專利名稱：基于dsp的可變諧振頻率液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于DSP的可變諧振頻率液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)及方法， 依據(jù)系統(tǒng)諧振原理來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于正弦振蕩信號(hào)的跟蹤，屬于液壓 伺服控制領(lǐng)域。
技術(shù)背景液壓振動(dòng)臺(tái)是對(duì)試件施加正弦激勵(lì)、實(shí)現(xiàn)試件振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。在 輸入正弦信號(hào)的作用下，利用輸入信號(hào)和液壓缸反饋的位移信號(hào)相比較的誤 差信號(hào)，通過(guò)傳統(tǒng)的PID控制器的控制，改變伺服閥的動(dòng)作，使液壓缸的位 移行程做出相應(yīng)增大或縮小的調(diào)整，以帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)跟蹤輸入正弦信號(hào)的 振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滿足振動(dòng)測(cè)試的要求。但是，基于液壓振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性，液 壓振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的振幅與相位角均是頻率的函數(shù)，因此常規(guī)PID控制器控 制在頻率較高的情況下，振動(dòng)臺(tái)的位移輸出就會(huì)有很大的幅度衰減，不能滿 足大質(zhì)量試件測(cè)試的振動(dòng)要求。 實(shí)用新型內(nèi)容為了克服常規(guī)PID控制器控制下的液壓振動(dòng)臺(tái)的輸出在高頻下存在幅值 衰減，不能滿足對(duì)大質(zhì)量試件的測(cè)試要求這一問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種 基于DSP的可變諧振頻率液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)諧振理論，利 用電磁閥，液壓缸之間的能量交換關(guān)系，使得振動(dòng)臺(tái)在系統(tǒng)諧振方式下產(chǎn)生 較大的振動(dòng)動(dòng)作，即給定一個(gè)輸入很小的信號(hào)就可以使液壓缸產(chǎn)生較大的位 移輸出，并在輸入信號(hào)頻率不斷改變的情況下，仍能使輸出跟蹤輸入，并按 給定的諧振峰值Mr這一倍數(shù)增大輸入信號(hào)的峰值，以滿足液壓振動(dòng)臺(tái)對(duì)大質(zhì)量物體的測(cè)試要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案。本系統(tǒng)主要包括 有液壓振動(dòng)系統(tǒng)8，其中，在液壓振動(dòng)系統(tǒng)8中，模擬PID3與伺服閥4串連， 再與位移傳感器6組成內(nèi)環(huán)的閉合回路，數(shù)字控制器2又依次與該內(nèi)環(huán)閉合 回路、液壓缸5串連，然后又與另一位移傳感器6組成外環(huán)上的閉合回路， 其特征在于還包括有基于諧振理論設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)諧振控制器功能的DSP控 制系統(tǒng)，DSP控制系統(tǒng)再將控制信號(hào)輸入給液壓振動(dòng)系統(tǒng)8中的數(shù)字控制器2 的輸入端，液壓振動(dòng)系統(tǒng)8輸出端的頻率信號(hào)又通過(guò)位移傳感器反饋給DSP 控制系統(tǒng)，輸入信號(hào)1通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入給DSP系統(tǒng)，所述的由模擬PID3、 伺服閥4、位移傳感器6組成的內(nèi)環(huán)等效成比例為1的內(nèi)環(huán)。DSP控制系統(tǒng)基于諧振理論實(shí)現(xiàn)諧振控制器的功能，該諧振控制器是通過(guò)自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)的l)假設(shè)Mr為系統(tǒng)輸出所需要的諧振峰值，則根據(jù)諧振理論，吒=~~^可求得阻尼比《的值，又根據(jù)《,=:^￡可得出7=^^，其中，^為系統(tǒng) 的輸入信號(hào)的頻率，由于由DSP控制系統(tǒng)、液壓振動(dòng)系統(tǒng)及位移傳感器組成的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G-^^4^TT，將r-^^代入傳遞函數(shù)G， 得到G =-1 ,~一，即得到了傳遞函數(shù)G與諧振峰值M,和輸入信號(hào)頻率^的關(guān)系式。2)由于DSP控制系統(tǒng)、液壓振動(dòng)系統(tǒng)8和位移傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)，該閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G--^^,其中，Gc為諧振控制器的傳遞函數(shù)，1 + GC-G0G。