專利名稱：一種電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械領(lǐng)域的振動模擬實驗方法，特別是一種電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振
動控制方法。
背景技術(shù)：
振動模擬是環(huán)境模擬與仿真實驗的一種，目前被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)等 國防工業(yè)領(lǐng)域和汽車、建筑等民用工業(yè)部門。振動實驗的目的在于考核產(chǎn)品在振動激勵下 保持原有性能的能力，即研究和檢驗產(chǎn)品在振動條件下的結(jié)構(gòu)可靠性和操縱可靠性。振動 模擬實驗從實驗類型角度可分為隨機(jī)振動、正弦振動和波形再現(xiàn)三種類型。環(huán)境的振動條 件一般以譜或波形的形式給出，如隨機(jī)振動功率譜復(fù)現(xiàn)實驗中要求復(fù)現(xiàn)功率譜密度參考信 號，地震波復(fù)現(xiàn)實驗中要求復(fù)現(xiàn)參考地震波。 在隨機(jī)振動模擬試驗中，電液伺服系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮電子與液壓兩方面的優(yōu)勢， 功率_重量比大，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并有很好的靈活性和適應(yīng)能力，常用作大型 結(jié)構(gòu)件振動實驗中的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。試件在工作環(huán)境中經(jīng)受的振動形式大多為隨機(jī)振動，振動 不局限在確定的頻率點上，其特征經(jīng)常用形如加速度功率譜密度等統(tǒng)計特性描述。要模擬 這種振動形式，就需要在振動臺上復(fù)現(xiàn)出實測的功率譜密度即功率譜密度參考信號。但將 功率譜密度參考信號對應(yīng)的時域驅(qū)動信號直接輸入到電液伺服系統(tǒng)中時，系統(tǒng)功率譜密度 輸出信號與功率譜密度參考信號相比往往存在較大偏差，極大影響了對被測產(chǎn)品在振動環(huán) 境下可靠性的定量評定。對于理想系統(tǒng)，幅頻特性處于0分貝線上，輸出信號完全再現(xiàn)輸入 信號。而實際系統(tǒng)幅頻特性在不同頻段與0分貝線有不同程度的差異，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)信號 與參考信號之間出現(xiàn)偏差。這是造成功率譜密度輸出信號與功率譜密度參考信號產(chǎn)生較大 偏差的原因之一。另一方面，電液伺服系統(tǒng)在外界環(huán)境如油液溫度等變化的情況下，液壓系 統(tǒng)本身參數(shù)將發(fā)生較大變化，并帶有隨機(jī)性質(zhì)，也會降低系統(tǒng)的功率譜密度再現(xiàn)精度。因 此，為提高振動實驗的有效性，改善功率譜密度再現(xiàn)的精度是非常必要的。
現(xiàn)有的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法主要由頻率響應(yīng)函數(shù)估計、阻抗函數(shù)計 算、功率譜密度參考信號迭代修正和時域驅(qū)動信號生成四部分組成。首先通過預(yù)實驗辨識 電液伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，接著計算阻抗函數(shù)，然后將功率譜密度參考信號迭代修正， 再將修正后的功率譜密度轉(zhuǎn)化為時域驅(qū)動信號，進(jìn)行正式振動模擬實驗。其中，由功率譜密 度轉(zhuǎn)化為時域驅(qū)動信號時，需要經(jīng)Cholesky分解、頻域隨機(jī)化、逆傅立葉變換和時域隨機(jī) 化四個步驟，計算過程復(fù)雜，而且需要專用硬件設(shè)備?，F(xiàn)有算法的實質(zhì)是離線迭代算法，當(dāng) 實驗過程中電液伺服系統(tǒng)的參數(shù)或試件特性發(fā)生改變時，無法保證迭代算法的收斂性，甚 至迭代發(fā)散，導(dǎo)致系統(tǒng)的功率譜密度輸出信號與功率譜密度參考信號相比存在很大偏差， 極大降低了功率譜密度再現(xiàn)的精度，影響了對受試產(chǎn)品在振動環(huán)境下可靠性的定量評定。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種易于計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制、具有簡化時域驅(qū)動信號生成過程、確保功率譜密度參考信號迭代收斂性、提高功 率譜密度再現(xiàn)精度、增強(qiáng)隨機(jī)振動模擬實驗真實性的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方 法包括以下步驟 A、設(shè)定待再現(xiàn)的加速度功率譜密度信號為加速度功率譜密度參考信號；
B、利用加速度功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器III ;
C、利用白噪聲信號發(fā)生器生成加速度白噪聲信號； D、計算加速度白噪聲信號經(jīng)濾波器III濾波后的加速度輸出信號，并將加速度輸
