CN1945469A - 基于dsp的可变谐振频率液压振动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的可变谐振频率液压振动控制系统及方法，属于液压伺服控制领域。本系统是在传统的液压振动系统(8)的基础上，采用基于谐振理论设计用于实现谐振控制器功能的DSP控制系统，DSP控制系统又与液压振动系统(8)、位移传感器一起构成闭环液压振动控制系统。使得由DSP控制器与液压缸(5)构成的广义开环对象可以在给定频率为ω_r的频率上产生系统输出的谐振峰值为输入信号峰值的Mr倍，以满足液压振动台对大质量物体的测试要求。且在使用DSP实现谐振控制器算法中，参数修改方便，系统调试容易实现。

Description

基于DSP的可变谐振频率液压振动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于DSP的可变谐振频率液压振动控制系统及方法，依据系统谐振原理来实现液压振动系统对于正弦振荡信号的跟踪，属于液压伺服控制领域。

背景技术

液压振动台是对试件施加正弦激励、实现试件振动试验的实验装置。在输入正弦信号的作用下，利用输入信号和液压缸反馈的位移信号相比较的误差信号，通过传统的PID控制器的控制，改变伺服阀的动作，使液压缸的位移行程做出相应增大或缩小的调整，以带动工作台实现跟踪输入正弦信号的振动运动，满足振动测试的要求。但是，基于液压振动系统的频率特性，液压振动台振动运动的振幅与相位角均是频率的函数，因此常规PID控制器控制在频率较高的情况下，振动台的位移输出就会有很大的幅度衰减，不能满足大质量试件测试的振动要求。

发明内容

为了克服常规PID控制器控制下的液压振动台的输出在高频下存在幅值衰减，不能满足对大质量试件的测试要求这一问题，本发明提供了一种基于DSP的可变谐振频率液压振动控制系统。该系统依据系统谐振理论，利用电磁阀，液压缸之间的能量交换关系，使得振动台在系统谐振方式下产生较大的振动动作，即给定一个输入很小的信号就可以使液压缸产生较大的位移输出，并在输入信号频率不断改变的情况下，仍能使输出跟踪输入，并按给定的谐振峰值M_r这一倍数增大输入信号的峰值，以满足液压振动台对大质量物体的测试要求。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。本系统主要包括有液压振动系统8，其中，在液压振动系统8中，模拟PID3与伺服阀4串连，再与位移传感器6组成内环的闭合回路，数字控制器2又依次与该内环闭合回路、液压缸5串连，然后又与另一位移传感器6组成外环上的闭合回路，其特征在于：还包括有基于谐振理论设计用于实现谐振控制器功能的DSP控制系统，DSP控制系统再将控制信号输入给液压振动系统8中的数字控制器2的输入端，液压振动系统8输出端的频率信号又通过位移传感器反馈给DSP控制系统，输入信号1通过A/D转换输入给DSP系统，所述的由模拟PID3、伺服阀4、位移传感器6组成的内环等效成比例为1的内环。

DSP控制系统基于谐振理论实现谐振控制器的功能，该谐振控制器是通过自动控制原理设计的：

1)假设Mr为系统输出所需要的谐振峰值，则根据谐振理论， $M_r=\frac{1}{2\mathrm{\ζ}\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}$ 可求得阻尼比ζ的值，又根据 ${\mathrm{\ω}}_r=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{T}$ 可得出 $T=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r},$ 其中，ω_r为系统的输入信号的频率，由于由DSP控制系统、液压振动系统及位移传感器组成的整个闭环系统的传递函数 $G=\frac{1}{T^2{S}^2+2\mathrm{T\ζS}+1},$ 将 $T=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r}$ 代入传递函数G，得到： $G=\frac{1}{\frac{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}{{\mathrm{\ω}}_r^2}{S}^2+\frac{2\mathrm{\ζ}\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r}S+1},$ 即得到了传递函数G与谐振峰值M_r和输入信号频率ω_r的关系式。

