预紧力整体支架(5)连接，编码器测头安装座(3)与微型滚珠滑轨及滑块(2)的滑块相连。
3.根据权利要求1所述基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，其特征在于，上位控制机(11)与柱状堆叠式压电作动器(1)之间连接有功率放大器(7)，上位控制机(11)与电容位移传感器(10)之间连接有电荷前置放大器(6)。
4.根据权利要求1所述基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，其特征在于，可调预紧力整体支架(5)上开设有安装柱状堆叠式压电作动器(1)的凹槽，所述凹槽两端通过螺纹连接有预紧螺钉，靠近柱状堆叠式压电作动器(1)动端设置有径向压紧块。
5.根据权利要求1所述基于模糊控制的光电编码器振动可靠性测试系统，其特征在于，上位控制机(11)与伺服转台(8)相连。
6.基于权利要求1～5任一项所述系统的光电编码器振动可靠性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设置柱状堆叠式压电作动器(1)的运动模式和运动参数，并设柱状堆叠式压电作动器1当前位置为坐标原点；
S2，设置伺服转台(8)的运动模式和运动参数，并设当前位置为坐标原点；
S3，设置数据采集参数，启动编码器测头(4)，查看当前位置读数；
S4，测试启动，柱状堆叠式压电作动器(1)以及伺服转台(8)同步启动，并根据S1和S2中的设置参数分别运动；
S5，在S4测试系统运动启动的同时，同时采集并保存电容位移传感器(10)的信号、编码器侧头(4)的信号和伺服转台(8)的位置信号；
柱状堆叠式压电作动器1对向反相作动方式；
采用模糊逻辑控制对柱状堆叠式压电作动器(1)进行控制，采用二维模糊控制器，输入变量为电容位移传感器对编码器测头的位移测量值与设计位移值的误差e(t)及其变化率
输出变量为柱状堆叠式压电作动器的控制电压u(t)；
S6，伺服转台(8)运动恢复测试初始位置，激振模块运动部分运动恢复初始位置；
S8，对数据处理获得光电测头(4)在设定振动环境下的测量精度和可靠性表征数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S1中激振模块运动部分的运动模式包括简谐振动、方波式振动及任意波形振动。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S2中伺服转台的运动模式和运动参数采用PMAC运动指令控制。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S4中，采用三角形模糊器进行模糊化，模糊推理器采用Mamdani推理法，采用重心法解模糊化；所述模糊化过程包括输入量预处理、尺度变换、模糊语言变量生成以及解模糊化；
输入量预处理包括参考输入设置以及基于控制器维数的输入量变化，控制器输入包含振动运动模块的位移响应输出误差e(t)及其变化率
尺度变换具体如下：
式中，e0表示实际输入量，其变化范围为[emin,emax]；
表示e0在论域
中的对应值；
表示比例因子，控制器两个输入变量ei(t)和
的论域区间，主轴系统振动响应误差e(t)及其变化率
的变化区间视为关于零点对称，尺度变换采用如下式线性变换：
式中，
对应运动模块位移响应误差的论域表示值ei(t)和运动模块位移响应误差变化率的论域表示值
e0对应运动模块位移响应误差实际值e(t)和运动模块位移响应误差变化率实际值
K*对应Ke和Ket；emin和emax的数值根据振动运动模块的实际响应幅值特性进行调整和确定；
模糊语言变量生成，对尺度变换后的数值变量采用三角形模糊器进行模糊化，基于系统特性以及专家知识制定模糊规则库，设定输出语言变量Uo的论域，根据模糊规则库推理相应的控制器输出Uo，同一规则内采用取小运算，即利用两个输入变量对应的隶属度值中的较小者确定对应Uo的模糊子集；对不同规则获得的Uo模糊子集取并集，采用取大运算，即同一模糊子集中有多个隶属度值时保留大的隶属度值，最终获得输出语言变量Uo的解集；
对模糊推理所得解集的模糊语言变量采用重心法解模糊化操作，得到论域区间内的控制输出量uo(t)，uo(t)从论域区间成比例放大到压电作动器的允许电压输入区间得到最终输入到作动器的控制电压u(t)，即u(t)＝Kvuo(t)。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对数据处理获得光电编码器在设定振动环境下的测量精度和可靠性表征数据过程如下：
对采集到的信号进行低通滤波处理；
进行短时傅里叶变换和希尔伯特包络解调处理；
求解数值导数，得到实时振幅和频率、指示编码器测头(4)相对其运动坐标原点的位置和速度。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117890052A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 无锡市科瑞特精机有限公司 | 一种编码器振动冲击试验模拟台 |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000020826A1 (de) * | 1998-10-01 | 2000-04-13 | Eads Deutschland Gmbh | Sensor mit resonanzstruktur, insbesondere beschleunigungs- oder drehratensensor, sowie vorrichtung und verfahren zum selbsttest |
| CN1603757A (zh) * | 2004-11-11 | 2005-04-06 | 上海交通大学 | 激振式测量系统性能测试试验台架 |
| DE102004021645A1 (de) * | 2004-05-03 | 2005-12-01 | Mecatronix Gmbh | Vorrichtung zum Prüfen von Maschinenbauteilen |
| JP2006153464A (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | センサ性能試験装置 |
| CN1952819A (zh) * | 2005-10-17 | 2007-04-25 | 中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司 | 数控机床模糊pid控制方法及实现装置 |
| CN101122541A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-02-13 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 汽轮机叶片振动试验方法及装置 |
| CN102680016A (zh) * | 2012-05-14 | 2012-09-19 | 北京理工大学 | 一种光电编码器的误差补偿方法 |
| JP2012237634A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Hitachi Plant Technologies Ltd | 振動試験装置及びその制御方法 |
| US20130319124A1 (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-05 | Seagate Technology Llc | Cylindrical bridge |
| CN205049167U (zh) * | 2015-10-16 | 2016-02-24 | 广州精信仪表电器有限公司 | 磁浮列车悬浮传感器动态特性测试系统 |
| CN105526959A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-04-27 | 吉林大学 | 编码器可靠性试验装置及方法 |
| CN105965320A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-09-28 | 西安交通大学 | 一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置 |