出信號作為與加速度功率譜密度參考信號相對應(yīng)的加速度時域驅(qū)動信號； E、將電液伺服系統(tǒng)的加速度輸入信號作為卡爾曼濾波器I的加速度輸入信號，并
計算電液伺服系統(tǒng)的加速度輸出信號即響應(yīng)信號與卡爾曼濾波器I的加速度輸出信號之 差； F、基于電液伺服系統(tǒng)的加速度輸出信號與卡爾曼濾波器I的加速度輸出信號之 差，利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器I的權(quán)值，進(jìn)行電液伺服系 統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識； G、用卡爾曼濾波器I頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器V，并對加速度時域驅(qū) 動信號進(jìn)行濾波，將濾波器V的加速度輸出信號作為卡爾曼濾波器II的加速度輸入信號；
H、將加速度時域驅(qū)動信號做延時，并計算延時后的加速度時域驅(qū)動信號與卡爾曼 濾波器II的加速度輸出信號之差； 1、基于延時后的加速度時域驅(qū)動信號與卡爾曼濾波器II的加速度輸出信號之 差，利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器II的權(quán)值，進(jìn)行卡爾曼濾波 器I的阻抗辨識； J、利用卡爾曼濾波器II的阻抗辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV，并對加速度時域驅(qū)動信
號進(jìn)行濾波，將濾波器IV的加速度輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)的加速度輸入信號。 本發(fā)明步驟B所述的利用加速度功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器III的方法可描
述為
式中，"為頻率，lH(") |為濾波器III的幅頻特性，R(")為加速度功率譜密度 參考信號，a為白噪聲信號的功率，^(w)為濾波器III的相頻特性，M為濾波器階數(shù)。
本發(fā)明步驟F或I所述的單步預(yù)測卡爾曼濾波算法可描述為<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，u為卡爾曼濾波器的輸入信號，K為預(yù)測狀態(tài)誤差的相關(guān)矩陣，g為卡爾曼增
益矩陣，6為卡爾曼濾波器的權(quán)值向量，y為卡爾曼濾波器的輸出，e為誤差信號，d為卡爾
曼濾波器的期望信號，QM為測量噪聲的相關(guān)矩陣，QP為過程噪聲的相關(guān)矩陣。 本發(fā)明步驟G或J所述的構(gòu)造濾波器V或濾波器IV的步驟如下首先復(fù)制濾波器
權(quán)值，然后基于復(fù)制的權(quán)值構(gòu)造濾波器，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波后的輸
出信號作為電液伺服系統(tǒng)或卡爾曼濾波器II的加速度輸入信號。 本發(fā)明所述的加速度信號也可以是位置信號或速度信號。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果 1、本發(fā)明的所有步驟均可通過軟件編程實現(xiàn)，不需要專用硬件設(shè)備。在CPU為 Pentium IV-2. 0G、內(nèi)存為1G的Advantech工控機(jī)上測試，算法的運行周期小于lms，能夠滿 足電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動振動模擬實驗的實時性要求，所以本發(fā)明易于實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)字化 控制。 2、本發(fā)明利用功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器并對白噪聲信號進(jìn)行濾波得到時 域驅(qū)動信號，極大地簡化了時域驅(qū)動信號的生成過程。 3、本發(fā)明采用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)及阻抗 函數(shù)的辨識。單步預(yù)測卡爾曼濾波算法的收斂性確保了在電液伺服系統(tǒng)特性和試件特性發(fā) 生變化時，系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)及阻抗函數(shù)辨識的收斂性，因此確保了功率譜密度參考信號 迭代的收斂性。 4、由于本發(fā)明采用的單步預(yù)測卡爾曼濾波算法可以依據(jù)濾波器輸入信號、偏差信 號對濾波器權(quán)值進(jìn)行實時在線修正，能夠?qū)崟r跟蹤被控系統(tǒng)幅頻特性及電液伺服系統(tǒng)自身 參數(shù)的變化，對功率譜密度參考信號進(jìn)行實時補(bǔ)償，使得系統(tǒng)的輸出信號能夠高精度的再 現(xiàn)參考信號，增強(qiáng)了隨機(jī)振動模擬實驗的真實性。功率譜密度輸出信號與功率譜密度參考 信號的偏差可以控制在±1分貝之內(nèi)。


