專(zhuān)利名稱(chēng)：動(dòng)態(tài)物理過(guò)程振動(dòng)抑制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動(dòng)控制領(lǐng)域，更具體地，涉及對(duì)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程振動(dòng)抑制的方法和系統(tǒng)。對(duì)輸入命令進(jìn)行光滑處理后再驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程運(yùn)動(dòng)，讓動(dòng)態(tài)物理過(guò)程按照與它動(dòng)態(tài)特性匹配的光滑命令運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。
背景技術(shù)：
振動(dòng)控制在現(xiàn)代制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。制造業(yè)中廣泛采用電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械作原動(dòng)力，動(dòng)力機(jī)械啟動(dòng)和停止會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。高端裝備制造產(chǎn)品都沿著高速重載方向發(fā)展，其振動(dòng)也日益強(qiáng)烈。精密加工和精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展中，如果不能將振動(dòng)控制在允許誤差范圍內(nèi)，工作無(wú)法達(dá)到預(yù)期的精度目標(biāo)。城市建筑工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，廣泛采用重載工程機(jī)械，比如起重機(jī)，柔性結(jié)構(gòu)會(huì)引起更大的振動(dòng)，倘不能減振，對(duì)操作安全性和工作效率都是重大挑戰(zhàn)。飛行器和裝甲車(chē)輛通常在惡劣的環(huán)境中工作，對(duì)減振環(huán)節(jié)的要求也日漸增多。工業(yè)生產(chǎn)中流體運(yùn)輸過(guò)程，需要在高速運(yùn)送過(guò)程中保持流體不能飛濺出容器，也需要對(duì)這種流體運(yùn)動(dòng)振動(dòng)提出抑制要求。生產(chǎn)生活中冰箱、打印機(jī)、硬盤(pán)等工作過(guò)程也對(duì)振動(dòng)抑制有要求。生產(chǎn)實(shí)踐常識(shí)表明參考命令經(jīng)過(guò)光滑后再作用在機(jī)器上可以消除振動(dòng)和沖擊，可以提高精度、操作安全性和工作效率。但并非任意光滑函數(shù)都可以有效地消除沖擊和振動(dòng)。光滑函數(shù)需要依據(jù)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的系統(tǒng)特性來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要具有較好的魯棒性和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)要求，以滿足生產(chǎn)生活實(shí)踐需要。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的主要方法S曲線、凸輪曲線、input shaping和閉環(huán)反饋控制。S曲線在數(shù)控系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。它具有低通濾波特性，利用低通濾波特性消除振動(dòng)。S曲線優(yōu)點(diǎn)是不需要系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程未知的高階復(fù)雜系統(tǒng)有較好應(yīng)用前景。但是當(dāng)系統(tǒng)固有頻率在實(shí)際操作中經(jīng)常發(fā)生變化的情況，比如具有柔性結(jié)構(gòu)，此時(shí)S曲線對(duì)頻率誤差變得較為敏感，具有較差的魯棒性。利用凸輪多項(xiàng)式構(gòu)造凸輪函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)，可以有效的消除高頻段的振動(dòng)，也具有低通濾波的特性，但是具有較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和較差的魯棒性。美國(guó)專(zhuān)利4916635和5638267授權(quán)的Input shaping技術(shù)，不是利用光滑函數(shù)原理實(shí)現(xiàn)機(jī)器驅(qū)動(dòng)，它是將輸入命令與一系列脈沖的離散卷積來(lái)構(gòu)造整形后的命令驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)。離散卷積構(gòu)造的整形器被稱(chēng)作input shaper,目前比較常用的input shaper有ZVDshaper、EI shaper和SI shaper。成功的應(yīng)用在橋吊、塔吊、輪式起重機(jī)、船吊、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、航天器、機(jī)械手和線性步進(jìn)馬達(dá)的振動(dòng)控制。input shaping構(gòu)造的整形后命令一般不連續(xù)，在邊界附近可能出現(xiàn)較大的加速度，容易對(duì)機(jī)器產(chǎn)生沖擊。比較常用的實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的反饋控制方法包括線性控制、自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制、非線性控制等?；驹O(shè)計(jì)思路是對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)增加阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制目的。反饋控制成功應(yīng)用于橋吊、懸臂式吊車(chē)、船載吊車(chē)和集裝箱吊車(chē)。人的操作實(shí)質(zhì)上也是一種反饋過(guò)程，反饋控制器會(huì)與操作者之間的操作過(guò)程發(fā)生沖突。如果選擇低權(quán)限反饋控制器將不會(huì)干擾人操作，但是振動(dòng)控制效果較差。