為已知的液壓振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)； 3)由式0 = 7^7得到(^=7;7^，由于G及Go已知，從該式便得 到諧振控制器的傳遞函數(shù)?；贒SP的可變諧振頻率液壓振動(dòng)控制方法，該方法是按如下步驟實(shí)現(xiàn)的1) DSP控制系統(tǒng)將諧振控制器的傳遞函數(shù)Ge-^^離散成youtl=al*yout_l-a2*yout—2+bl*u+b2*u—l+b3*u—2的形式。2) DSP控制系統(tǒng)比較通過(guò)位移傳感器反饋回來(lái)的液壓缸5輸出信號(hào)的 頻率與系統(tǒng)輸入1的頻率w之間的差值e，當(dāng)e=0時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)輸出頻率跟 蹤輸入頻率效果良好，不作任何處理；當(dāng)#0時(shí)，將DSP控制系統(tǒng)的輸出調(diào) 整為"="—l + e，即得到新的控制信號(hào)U，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)控制液 壓振動(dòng)系統(tǒng)8中伺服閥4的動(dòng)作，進(jìn)而調(diào)整液壓缸5的位移量輸出。此輸出 再在DSP系統(tǒng)內(nèi)和輸入信號(hào)1相比較，如圖3所示，如果還存在誤差值，則 繼續(xù)循環(huán)計(jì)算以得出液壓振動(dòng)系統(tǒng)的控制信號(hào)，從而進(jìn)一步控制伺服閥4的 動(dòng)作和液壓缸5的位移輸出，如此周而復(fù)始的循環(huán)，來(lái)達(dá)到輸出的實(shí)時(shí)跟蹤 效果。本系統(tǒng)是在原有的液壓振動(dòng)系統(tǒng)8的基礎(chǔ)上改造而成的。在液壓振動(dòng)系 統(tǒng)8的外環(huán)控制中加入諧振控制算法&，可使液壓振動(dòng)臺(tái)的整個(gè)閉環(huán)控制系 統(tǒng)的輸出信號(hào)滿足比輸入信號(hào)峰峰值大M,倍的性能指標(biāo)。諧振控制器《關(guān)于 輸入信號(hào)頻率^及阻尼比C的函數(shù)，而《可系統(tǒng)所要輸出的幅值Mr確定，所 以，當(dāng)系統(tǒng)輸出幅值Mr給定時(shí)，諧振控制器Gc是關(guān)于輸入信號(hào)頻率^的函
數(shù)，也就是得到了通過(guò)改變輸入信號(hào)頻率(算法中參數(shù)A的值)，使輸出頻率 跟蹤輸入頻率的變化而變化，即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的諧振頻率跟蹤。在系統(tǒng)工作時(shí)，可以把輸入信號(hào)1的頻率^及振動(dòng)臺(tái)需要輸出的峰值Mr 輸入到DSP控制系統(tǒng)，DSP控制系統(tǒng)檢測(cè)輸入信號(hào)1的頻率和液壓缸5輸出 信號(hào)的頻率之間的誤差值，經(jīng)過(guò)以DSP作為主控單元進(jìn)行處理，得到一個(gè)新 的控制信號(hào)U，再經(jīng)D/A通道對(duì)液壓振動(dòng)系統(tǒng)8施加控制動(dòng)作。此時(shí)，可以 用示波器觀察液壓缸5輸出的波形是否滿足待測(cè)試件所需的振動(dòng)頻率及振幅 要求，如幅值不滿足試件所要求的幅值，就需要重新設(shè)定諧振控制器中諧振 峰值M,的值，使輸出幅值進(jìn)一步增大，從而達(dá)到測(cè)試所需的條件。再改變了 輸入信號(hào)的頻率(即諧振控制器中的參數(shù)w,)，此時(shí)在DSP程序中只需改變與 諧振控制器相對(duì)應(yīng)的離散控制信號(hào)即可，從示波器上再觀察在多大的頻率變 化范圍內(nèi)或最大頻率處，輸出信號(hào)是否仍能按諧振峰值M,這一倍數(shù)來(lái)跟蹤輸 入信號(hào)。如不滿足測(cè)試條件，需繼續(xù)調(diào)整諧振峰值M,及輸入信號(hào)頻率^的值， 直到輸出信號(hào)滿足測(cè)試要求為止。使用DSP作為控制器構(gòu)成閉環(huán)液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)，采用內(nèi)環(huán)PID控制技 術(shù)將伺服閥4調(diào)節(jié)成比例環(huán)節(jié)，基于諧振理論設(shè)計(jì)由DSP實(shí)現(xiàn)的控制算法作 為控制器，使得由DSP控制器與液壓缸5構(gòu)成的廣義開(kāi)環(huán)對(duì)象可以在給定頻 率為^的頻率上產(chǎn)生要求幅值的閉環(huán)諧振峰值M,，實(shí)現(xiàn)液壓振動(dòng)臺(tái)的諧振方 式的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，且通過(guò)修改DSP控制算法中的參數(shù)Mr和^，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng) 頻帶寬度范圍內(nèi)的諧振頻率可變。由于傳統(tǒng)PID控制的液壓振動(dòng)系統(tǒng)只能使輸出1:1的跟蹤輸入信號(hào)，為 了滿足大質(zhì)量測(cè)試的要求，就不但需要使輸出跟蹤輸入，而且還要使輸出的 振幅達(dá)到試件測(cè)試所需要的峰值，即使得液壓缸5的輸出產(chǎn)生足夠大的位移 量。