本發(fā)明共有附圖2張，其中 圖1是本發(fā)明的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法原理圖； 圖2是基于卡爾曼濾波器的輸出重新構(gòu)造濾波器并進(jìn)行濾波的原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地說明。如圖1-2所示，一種電液伺服系統(tǒng)隨 機(jī)振動控制方法包括以下步驟
A、設(shè)定待再現(xiàn)的加速度功率譜密度信號為加速度功率譜密度參考信號1 ;
B、用加速度功率譜密度參考信號1設(shè)計濾波器III2 ;
C、利用白噪聲信號6發(fā)生器生成加速度白噪聲信號6 ; D、計算加速度白噪聲信號6經(jīng)濾波器II12濾波后的加速度輸出信號，并將加速度 輸出信號作為與加速度功率譜密度參考信號1相對應(yīng)的加速度時域驅(qū)動信號；
E、將電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸入信號作為卡爾曼濾波器17的加速度輸入信號， 并計算電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸出信號即響應(yīng)信號5與卡爾曼濾波器17的加速度輸出 信號之差； F、基于電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸出信號5與卡爾曼濾波器17的加速度輸出信 號之差，利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器17的權(quán)值，進(jìn)行電液伺 服系統(tǒng)4頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識； G、利用卡爾曼濾波器17頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器V8，并對加速度時 域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器V8的加速度輸出信號作為卡爾曼濾波器119的加速度輸入 信號； H、將加速度時域驅(qū)動信號做延時10，并計算延時10后的加速度時域驅(qū)動信號與 卡爾曼濾波器119的加速度輸出信號之差； 1、基于延時10后的加速度時域驅(qū)動信號與卡爾曼濾波器119的加速度輸出信號 之差，利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器119的權(quán)值，進(jìn)行卡爾曼 濾波器17的阻抗辨識； J、利用卡爾曼濾波器119的阻抗辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV3，并對加速度時域驅(qū)動 信號進(jìn)行濾波，將濾波器IV3的加速度輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸入信號。
本發(fā)明步驟B所述的利用加速度功率譜密度參考信號l設(shè)計濾波器III的方法可
描述為
<formula>formula see original document page 7</formula> 式中，"為頻率，lH(") I為濾波器III2的幅頻特性，R(")為加速度功率譜密度 參考信號，a為白噪聲信號6的功率，^(^)為濾波器III2的相頻特性，M為濾波器階數(shù)。
本發(fā)明步驟F或I所述的單步預(yù)測卡爾曼濾波算法可描述為 '(")=
<formula>formula see original document page 7</formula> 式中，u為卡爾曼濾波器的輸入信號，K為預(yù)測狀態(tài)誤差的相關(guān)矩陣，g為卡爾曼增
益矩陣，6為卡爾曼濾波器的權(quán)值向量，y為卡爾曼濾波器的輸出，e為誤差信號，d為卡爾曼濾波器的期望信號，QM為測量噪聲的相關(guān)矩陣，QP為過程噪聲的相關(guān)矩陣。 本發(fā)明步驟G或J所述的構(gòu)造濾波器V8或濾波器IV3的步驟如下首先復(fù)制濾波
器權(quán)值ll，然后基于復(fù)制的權(quán)值構(gòu)造濾波器12，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波13，將
濾波后的輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)4或卡爾曼濾波器119的加速度輸入信號。 本發(fā)明所述的加速度信號也可以是位置信號或速度信號。
權(quán)利要求
一種電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特征在于包括以下步驟A、設(shè)定待再現(xiàn)的加速度功率譜密度信號為加速度功率譜密度參考信號(1)；B、利用加速度功率譜密度參考信號(1)設(shè)計濾波器III(2)；C、利用白噪聲信號(6)發(fā)生器生成加速度白噪聲信號(6)；D、計算加速度白噪聲信號(6)經(jīng)濾波器III(2)濾波后的加速度輸出信號，并將加速度輸出信號作為與加速度功率譜密度參考信號(1)相對應(yīng)的加速度時域驅(qū)動信號；E、將電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸入信號作為卡爾曼濾波器I(7)的加速度輸入信號，并計算電