相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2009年5月1日提交的第61/174756號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開總體涉及電磁材料測(cè)試系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及反饋控制器參數(shù)生成和初始控制器穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

總體而言，在一些方面，通過向控制系統(tǒng)輸入具有預(yù)定波形的測(cè)試信號(hào)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)材料測(cè)試系統(tǒng)的輸出以及將輸出與閾值進(jìn)行自動(dòng)比較來確認(rèn)使用指定濾波器參數(shù)的材料測(cè)試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果輸出超過閾值，則采取第一動(dòng)作。如果輸出未超過閾值，則允許向控制系統(tǒng)輸入命令信號(hào)。

一些實(shí)現(xiàn)方式可以包括如下特征中的一個(gè)或多個(gè)。測(cè)試信號(hào)包括以命令信號(hào)的平均位置為中心的兩個(gè)方波。方波的頻率為1Hz。測(cè)試信號(hào)包括命令信號(hào)的衰減版本。測(cè)試信號(hào)包括命令信號(hào)的低頻版本。測(cè)試信號(hào)包括與命令信號(hào)的波形匹配并且具有命令信號(hào)幅度的95％的幅度的波形。閾值隨側(cè)測(cè)試信號(hào)而變化。閾值是測(cè)試信號(hào)幅度的百分比。測(cè)試信號(hào)包括命令信號(hào)的低頻和稍微衰減版本與小幅高頻信號(hào)的組合。采取第一動(dòng)作包括停止控制系統(tǒng)的操作。采取第一動(dòng)作包括確定材料測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、計(jì)算用于控制系統(tǒng)的濾波器的參數(shù)、向?yàn)V波器中加載計(jì)算的參數(shù)、以及重復(fù)穩(wěn)定性測(cè)試。計(jì)算參數(shù)包括將傳遞函數(shù)與濾波器進(jìn)行卷積以產(chǎn)生參數(shù)。

總體而言，在一些方面，通過生成隨機(jī)噪聲信號(hào)、向隨機(jī)噪聲信號(hào)應(yīng)用低通濾波器以生成第一濾波信號(hào)、向第一濾波信號(hào)應(yīng)用高通濾波器以生成第二濾波信號(hào)、將第二濾波信號(hào)疊加到正弦波形上以生成參考測(cè)試波形、將參考測(cè)試波形應(yīng)用到待測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量待測(cè)系統(tǒng)的輸出、確定待測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、以及將傳遞函數(shù)與濾波器進(jìn)行卷積以生成濾波器參數(shù)，來確定控制系統(tǒng)的濾波器參數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)包括在完全實(shí)施控制器之前確認(rèn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而防止對(duì)系統(tǒng)或樣品的可能損害。

根據(jù)說明書和權(quán)利要求書，其他一些特征和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。

附圖說明

圖1顯示了電磁材料測(cè)試系統(tǒng)的框圖。

圖2顯示了針對(duì)在電磁材料測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試的各種樣品的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的圖。

圖3A、圖3B和圖5A和圖5B顯示了流程圖。

圖4顯示了用于電磁材料測(cè)試系統(tǒng)的控制器的框圖。

具體實(shí)施方式

電磁電機(jī)可以用于材料和設(shè)備測(cè)試。這些測(cè)試包括靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試這兩者。這樣的設(shè)備的示例包括來自位于Eden Prairie，MN的Bose公司的ElectroForce系統(tǒng)組的3000系列的測(cè)試工具，并且這樣的設(shè)備的示例在于2002年6月18日授權(quán)的第6,405,599號(hào)美國(guó)專利中描述，并且通過引用將所述專利并入于此。

材料測(cè)試系統(tǒng)通常利用反饋控制器以修改系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，從而使得輸出可以跟隨在期望輸入之后。潛在的輸入信號(hào)包括位移、負(fù)載、應(yīng)變等等。在圖1中示意性顯示了示例系統(tǒng)100，其中反饋控制器110耦合到電機(jī)組件120和負(fù)載單元130，待測(cè)設(shè)備140位于電機(jī)組件120和負(fù)載單元130之間。