2)由于DSP控制系统、液压振动系统8和位移传感器组成闭环系统，该闭环系统的传递函数为： $G=\frac{G_c\·G_0}{1+G_c\·G_0},$ 其中，Gc为谐振控制器的传递函数，G₀为已知的液压振动系统的传递函数；

3)由式 $G=\frac{G_c\·G_0}{1+G_c{\·G}_0}$ 得到 $G_C=\frac{G}{G_0(1-G)},$ 由于G及G₀已知，从该式便得到谐振控制器的传递函数。基于DSP的可变谐振频率液压振动控制方法，该方法是按如下步骤实现的：

1)DSP控制系统将谐振控制器的传递函数 $G_C=\frac{G}{G_0(1-G)}$ 离散成yout1＝al*yout_1-a2*yout_2+b1*u+b2*u_1+b3*u_2的形式。

2)DSP控制系统比较通过位移传感器反馈回来的液压缸5输出信号的频率与系统输入1的频率ω_r之间的差值e，当e＝0时，说明系统输出频率跟踪输入频率效果良好，不作任何处理；当e≠0时，将DSP控制系统的输出调整为u＝u_1+e，即得到新的控制信号U，再经D/A转换成电压信号来控制液压振动系统8中伺服阀4的动作，进而调整液压缸5的位移量输出。此输出再在DSP系统内和输入信号1相比较，如图3所示，如果还存在误差值，则继续循环计算以得出液压振动系统的控制信号，从而进一步控制伺服阀4的动作和液压缸5的位移输出，如此周而复始的循环，来达到输出的实时跟踪效果。

本系统是在原有的液压振动系统8的基础上改造而成的。在液压振动系统8的外环控制中加入谐振控制算法G_c，可使液压振动台的整个闭环控制系统的输出信号满足比输入信号峰峰值大M_r倍的性能指标。谐振控制器G_c关于输入信号频率ω_r及阻尼比ζ的函数，而ζ可系统所要输出的幅值Mr确定，所以，当系统输出幅值Mr给定时，谐振控制器Gc是关于输入信号频率ω_r的函数，也就是得到了通过改变输入信号频率(算法中参数ω_r的值)，使输出频率跟踪输入频率的变化而变化，即实现了系统的谐振频率跟踪。

在系统工作时，可以把输入信号1的频率ω_r及振动台需要输出的峰值Mr输入到DSP控制系统，DSP控制系统检测输入信号1的频率和液压缸5输出信号的频率之间的误差值，经过以DSP作为主控单元进行处理，得到一个新的控制信号U，再经D/A通道对液压振动系统8施加控制动作。此时，可以用示波器观察液压缸5输出的波形是否满足待测试件所需的振动频率及振幅要求，如幅值不满足试件所要求的幅值，就需要重新设定谐振控制器中谐振峰值M_r的值，使输出幅值进一步增大，从而达到测试所需的条件。再改变了输入信号的频率(即谐振控制器中的参数ω_r)，此时在DSP程序中只需改变与谐振控制器相对应的离散控制信号即可，从示波器上再观察在多大的频率变化范围内或最大频率处，输出信号是否仍能按谐振峰值M_r这一倍数来跟踪输入信号。如不满足测试条件，需继续调整谐振峰值M_r及输入信号频率ω_r的值，直到输出信号满足测试要求为止。

使用DSP作为控制器构成闭环液压振动控制系统，采用内环PID控制技术将伺服阀4调节成比例环节，基于谐振理论设计由DSP实现的控制算法作为控制器，使得由DSP控制器与液压缸5构成的广义开环对象可以在给定频率为ω_r的频率上产生要求幅值的闭环谐振峰值M_r，实现液压振动台的谐振方式的振动运动，且通过修改DSP控制算法中的参数M_r和ω_r，能够实现在系统频带宽度范围内的谐振频率可变。