此時(shí)若釆用傳統(tǒng)控制方法，液壓缸5輸出的位移量就不能滿足大質(zhì)量試 件的測(cè)試要求。而本實(shí)用新型中采用DSP控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諧振控制器的功能，并利用系統(tǒng)內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換，可以使輸出在頻率較高的情況下仍能跟蹤輸入 信號(hào)頻率，且輸出信號(hào)的幅值可增大至輸入信號(hào)幅值的M,倍(從圖5中示波 器中所顯示的結(jié)果可以看出)，以滿足大質(zhì)量試件的測(cè)試要求；諧振控制器可 以充分利用液壓振動(dòng)系統(tǒng)中元件的最大有效特性，滿足激振大質(zhì)量的物體所 需信號(hào)的頻率和幅值特性，從而獲得振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)動(dòng)作，且在使用DSP實(shí)現(xiàn)諧 振控制器算法中，參數(shù)修改方便，系統(tǒng)調(diào)試容易實(shí)現(xiàn)。


以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是液壓振動(dòng)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖。圖2是基于DSP實(shí)時(shí)監(jiān)控的液壓振動(dòng)系統(tǒng)框圖。圖3是液壓振動(dòng)系統(tǒng)在DSP控制下的流程圖。圖4是液壓振動(dòng)系統(tǒng)電模擬仿真實(shí)驗(yàn)圖。圖5是^=12時(shí)的輸入輸出波形圖。圖6是^=15的輸入輸出波形圖。 圖7是《,25時(shí)的輸入輸出波形圖。圖中1、輸入，2、數(shù)字控制器，3、模擬PID控制器，4、伺服閥，5、 液壓缸，6、位移傳感器，7、輸出，8、液壓振動(dòng)系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1 圖4詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。 本實(shí)施例主要包括有液壓振動(dòng)系統(tǒng)8，其中，液壓振動(dòng)系統(tǒng)8包括有由 模擬PID3、伺服閥4、位移傳感器6組成的內(nèi)環(huán)的閉合回路，該內(nèi)環(huán)閉合回 路又與數(shù)字控制器2、液壓缸5、另一位移傳感器6組成外環(huán)上的閉合回路。 還包括有基于諧振理論設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)諧振控制器功能的DSP控制系統(tǒng)，DSP控 制系統(tǒng)通過(guò)再將控制信號(hào)輸入給液壓振動(dòng)系統(tǒng)8中的數(shù)字控制器2的輸入端， 液壓震動(dòng)系統(tǒng)8輸出端的頻率信號(hào)又依次通過(guò)位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換反饋給 DSP控制系統(tǒng)，輸入信號(hào)1通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入給DSP系統(tǒng)，所述的由模擬PID3、
伺服閥4、位移傳感器6組成的內(nèi)環(huán)等效成比例為1的內(nèi)環(huán)。如圖2所示，用TMSC320C31的DSP控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振控制器復(fù)雜控制 算法的計(jì)算，諧振控制器的傳遞函數(shù)為Gc = J r、,其中，G為由DSP控制系統(tǒng)、液壓振動(dòng)系統(tǒng)及位移傳感器組成的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，G。為被 控對(duì)象液壓振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。用PID算法將模擬PID3和伺服閥4組成的 閉環(huán)等效成比例為1的內(nèi)環(huán)，再將外環(huán)輸入信號(hào)1的頻率和通過(guò)位移傳感器6 反饋的系統(tǒng)輸出位移信號(hào)的頻率進(jìn)行比較，將二者的誤差信號(hào)e進(jìn)行處理。 當(dāng)e-0時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)輸出頻率跟蹤輸入頻率效果良好，不作任何處理；當(dāng)#0 時(shí)，將DSP控制系統(tǒng)的輸出調(diào)整為"-"J + "即得到新的控制信號(hào)U，再經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)重新控制液壓振動(dòng)系統(tǒng)中伺服閥的動(dòng)作，進(jìn)而調(diào)整液壓 振動(dòng)系統(tǒng)的位移量輸出。本實(shí)施例對(duì)液壓振動(dòng)系統(tǒng)8搭建了模擬電路，如圖4所示，此電模擬仿 真系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)頻帶寬度范圍內(nèi)很好的模擬液壓振動(dòng)系統(tǒng)8的特性。