另外某些物理過(guò)程很難對(duì)負(fù)載振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，限制了反饋控制實(shí)際使用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明提出使用光滑器設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)方面是提供了動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制的方法。將輸入信號(hào)直接作用在動(dòng)態(tài)物理過(guò)程會(huì)引起振動(dòng)。本發(fā)明提供兩種設(shè)計(jì)思路的光滑器公式。將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)光滑器處理后，光滑命令驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程可以將振動(dòng)抑制到最小程度。所提供的光滑器具有強(qiáng)魯棒性，可以應(yīng)用在物理過(guò)程參數(shù)不確定的領(lǐng)域。在保證魯棒性要求的同時(shí)還具有調(diào)節(jié)時(shí)間最優(yōu)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種動(dòng)態(tài)物理過(guò)程振動(dòng)抑制的系統(tǒng)，包括輸入模塊、計(jì)算模塊和輸出模塊。其中，該輸入模塊包括模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)采集裝置，功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；計(jì)算模塊，連接到采集模塊，用于將采集到的輸入信號(hào)根據(jù)所提供的方法進(jìn)行光滑處理。輸出模塊，連接到計(jì)算模塊，用于將光滑處理后的光滑信號(hào)驅(qū)動(dòng)物理過(guò)程運(yùn)動(dòng)，包括模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)輸出裝置、功率放大裝置。本發(fā)明可以有效的對(duì)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以在保證振動(dòng)抑制目的的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程效率最優(yōu)。


圖1示光滑器使用前后振動(dòng)效果對(duì)比示圖；圖2示光滑處理過(guò)程圖；圖3示第一種光滑器固有頻率敏感曲線圖；圖4示第一種光滑器阻尼系數(shù)敏感曲線圖；圖5示第一種光滑器和第二種光滑器敏感曲線對(duì)比圖；圖6示第二種光滑器固有頻率敏感曲線圖；圖7示根據(jù)本發(fā)明的振動(dòng)抑制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖8示應(yīng)用例分布質(zhì)量負(fù)載雙擺橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型框圖；圖9示應(yīng)用例驅(qū)動(dòng)距離和負(fù)載質(zhì)量變化時(shí)光滑器振蕩抑制仿真圖；圖10示應(yīng)用例吊鉤質(zhì)量和第2級(jí)擺長(zhǎng)變化時(shí)光滑器振蕩抑制仿真圖；圖11示應(yīng)用例負(fù)載長(zhǎng)度和第I級(jí)擺長(zhǎng)變化時(shí)光滑器振蕩抑制仿真圖；圖12示應(yīng)用例分布質(zhì)量負(fù)載雙擺橋式起重機(jī)光滑器吊鉤振動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)圖；圖13示應(yīng)用例分布質(zhì)量負(fù)載雙擺橋式起重機(jī)光滑器負(fù)載振動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)圖。如圖所示，為了能明確實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在圖中標(biāo)注了特定的結(jié)構(gòu)和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定結(jié)構(gòu)、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以將這些器件和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整或者修改，所進(jìn)行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權(quán)利要求的范圍中。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的動(dòng)態(tài)物理過(guò)程振動(dòng)抑制的方法和系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個(gè)不同的方面，然而，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，可以?xún)H僅利用本發(fā)明的一些或者全部結(jié)構(gòu)或者流程來(lái)實(shí)施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數(shù)目、配置和順序，但是很明顯，在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下也可以實(shí)施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對(duì)于一些眾所周知的特征將不再進(jìn)行詳細(xì)闡述。首先給出光滑器設(shè)計(jì)的主要推導(dǎo)過(guò)程和設(shè)計(jì)依據(jù)。很多物理過(guò)程都可以簡(jiǎn)化為一個(gè)二階系統(tǒng)表示
權(quán)利要求
