高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法及控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法及控制裝置，該控制方法即利用雙參量生成器，將激振系統(tǒng)的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移、加速度兩個(gè)分量；建立伺服控制系統(tǒng)的位移和加速度閉環(huán)，通過位移階躍響應(yīng)，調(diào)節(jié)位移反饋PID增益；針對(duì)激振系統(tǒng)的高頻段，根據(jù)系統(tǒng)的正弦響應(yīng)情況，適當(dāng)調(diào)整加速度反饋增益，以提高激振系統(tǒng)高頻特性，改善加速度波形失真度。該控制裝置包括上位機(jī)、下位機(jī)、控制傳感器和伺服控制機(jī)箱。本發(fā)明的控制方法構(gòu)思簡(jiǎn)單、合理，能夠保證液壓激振系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，改善液壓激振系統(tǒng)的高頻段頻率特性和加速度波形失真度。本發(fā)明的控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用穩(wěn)定，可改善液壓激振系統(tǒng)的高頻特性，提高激振系統(tǒng)的加速度波形失真度。
【專利說明】高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法及控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法及控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]采用鉸支座和液壓作動(dòng)器方式的液壓振動(dòng)臺(tái)，以其推力大，位移大，超低頻響，易于實(shí)現(xiàn)以及控制精度較高等優(yōu)勢(shì)，成為了目前車輛運(yùn)輸模擬，機(jī)車(或高鐵)運(yùn)輸模擬，機(jī)載環(huán)境模擬、地震模擬等科學(xué)試驗(yàn)裝置的主要手段。
[0003]國際上知名的113公司上世紀(jì)80年代為加州大學(xué)伯克利分校提供的臺(tái)面為6.1^6.雙向地震模擬臺(tái)，之后建立了各類液壓振動(dòng)臺(tái)，都是基于電液伺服閥控缸系統(tǒng)，且工作頻率可達(dá)200取，但油柱共振峰的影響仍無法克服，易出現(xiàn)系統(tǒng)超差現(xiàn)象。日本三菱重工等五家公司1982年聯(lián)合為日本原子能工程試驗(yàn)中心建成的大規(guī)模高性能地震振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面為15111X15111，最大負(fù)載能力為1000噸，可同時(shí)進(jìn)行水平和垂直激振。近年來，英國86^0^68^公司以福州大學(xué)雙臺(tái)陣系統(tǒng)為代表，在國內(nèi)多個(gè)高校相繼建立了多軸液壓地震模擬振動(dòng)臺(tái)。這些液壓振動(dòng)臺(tái)的核心控制部件均采用電液伺服閥如100(}閥等。
[0004]我國的液壓振動(dòng)臺(tái)研究相對(duì)國外起步較晚但發(fā)展較快，近年來各類地震模擬振動(dòng)臺(tái)和道路運(yùn)輸試驗(yàn)系統(tǒng)研制技術(shù)方面有了一定的發(fā)展，于1997年研制出了第一臺(tái)的三軸向地震模擬臺(tái)。北京機(jī)械自動(dòng)化研究所于2002年研制出了運(yùn)輸模擬液壓振動(dòng)臺(tái)，采用模擬控制方式位移閉環(huán)控制策略。中物院總體工程研究所于2004年為同濟(jì)大學(xué)研制的150的離心機(jī)上振動(dòng)臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)300?模型負(fù)載試驗(yàn)，并相繼也研制出了各種類型地震模擬振動(dòng)臺(tái)、運(yùn)輸模擬試驗(yàn)臺(tái)等。
[0005]車輛運(yùn)輸、機(jī)車運(yùn)輸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的主要工作頻段為0.5--200取，機(jī)載環(huán)境模擬的工作頻帶為0.5--120取。另外，利用離心機(jī)和液壓振動(dòng)臺(tái)復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)開展縮比模型的高頻壓縮地震波模擬試驗(yàn)，已被國內(nèi)外巖土工程界公認(rèn)為是最有效的地震模擬實(shí)驗(yàn)手段，而該方法對(duì)應(yīng)的地震波工作頻段為20取?350取。由此可以看出，這些試驗(yàn)系統(tǒng)的工作頻帶都集中在液壓振動(dòng)臺(tái)中高頻段，且應(yīng)用十分廣泛。另一方面，噴嘴擋板電液伺服閥系列，以其穩(wěn)定可靠、控制精度高等優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用在液壓伺服控制領(lǐng)域，但該類電液伺服閥受其工作原理的限制，其工作截止頻率一般在80取附近并按-3(18往下衰減，以至于該伺服閥的液壓激振系統(tǒng)在高頻特性較差。