在電 網(wǎng)絡(luò)模型中含有用二階低通濾波器來(lái)表示的液壓振動(dòng)系統(tǒng)。在液壓振動(dòng)系統(tǒng) 的實(shí)際應(yīng)用中，輸入信號(hào)1 一般為正弦信號(hào)，工作頻率一般在Q" iQQ"之 間，輸入信號(hào)1經(jīng)DSP上的A/D轉(zhuǎn)換器輸送到DSP控制系統(tǒng)9中，諧振控制 器會(huì)在預(yù)先設(shè)定的諧振峰值<的基礎(chǔ)上，使控制算法中的參數(shù)w隨輸入信號(hào) 頻率^的變化而變化，再把得到的新的控制信號(hào)由DSP上的模擬輸出端口輸出給液壓缸(由于液壓振動(dòng)系統(tǒng)中內(nèi)環(huán)被等效成為比例為1的環(huán)節(jié)，所以整 個(gè)液壓振動(dòng)系統(tǒng)就只有液壓缸這一環(huán)節(jié)起作用)，液壓缸輸出的位移信號(hào)再經(jīng) 過(guò)模擬輸入端口反饋給DSP，從而完成了系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)是 輸入信號(hào)在特定頻率點(diǎn)的諧振峰值Mr倍。在圖5、 6、 7中，設(shè)定諧振峰值M,3，在改變輸入信號(hào)頻率的情況下， 看輸出頻率是否能跟蹤輸入頻率的變化而變化，觀察輸出信號(hào)峰值是否是輸 入信號(hào)峰值的3倍，是否實(shí)現(xiàn)了諧振控制，是否能達(dá)到對(duì)大質(zhì)量物體測(cè)試的 要求。在圖5中，當(dāng)必,=12周期頻率f=12rad/seC=36HZ,離散后的控制函數(shù)為下
式的輸入輸出信號(hào)波形圖。在圖6中，當(dāng)《,15，諧振頻率fH5rad/sec-45Hz，離散后的控制函數(shù)為下式的輸入輸出信號(hào)波形圖。在圖7中，當(dāng)^=25，諧振頻率f=25rad/SeC=75Hz，離散后的控制函數(shù)為下式的輸入輸出信號(hào)波形圖。當(dāng)^超過(guò)25之后，即輸入頻率超過(guò)75Hz之后,諧振峰值將不能達(dá)到3，而 在1. 5左右，當(dāng)^超過(guò)50之后，即頻率超過(guò)150之后，將不在出現(xiàn)諧振峰值,甚 至峰峰值小于輸入信號(hào).這就達(dá)到了諧振峰值M,3的諧振頻率跟蹤控制中的 上限0
權(quán)利要求1、基于DSP的可變諧振頻率液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)，包括有液壓振動(dòng)系統(tǒng)(8)，其中在液壓振動(dòng)系統(tǒng)(8)中，模擬PID(3)和伺服閥(4)串連，又與位移傳感器(6)組成內(nèi)環(huán)的閉合回路，數(shù)字控制器(2)又依次與該內(nèi)環(huán)的閉合回路、液壓缸(5)串連，然后在與另一位移傳感器(6)組成外環(huán)上的閉合回路，其特征在于還包括有DSP控制系統(tǒng)；DSP控制系統(tǒng)再將控制信號(hào)輸入給液壓振動(dòng)系統(tǒng)(8)中的數(shù)字控制器(2)的輸入端，液壓振動(dòng)系統(tǒng)(8)輸出端的頻率信號(hào)又通過(guò)位移傳感器反饋給DSP控制系統(tǒng)，輸入信號(hào)(1)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入給DSP系統(tǒng)，所述的由模擬PID(3)、伺服閥(4)、位移傳感器(6)組成的內(nèi)環(huán)等效成比例為1的內(nèi)環(huán)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于DSP的可變諧振頻率液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于液壓伺服控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的液壓振動(dòng)系統(tǒng)(8)的基礎(chǔ)上，采用基于諧振理論設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)諧振控制器功能的DSP控制系統(tǒng)，DSP控制系統(tǒng)又與液壓振動(dòng)系統(tǒng)(8)、位移傳感器一起構(gòu)成閉環(huán)液壓振動(dòng)控制系統(tǒng)。使得由DSP控制器與液壓缸(5)構(gòu)成的廣義開(kāi)環(huán)對(duì)象可以在給定頻率為ω_r的頻率上產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的諧振峰值為輸入信號(hào)峰值的Mr倍，以滿足液壓振動(dòng)臺(tái)對(duì)大質(zhì)量物體的測(cè)試要求。且在使用DSP實(shí)現(xiàn)諧振控制器算法中，參數(shù)修改方便，系統(tǒng)調(diào)試容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G05B11/00GK201017214SQ200620134129
公開(kāi)日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者喬俊飛, 于乃功, 于建均, 任紅格, 亮 孫, 李明愛(ài), 阮曉鋼, 曼 陸 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)