由于传统PID控制的液压振动系统只能使输出1∶1的跟踪输入信号，为了满足大质量测试的要求，就不但需要使输出跟踪输入，而且还要使输出的振幅达到试件测试所需要的峰值，即使得液压缸5的输出产生足够大的位移量。此时若采用传统控制方法，液压缸5输出的位移量就不能满足大质量试件的测试要求。而本发明中采用DSP控制系统实现谐振控制器的功能，并利用系统内部能量的转换，可以使输出在频率较高的情况下仍能跟踪输入信号频率，且输出信号的幅值可增大至输入信号幅值的M_r倍(从图5中示波器中所显示的结果可以看出)，以满足大质量试件的测试要求；谐振控制器可以充分利用液压振动系统中元件的最大有效特性，满足激振大质量的物体所需信号的频率和幅值特性，从而获得振动台的振动动作，且在使用DSP实现谐振控制器算法中，参数修改方便，系统调试容易实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明

图1是液压振动系统的控制结构框图

图2是基于DSP实时监控的液压振动系统框图

图3是液压振动系统在DSP控制下的流程图

图4是液压振动系统电模拟仿真实验图

图5是ω_r＝12时的输入输出波形图

图6是ω_r＝15的输入输出波形图

图7是ω_r＝25时的输入输出波形图

图中：1、输入，2、数字控制器，3、模拟PID控制器，4、伺服阀，5、液压缸，6、位移传感器，7、输出，8、液压振动系统。

具体实施方式

下面结合图1～图4详细说明本发明的具体实施方式。

本实施例主要包括有液压振动系统8，其中，液压振动系统8包括有由模拟PID3、伺服阀4、位移传感器6组成的内环的闭合回路，该内环闭合回路又与数字控制器2、液压缸5、另一位移传感器6组成外环上的闭合回路。还包括有基于谐振理论设计用于实现谐振控制器功能的DSP控制系统，DSP控制系统通过再将控制信号输入给液压振动系统8中的数字控制器2的输入端，液压震动系统8输出端的频率信号又依次通过位移传感器、A/D转换反馈给DSP控制系统，输入信号1通过A/D转换输入给DSP系统，所述的由模拟PID3、伺服阀4、位移传感器6组成的内环等效成比例为1的内环。

如图2所示，用TMSC320C31的DSP控制系统来实现谐振控制器复杂控制算法的计算，谐振控制器的传递函数为： $G_C=\frac{G}{G_0(1-G)},$ 其中，G为由DSP控制系统、液压振动系统及位移传感器组成的整个闭环系统的传递函数，G₀为被控对象液压振动系统的传递函数。用PID算法将模拟PID3和伺服阀4组成的闭环等效成比例为1的内环，再将外环输入信号1的频率和通过位移传感器6反馈的系统输出位移信号的频率进行比较，将二者的误差信号e进行处理。当e＝0时，说明系统输出频率跟踪输入频率效果良好，不作任何处理；当e≠0时，将DSP控制系统的输出调整为u＝u_1+e，即得到新的控制信号U，再经D/A转换成电压信号来重新控制液压振动系统中伺服阀的动作，进而调整液压振动系统的位移量输出。

本实施例对液压振动系统8搭建了模拟电路，如图4所示，此电模拟仿真系统能够在系统频带宽度范围内很好的模拟液压振动系统8的特性。在电网络模型中含有用二阶低通滤波器来表示的液压振动系统。在液压振动系统的实际应用中，输入信号1一般为正弦信号，工作频率一般在0hz～100hz之间，输入信号1经DSP上的A/D转换器输送到DSP控制系统9中，谐振控制器会在预先设定的谐振峰值M_r的基础上，使控制算法中的参数ω_r随输入信号频率ω_r的变化而变化，再把得到的新的控制信号由DSP上的模拟输出端口输出给液压缸(由于液压振动系统中内环被等效成为比例为1的环节，所以整个液压振动系统就只有液压缸这一环节起作用)，液压缸输出的位移信号再经过模拟输入端口反馈给DSP，从而完成了系统的闭环控制，实现了输出信号是输入信号在特定频率点的谐振峰值M_r倍。