如何有效地解決高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制問題將是十分迫切。國內(nèi)在液壓振動(dòng)臺(tái)控制方面做了一定的研究，通常的方法是位移閉環(huán)控制或者采用三狀態(tài)控制策略(地震模擬振動(dòng)臺(tái)三狀態(tài)控制的研究，韓俊偉于麗明趙慧《哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》1999 %131，^0.3:22?24 0主要應(yīng)用在液壓振動(dòng)臺(tái)的低頻控制方面。關(guān)于高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制的文獻(xiàn)尚少，相關(guān)的控制裝置研發(fā)成熟產(chǎn)品也未見推出。
[0006]另外，經(jīng)搜索專利文獻(xiàn)資料，未見其他公開的關(guān)于高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置的相關(guān)文獻(xiàn)，更未見相關(guān)產(chǎn)品在應(yīng)用中使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供了一種能夠有效改善液壓激振系統(tǒng)的高頻特性，提高激振系統(tǒng)的加速度波形失真度，拓展工作頻寬可且系統(tǒng)全頻帶內(nèi)穩(wěn)定、可靠的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法及控制裝置。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]上述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其包括以下步驟:
[0010](1)利用雙參量生成器，將激振系統(tǒng)的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移、加速度兩個(gè)分量；
(2)建立伺服控制系統(tǒng)的位移和加速度閉環(huán)，通過位移階躍響應(yīng)，調(diào)節(jié)位移反饋？10增益；
(3)針對(duì)激振系統(tǒng)的高頻段，根據(jù)系統(tǒng)的正弦響應(yīng)情況，適當(dāng)調(diào)整加速度反饋增益，以提高激振系統(tǒng)高頻特性，改善加速度波形失真度。
[0011]所述高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其中:所述伺服控制方法是采用？？以單板機(jī)進(jìn)行底層的快速運(yùn)算和自帶的401時(shí)鐘信號(hào)定時(shí)，以實(shí)現(xiàn)伺服控制器的一個(gè)閉環(huán)周期精確定步長(zhǎng)；同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的頻寬要求，選擇0.25.118的精確閉環(huán)周期；利用0嫩方式，進(jìn)行給定信號(hào)輸入和多路控制信號(hào)輸出，以保證給定信號(hào)的發(fā)送與控制信號(hào)采集能夠不間斷不丟點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)打。
[0012]所述高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其中:所述步驟(3)中實(shí)際響應(yīng)與給定信號(hào)之間存在著相位差，所述加速度反饋增益的參數(shù)可設(shè)定為正值或負(fù)值。
[0013]所述高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其中:所述步驟(2)中所述伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)后處于受控狀態(tài)，其低頻段以位移控制為主，高頻段以加速度控制為主。
[0014]所述高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其中:所述步驟⑴呈現(xiàn)出以位移控制為主的低頻段位移大加速度小和以加速度控制為主高頻段位移小加速度大的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)特征。
[0015]所述高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其中:所述步驟(1)的生成器采用％電路構(gòu)建的雙參量生成器或基于單自由度系統(tǒng)的雙參量生成器。