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸出信號即響應(yīng)信號(5)與卡爾曼濾波器I(7)的加速度輸出信號之差；F、基于電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸出信號(5)與卡爾曼濾波器I(7)的加速度輸出信號之差，利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器I(7)的權(quán)值，進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)(4)頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識；G、利用卡爾曼濾波器I(7)頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器V(8)，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器V(8)的加速度輸出信號作為卡爾曼濾波器II(9)的加速度輸入信號；H、將加速度時域驅(qū)動信號做延時(10)，并計算延時(10)后的加速度時域驅(qū)動信號與卡爾曼濾波器II(9)的加速度輸出信號之差；I、基于延時(10)后的加速度時域驅(qū)動信號與卡爾曼濾波器II(9)的加速度輸出信號之差，利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器II(9)的權(quán)值，進(jìn)行卡爾曼濾波器I(7)的阻抗辨識；J、利用卡爾曼濾波器II(9)的阻抗辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV(3)，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器IV(3)的加速度輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸入信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特征在于步驟B所述 的利用加速度功率譜密度參考信號(1)設(shè)計濾波器III的方法可描述為式中，"為頻率，lH(") I為濾波器III的幅頻特性，R(")為加速度功率譜密度參考信號，a為白噪聲信號(6)的功率，^y)為濾波器ni的相頻特性，M為濾波器階數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特征在于 步驟F或I所述的單步預(yù)測卡爾曼濾波算法可描述為< eO) = i/0)__y(")=《("-1) - CO -1) +仏式中，u為卡爾曼濾波器的輸入信號，K為預(yù)測狀態(tài)誤差的相關(guān)矩陣，g為卡爾曼增益矩 陣，A為卡爾曼濾波器的權(quán)值向量，y為卡爾曼濾波器的輸出，e為誤差信號，d為卡爾曼濾波 器的期望信號，QM為測量噪聲的相關(guān)矩陣，QP為過程噪聲的相關(guān)矩陣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特征在于步驟G或J所 述的構(gòu)造濾波器V(8)或濾波器IV(3)的步驟如下首先復(fù)制濾波器權(quán)值(ll)，然后基于復(fù) 制的權(quán)值構(gòu)造濾波器(12)，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波(13)，將濾波后的輸出信號 作為電液伺服系統(tǒng)(4)或卡爾曼濾波器I1(9)的加速度輸入信號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特征在于所 述的加速度信號也可以是位置信號或速度信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，包括以下步驟利用加速度功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器III，并對白噪聲信號濾波，將其輸出作為加速度時域驅(qū)動信號；利用單步預(yù)測卡爾曼濾波算法實時在線調(diào)整卡爾曼濾波器I和卡爾曼濾波器II的權(quán)值，分別進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)和卡爾曼濾波器I阻抗函數(shù)的辨識；基于卡爾曼濾波器II的阻抗函數(shù)辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV，并對加速度時域驅(qū)動信號濾波，將其輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)的加速度輸入信號。本發(fā)明利用濾波器III對白噪聲信號濾波得到加速度時域驅(qū)動信號，簡化了時域驅(qū)動信號生成過程。本發(fā)明采用的單步預(yù)測卡爾曼濾波算法的收斂性確保了功率譜密度實時在線迭代的收斂性。
文檔編號F15B21/00GK101696711SQ20091018797
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者關(guān)廣豐, 弓永軍, 熊偉, 王海濤, 王祖溫, 馬文琦 申請人:大連海事大學(xué);