| CN107389287A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-11-24 | 华南理工大学 | 基于激光位移传感器的柔性臂振动测量及控制装置与方法 |
| CN108507785A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-07 | 西安交通大学 | 一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法 |
| CN108645583A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-10-12 | 西安交通大学 | 一种装配结合面法向接触阻尼高精度检测装置及方法 |
| CN208059924U (zh) * | 2018-04-16 | 2018-11-06 | 吉林大学 | 光栅编码器可靠性试验装置 |
| CN109186656A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-11 | 北京特种机械研究所 | 一种传感器特性检测及筛选装置 |
-
2021
- 2021-12-25 CN CN202111606050.0A patent/CN114264329A/zh active Pending
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000020826A1 (de) * | 1998-10-01 | 2000-04-13 | Eads Deutschland Gmbh | Sensor mit resonanzstruktur, insbesondere beschleunigungs- oder drehratensensor, sowie vorrichtung und verfahren zum selbsttest |
| DE19845185A1 (de) * | 1998-10-01 | 2000-04-20 | Daimler Chrysler Ag | Sensor mit Resonanzstruktur sowie Vorrichtung und Verfahren zum Selbsttest eines derartigen Sensors |
| DE102004021645A1 (de) * | 2004-05-03 | 2005-12-01 | Mecatronix Gmbh | Vorrichtung zum Prüfen von Maschinenbauteilen |
| CN1603757A (zh) * | 2004-11-11 | 2005-04-06 | 上海交通大学 | 激振式测量系统性能测试试验台架 |
| JP2006153464A (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | センサ性能試験装置 |
| CN1952819A (zh) * | 2005-10-17 | 2007-04-25 | 中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司 | 数控机床模糊pid控制方法及实现装置 |
| CN101122541A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-02-13 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 汽轮机叶片振动试验方法及装置 |
| JP2012237634A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Hitachi Plant Technologies Ltd | 振動試験装置及びその制御方法 |
| CN102680016A (zh) * | 2012-05-14 | 2012-09-19 | 北京理工大学 | 一种光电编码器的误差补偿方法 |
| US20130319124A1 (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-05 | Seagate Technology Llc | Cylindrical bridge |
| CN205049167U (zh) * | 2015-10-16 | 2016-02-24 | 广州精信仪表电器有限公司 | 磁浮列车悬浮传感器动态特性测试系统 |
| CN105526959A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-04-27 | 吉林大学 | 编码器可靠性试验装置及方法 |
| CN105965320A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-09-28 | 西安交通大学 | 一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置 |
| CN107389287A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-11-24 | 华南理工大学 | 基于激光位移传感器的柔性臂振动测量及控制装置与方法 |
| CN108507785A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-07 | 西安交通大学 | 一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法 |
| CN208059924U (zh) * | 2018-04-16 | 2018-11-06 | 吉林大学 | 光栅编码器可靠性试验装置 |
| CN108645583A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-10-12 | 西安交通大学 | 一种装配结合面法向接触阻尼高精度检测装置及方法 |
| CN109186656A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-11 | 北京特种机械研究所 | 一种传感器特性检测及筛选装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| DENGHUI LI, HONGRUI CAO, XUEFENG CHEN: "Fuzzy control of milling chatter with piezoelectric actuators embedded to the tool holder", 《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》 * |
| Y. FU, H. CAO AND X. CHEN: "Adaptive Broad Learning System for High-Efficiency Fault Diagnosis of Rotating Machinery", 《IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT》 * |
| 曹宏瑞,李登辉,刘金鑫,张兴武,陈雪峰: "智能主轴高速铣削颤振的模糊控制方法研究", 《机械工程学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117890052A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 无锡市科瑞特精机有限公司 | 一种编码器振动冲击试验模拟台 |
| CN117890052B (zh) * | 2024-03-13 | 2024-05-31 | 无锡市科瑞特精机有限公司 | 一种编码器振动冲击试验模拟台 |
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