[0016]一種高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置，其中:所述伺服控制裝置包括上位機(jī)、與所述上位機(jī)雙向電連接的下位機(jī)、與所述下位機(jī)電連接的控制傳感器和伺服控制機(jī)箱；所述上位機(jī)用于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示，其通過以太網(wǎng)與所述？？以單板機(jī)雙向電連接；所述下位機(jī)包括？？以單板機(jī)和信號(hào)適調(diào)模塊；所述單板機(jī)為實(shí)時(shí)控制器且用于進(jìn)行實(shí)時(shí)伺服閉環(huán)控制，具體是用于完成實(shí)時(shí)控制算法并采集控制信號(hào)和輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其由直流電源供電且與所述信號(hào)適調(diào)模塊雙向電連接；所述信號(hào)適調(diào)模塊由所述直流電源供電，其集成有加速度適調(diào)模塊、位移適調(diào)模塊及功率放大模塊；所述控制傳感器包括與所述加速度適調(diào)模塊電連接的加速度傳感器以及與所述位移適調(diào)模塊電連接的位移傳感器；所述？?以單板機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由所述功率放大模塊來驅(qū)動(dòng)所述電液伺服閥，以推動(dòng)激振系統(tǒng)振動(dòng)；所述伺服控制機(jī)箱用于封裝所述？?以單板機(jī)、加速度適調(diào)模塊、位移適調(diào)模塊、功率放大模塊及直流電源。
[0017]所述高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置，其中:所述？？以單板機(jī)是通過采集所述位移傳感器和加速度傳感器的信號(hào)，并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述功率放大模塊，由所述功放驅(qū)動(dòng)模塊輸出電流驅(qū)動(dòng)所述電液伺服閥。
[0018]有益效果:
[0019]本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法的構(gòu)思簡(jiǎn)單、合理，是在常規(guī)電液伺服控制(液壓缸位置反饋控制)技術(shù)之上，引入加速度反饋控制方法，能夠有效改善液壓激振系統(tǒng)高頻特性和加速度失真度，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；通過位移階躍響應(yīng)，調(diào)節(jié)位移反饋？10增益，可以保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，能夠保證液壓激振系統(tǒng)的穩(wěn)定控制；拓展工作頻寬可達(dá)到300取且系統(tǒng)全頻帶內(nèi)穩(wěn)定可靠非常適用于車輛道路運(yùn)輸模擬、機(jī)載環(huán)境模擬以及離心機(jī)上地震壓縮波模擬等高頻液壓激振系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。
[0020]本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，一方面能夠保證液壓激振系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，另一方面也能改善了激振系統(tǒng)的高頻段頻率特性和加速度波形失真度，適于推廣與應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法的原理圖；
[0022]圖2為本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，具體包括以下步驟:
[0024]3010、利用雙參量(即位移、加速度)生成器，如采用％電路構(gòu)建的雙參量生成器或基于單自由度系統(tǒng)的雙參量生成器等，將激振系統(tǒng)的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移、加速度兩個(gè)分量；由此呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)特征為以位移控制為主的低頻段位移大加速度小，以加速度控制為主高頻段位移小加速度大。
[0025]3020、建立伺服控制系統(tǒng)的位移和加速度閉環(huán)，系統(tǒng)閉環(huán)后處于受控狀態(tài)，低頻段以位移控制為主，高頻段以加速度控制為主；通過位移階躍響應(yīng)，調(diào)節(jié)位移反饋？10增益，以保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。
[0026]3030、再針對(duì)激振系統(tǒng)的高頻段，根據(jù)伺服控制系統(tǒng)的正弦響應(yīng)情況，適當(dāng)調(diào)整加速度反饋增益，由于實(shí)際響應(yīng)與給定信號(hào)之間存在著相位差，加速度反饋增益的參數(shù)可設(shè)定為正值或負(fù)值；此時(shí)調(diào)整的加速度反饋增益，能夠提高激振系統(tǒng)高頻特性且改善加速度波形失真度；與此同時(shí)，由于伺服控制系統(tǒng)的位移閉環(huán)魯棒性較好，系統(tǒng)穩(wěn)定性仍然可以得到保證。
[0027]調(diào)整加速度反饋增益，提高高頻段的幅頻特性，使得整個(gè)頻段的加速度幅頻特性呈現(xiàn)為平直；經(jīng)典的液壓伺服控制，在高頻段呈現(xiàn)為衰減。