在图5、6、7中，设定谐振峰值M_r＝3，在改变输入信号频率的情况下，看输出频率是否能跟踪输入频率的变化而变化，观察输出信号峰值是否是输入信号峰值的3倍，是否实现了谐振控制，是否能达到对大质量物体测试的要求。

在图5中，当ω_r＝12周期频率f＝12rad/sec＝36Hz，离散后的控制函数为下式的输入输出信号波形图。

在图6中，当ω_r＝15，谐振频率f＝15rad/sec＝45Hz，离散后的控制函数为下式的输入输出信号波形图。

在图7中，当ω_r＝25，谐振频率f＝25rad/sec＝75Hz，离散后的控制函数为下式的输入输出信号波形图。：

当ω_r超过25之后，即输入频率超过75Hz之后，谐振峰值将不能达到3，而在1.5左右，当ω_r超过50之后，即频率超过150之后，将不在出现谐振峰值，甚至峰峰值小于输入信号。这就达到了谐振峰值M_r＝3的谐振频率跟踪控制中的上限。

Claims (3)

1、基于DSP的可变谐振频率液压振动控制系统，包括有液压振动系统(8)，其中在液压振动系统(8)中，模拟PID(3)和伺服阀(4)串连，又与位移传感器(6)组成内环的闭合回路，数字控制器(2)又依次与该内环的闭合回路、液压缸(5)串连，然后在与另一位移传感器(6)组成外环上的闭合回路，其特征在于：还包括有基于谐振理论设计用于实现谐振控制器功能的DSP控制系统，DSP控制系统再将控制信号输入给液压振动系统(8)中的数字控制器(2)的输入端，液压振动系统(8)输出端的频率信号又通过位移传感器反馈给DSP控制系统，输入信号(1)通过A/D转换输入给DSP系统，所述的由模拟PID(3)、伺服阀(4)、位移传感器(6)组成的内环等效成比例为(1)的内环。

2、根据权利要求1所述的基于DSP的可变谐振频率液压振动控制系统，其特征在于，所述的DSP控制系统基于谐振理论实现谐振控制器的功能，该谐振控制器是按如下方法设计的：

1)假设M_r为系统输出所需要的谐振峰值，则根据谐振理论， $M_r=\frac{1}{2\mathrm{\ζ}\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}$ 可求得阻尼比ζ的值，又根据 ${\mathrm{\ω}}_r=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{T}$ 可得出 $T=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r},$ 其中，ω_r为系统的输入信号的频率，由于由DSP控制系统、液压振动系统(8)及位移传感器组成的整个闭环系统的传递函数 $G=\frac{2}{T^2{S}^2+2\mathrm{T\ζS}+1},$ 将 $T=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r}$ 代入传递函数G，得到： $G=\frac{1}{\frac{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}{{\mathrm{\ω}}_r^2}{S}^2+\frac{2\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r}S+1};$

2)由于DSP控制系统、液压振动系统(8)和位移传感器组成闭环系统，该闭环系统的传递函数为： $G=\frac{G_c\·G_0}{1+G_c\·G_0},$ 其中，G_C为谐振控制器的传递函数，G₀为液压振动系统的传递函数；

3)由式 $G=\frac{G_c\·G_0}{1+G_c\·G_0}$ 得到 $G_C=\frac{G}{G_0(1-G)},$ 由于G及G₀已知，从该式便得到谐振控制器的传递函数。

3、基于DSP的可变谐振频率液压振动控制方法，其特征在于，该方法是按如下步骤实现的：

1)DSP控制系统将谐振控制器的传递函数 $G_C=\frac{G}{G_0(1-G)}$ 离散成yout1＝a1*yout_1-a2*yout_2+b1*u+b2*u_1+b3*u_2的形式；

2)DSP控制系统比较通过位移传感器反馈回来的液压缸输出信号的频率与系统输入频率ω_r之间的差值e，当e＝0时，说明系统输出频率跟踪输入频率效果良好，不作任何处理；当e≠0时，将DSP控制系统的输出调整为u＝u_1+e。

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