1.動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制方法，包括 步驟10、將命令信號(hào)輸入光滑器進(jìn)行光滑處理。步驟20、依據(jù)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的系統(tǒng)特性來(lái)進(jìn)行光滑器設(shè)計(jì)，以保證光滑命令與動(dòng)態(tài)物理過(guò)程最優(yōu)匹配。使用系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)光滑器，光滑器是分段連續(xù)函數(shù)。步驟30、經(jīng)過(guò)光滑器處理后的光滑命令，驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程運(yùn)動(dòng)，將振動(dòng)抑制到最小程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟20還包括，所述光滑器設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括 根據(jù)實(shí)際物理過(guò)程對(duì)振動(dòng)抑制魯棒性要求，獲取對(duì)固有頻率和阻尼系數(shù)的不敏感范圍要求； 根據(jù)固有頻率和阻尼系數(shù)的不敏感范圍要求，獲取滿足要求的光滑器結(jié)構(gòu)冪次數(shù)η的最小值。
光滑器設(shè)計(jì)是在保證振動(dòng)抑制魯棒性要求前提下的最小調(diào)節(jié)時(shí)間方案。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括 某些物理過(guò)程可以近似被認(rèn)為是零阻尼系統(tǒng)，此種近似情況下對(duì)應(yīng)的光滑器傳遞函數(shù)
5.針對(duì)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制問(wèn)題，提供另外一種設(shè)計(jì)方法，包括 步驟10、將命令信號(hào)輸入光滑器進(jìn)行光滑處理。
步驟20、依據(jù)將振動(dòng)控制在某一段可接受的范圍內(nèi)就能滿足需要來(lái)進(jìn)行光滑器設(shè)計(jì)，在不保證絕對(duì)零振動(dòng)的前提下可以設(shè)計(jì)出魯棒性更好的方案。使用系統(tǒng)固有頻率、阻尼系數(shù)和允許振動(dòng)最大幅值來(lái)設(shè)計(jì)光滑器，光滑器是分段連續(xù)函數(shù)。
步驟30、經(jīng)過(guò)光滑器處理后的光滑命令，驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程，將振動(dòng)抑制到最小程度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中步驟20還包括，所述可允許振動(dòng)范圍的光滑器設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù)
7.根據(jù)權(quán)利要求5所提出的設(shè)計(jì)思路，在權(quán)利要求6所提供的光滑器基礎(chǔ)上，將經(jīng)過(guò)比例因子修正結(jié)構(gòu)的冪次增大，可以得到魯棒性極強(qiáng)的光滑器
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括 某些物理過(guò)程可以近似被認(rèn)為是零阻尼系統(tǒng)，此種近似情況下對(duì)應(yīng)的光滑器傳遞函數(shù)
9.動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制系統(tǒng)，使用電氣電子設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。包括輸入模塊、計(jì)算模塊和輸出模塊； 其中，該輸入模塊包括模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)采集裝置，功能是對(duì)操作者通過(guò)手柄或按鈕發(fā)出的輸入命令進(jìn)行采集； 計(jì)算模塊，連接到采集模塊，用于將采集到的輸入信號(hào)根據(jù)所提供的光滑器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為光滑命令輸出，其中光滑器設(shè)計(jì)公式為權(quán)利要求2，4，6，7，8所提供； 輸出模塊，連接到計(jì)算模塊，用于將光滑處理后的光滑信號(hào)驅(qū)動(dòng)物理過(guò)程運(yùn)動(dòng)，包括模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)輸出裝置、功率放大裝置。
10.動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制系統(tǒng)，也可以使用機(jī)械設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)，使用權(quán)利要求2，.4，6，7，8提供公式設(shè)計(jì)機(jī)械零件輪廓，或使用權(quán)利要求2，4，6，7，8提供公式對(duì)原有輪廓進(jìn)行修正，同樣達(dá)到振動(dòng)抑制的目的。
全文摘要
本申請(qǐng)?zhí)峁?duì)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的振動(dòng)抑制方法和系統(tǒng)。任意驅(qū)動(dòng)物理過(guò)程運(yùn)動(dòng)的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)光滑器處理后，產(chǎn)生的光滑命令都可以將振動(dòng)控制到最小程度。提供兩種不同設(shè)計(jì)思路的光滑器設(shè)計(jì)方法第一種直接使用動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的系統(tǒng)特性來(lái)設(shè)計(jì)光滑器，當(dāng)固有頻率和阻尼系數(shù)完全準(zhǔn)確時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零振動(dòng)。第二種是將振動(dòng)控制在某一個(gè)可接受的范圍內(nèi)，是在第一種設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上使用允許振動(dòng)最大幅值限制的比例因子對(duì)光滑器修正后使用。所提出的光滑器具有強(qiáng)魯棒性，可以應(yīng)用到物理過(guò)程參數(shù)不確定的領(lǐng)域。所設(shè)計(jì)的光滑器在保證振動(dòng)控制魯棒性要求的基礎(chǔ)上，具有調(diào)節(jié)時(shí)間最優(yōu)特性，即是在保證振動(dòng)控制性能基礎(chǔ)上工作效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
文檔編號(hào)G05D19/02GK103034253SQ201210507110
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者黃杰 申請(qǐng)人:黃杰