[0028]其中，本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法是采用具有高性能的？？以單板機(jī)進(jìn)行底層的快速運(yùn)算和自帶的401時(shí)鐘信號(hào)定時(shí)，以實(shí)現(xiàn)伺服控制器的一個(gè)閉環(huán)周期精確定步長(zhǎng)；同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的頻寬要求，選擇0.25^(即41(采樣頻率)的精確閉環(huán)周期；利用0嫩方式，進(jìn)行給定信號(hào)輸入和多路控制信號(hào)輸出，以保證給定信號(hào)的發(fā)送與控制信號(hào)采集能夠不間斷不丟點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行。
[0029]如圖1、2所示，本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置，是基于上述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其包括上位機(jī)1、下位機(jī)2、控制傳感器3和伺服控制機(jī)箱4。
[0030]該上位機(jī)1安裝有伺服控制軟件以用于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示，其通過以太網(wǎng)與單板機(jī)2雙向電連接；該上位機(jī)1采用普通計(jì)算機(jī)或筆記本電腦作為人機(jī)交互界面，
具有參數(shù)設(shè)置、硬件自檢、控制參數(shù)調(diào)整、控制指令發(fā)送以及數(shù)據(jù)通訊等功能。
[0031]該下位機(jī)2與上位機(jī)1通過以太網(wǎng)雙向連接，該下位機(jī)2包括？？以單板機(jī)21和信號(hào)適調(diào)模塊22。該？？以單板機(jī)21用于進(jìn)行實(shí)時(shí)伺服閉環(huán)控制，其為實(shí)時(shí)控制器，由直流電源6供電且與信號(hào)適調(diào)模塊22雙向電連接；其中，該？？以單板機(jī)2具體用于完成實(shí)時(shí)控制算法并采集控制信號(hào)和輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；本實(shí)施例中該單板機(jī)2采用犯必-9632單板機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服控制核心算法，其具有4路模擬輸出通道，8路差分采集輸入通道。該信號(hào)適調(diào)模塊22也由直流電源6供電，其集成有加速度適調(diào)模塊221、位移適調(diào)模塊222和功率放大模塊223 ；其中，該加速度適調(diào)模塊221和位移適調(diào)模塊222電連接于控制傳感器3，該功率放大模塊33與電液伺服閥5電連接。
[0032]該控制傳感器3與下位機(jī)2的信號(hào)適調(diào)模塊22電連接，該控制傳感器3包括加速度傳感器31和位移傳感器32。該加速度傳感器31與下位機(jī)2的信號(hào)適調(diào)模塊22中的加速度適調(diào)模塊221電連接；該位移傳感器32與下位機(jī)2的信號(hào)適調(diào)模塊22中的位移適調(diào)模塊222電連接。其中，該？?以單板機(jī)2發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)適調(diào)模塊3中的功率放大模塊223來驅(qū)動(dòng)電液伺服閥5以推動(dòng)激振系統(tǒng)振動(dòng)；具體是該？？以單板機(jī)21采集位移傳感器32和加速度傳感器31的信號(hào)，并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給功率放大模塊223，由功率放大模塊33輸出電流驅(qū)動(dòng)電液伺服閥5。本實(shí)施例中該加速度傳感器31的頻寬為0取?1000取，該位移傳感器32采用的是巴魯夫磁滯微脈沖位移傳感器。
[0033]該伺服控制機(jī)箱4用于封裝下位機(jī)2的？？以單板機(jī)21、加速度適調(diào)模塊221、位移適調(diào)模塊222、功率放大模塊223及直流電源6。
[0034]本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法的構(gòu)思簡(jiǎn)單、合理，其不僅能夠保證液壓激振系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，還能改善了液壓激振系統(tǒng)的高頻段頻率特性和加速度波形失真度。
[0035]本發(fā)明高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，其可有效地改善液壓激振系統(tǒng)的高頻特性，提高激振系統(tǒng)的加速度波形失真度，拓展工作頻寬可達(dá)到300?，且系統(tǒng)全頻帶內(nèi)穩(wěn)定可靠。
【權(quán)利要求】
1.一種高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用雙參量生成器，將激振系統(tǒng)的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移、加速度兩個(gè)分量； (2)建立伺服控制系統(tǒng)的位移和加速度閉環(huán)，通過位移階躍響應(yīng)，調(diào)節(jié)位移反饋PID增.、M ; (3)針對(duì)激振系統(tǒng)的高頻段，根據(jù)系統(tǒng)的正弦響應(yīng)情況，適當(dāng)調(diào)整加速度反饋增益，以提高激振系統(tǒng)高頻特性，改善加速度波形失真度。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其特征在于:所述伺服控制方法是采用FPGA單板機(jī)進(jìn)行底層的快速運(yùn)算和自帶的40M時(shí)鐘信號(hào)定時(shí)，以實(shí)現(xiàn)伺服控制器的一個(gè)閉環(huán)周期精確定步長(zhǎng)；同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的頻寬要求，選擇0.25ms的精確閉環(huán)周期；利用DMA方式，進(jìn)行給定信號(hào)輸入和多路控制信號(hào)輸出，以保證給定信號(hào)的發(fā)送與控制信號(hào)采集能夠不間斷不丟點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其特征在于:所述步驟(3)中實(shí)際響應(yīng)與給定信號(hào)之間存在著相位差，所述加速度反饋增益的參數(shù)可設(shè)定為正值或負(fù)值。
4.如權(quán)利要求1所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其特征在于:所述步驟(2)中所述伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)后處于受控狀態(tài)，其低頻段以位移控制為主，高頻段以加速度控制為王。
5.如權(quán)利要求1所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其特征在于，所述步驟(I)呈現(xiàn)出以位移控制為主的低頻段位移大加速度小和以加速度控制為主高頻段位移小加速度大的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)特征。
6.如權(quán)利要求1所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法，其特征在于:所述步驟(I)的生成器采用RC電路構(gòu)建的雙參量生成器或基于單自由度系統(tǒng)的雙參量生成器。
7.一種基于上述權(quán)利要求1至6任一所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制方法的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置，其特征在于:所述伺服控制裝置包括上位機(jī)、與所述上位機(jī)雙向電連接的下位機(jī)、與所述下位機(jī)電連接的控制傳感器和伺服控制機(jī)箱； 所述上位機(jī)用于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示，其通過以太網(wǎng)與所述FPGA單板機(jī)雙向電連接； 所述下位機(jī)包括FPGA單板機(jī)和信號(hào)適調(diào)模塊；所述FPGA單板機(jī)為實(shí)時(shí)控制器且用于進(jìn)行實(shí)時(shí)伺服閉環(huán)控制，具體是用于完成實(shí)時(shí)控制算法并采集控制信號(hào)和輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其由直流電源供電且與所述信號(hào)適調(diào)模塊雙向電連接；所述信號(hào)適調(diào)模塊由所述直流電源供電，其集成有加速度適調(diào)模塊、位移適調(diào)模塊及功率放大模塊； 所述控制傳感器包括與所述加速度適調(diào)模塊電連接的加速度傳感器以及與所述位移適調(diào)模塊電連接的位移傳感器； 所述FPGA單板機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由所述功率放大模塊來驅(qū)動(dòng)所述電液伺服閥，以推動(dòng)激振系統(tǒng)振動(dòng)； 所述伺服控制機(jī)箱用于封裝所述FPGA單板機(jī)、加速度適調(diào)模塊、位移適調(diào)模塊、功率放大模塊及直流電源。
8.如權(quán)利要求7所述的高頻液壓激振系統(tǒng)伺服控制裝置，其特征在于:所述FPGA單板機(jī)是通過采集所述位移傳感器和加速度傳感器的信號(hào)，并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述功率放大模塊，由所述功放驅(qū)動(dòng)模塊輸出電流驅(qū)動(dòng)所述電液伺服閥。
【文檔編號(hào)】G05D16/20GK104407639SQ201410691125
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】嚴(yán)俠, 陳穎, 胡紹全, 李明海, 王玨, 李曉琳, 胡勇, 王宇飛, 師偉鵬 申請(qǐng)人:中國工程物理研究院總體工程研究所