不像許多基于液壓或基于絲杠(leadscrew)的測(cè)試系統(tǒng)，在基于電磁的測(cè)試系統(tǒng)中，待測(cè)樣品的特性顯著影響測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。為了確保反饋控制器穩(wěn)定并且提供足夠的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，需要基于待測(cè)樣品的特性來調(diào)整反饋回路補(bǔ)償器的參數(shù)。

在許多示例中，反饋補(bǔ)償器基于PID(比例、積分、微分)類型的補(bǔ)償，其中三個(gè)平行濾波器每個(gè)均影響控制信號(hào)。在一般的情形中，對(duì)這三個(gè)濾波器的輸入是通過從期望的輸入信號(hào)中減去基于輸出的測(cè)量的反饋信號(hào)而生成的誤差信號(hào)。對(duì)于電磁測(cè)試系統(tǒng)而言，使用反饋信號(hào)本身作為微分濾波器的輸入經(jīng)常是有益的，這是因?yàn)檫@可以被用于增加系統(tǒng)的阻尼。還可以使用其他類型的控制，諸如基于系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型的時(shí)域控制、線性控制器、超前-滯后(lead-lag)控制器、或模糊邏輯控制器。

在一些電磁測(cè)試系統(tǒng)中，樣品顯著影響系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，如圖2所示。線202a/b、204a/b和206a/b顯示了三種不同樣品的位移測(cè)試的幅度和相位，而線208a/b、210a/b和212a/b顯示了三種不同的彈簧的力測(cè)試的幅度(a)和相位(b)。當(dāng)樣品如此地影響系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)時(shí)，必須針對(duì)各個(gè)待測(cè)樣品修改控制器的參數(shù)，諸如PID控制器中的比例、積分和微分濾波器的增益。

在一些示例中，確定在反饋回路補(bǔ)償器中使用的參數(shù)的過程被自動(dòng)化。為了自動(dòng)確定該參數(shù)，必須標(biāo)識(shí)測(cè)試機(jī)器和待測(cè)樣品的組合的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。這可以使用熟知的系統(tǒng)標(biāo)識(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)標(biāo)識(shí)的輸出是系統(tǒng)的頻域表示。期望該表示具有足夠分辨率以標(biāo)識(shí)控制系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的所有動(dòng)力學(xué)。圖3A顯示了用于確定反饋參數(shù)的過程300的一般表示。如下所示地，生成(302)參考測(cè)試信號(hào)，并將該參考測(cè)試信號(hào)應(yīng)用(304)到測(cè)試系統(tǒng)。材料測(cè)試系統(tǒng)的反饋(輸出)信號(hào)可以包括位移、力、約束、加速、壓力等等。測(cè)量(306)輸出并且使用傅里葉方法處理參考和輸出信號(hào)的時(shí)間歷史數(shù)據(jù)以確定(308)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。如下所述，通過將控制器的濾波器與所測(cè)量的傳遞函數(shù)進(jìn)行卷積來計(jì)算(310)反饋控制器參數(shù)。繼而存儲(chǔ)或輸出(312)控制參數(shù)以供測(cè)試中使用。

由于由待測(cè)樣品可能導(dǎo)致的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的顯著變化，所以參考信號(hào)通常是電壓或電流，并且使用在開環(huán)配置中操作的控制器來執(zhí)行系統(tǒng)標(biāo)識(shí)。參考信號(hào)應(yīng)該被設(shè)計(jì)為包含與用作測(cè)試期間的輸入的信號(hào)的頻率和帶寬一致的頻率內(nèi)容?？梢允褂秒S機(jī)、線性調(diào)頻(chirp)、脈沖、或掃描正弦信號(hào)或信號(hào)的組合來設(shè)計(jì)該參考信號(hào)。

在一些示例中，參考測(cè)試信號(hào)320是疊加在諸如2Hz正弦波之類的小幅低頻載波324上的經(jīng)濾波的隨機(jī)噪聲信號(hào)322，并且如圖3B所示地生成(302)參考測(cè)試信號(hào)320。用于隨機(jī)分量的濾波器參數(shù)可以基于由信號(hào)控制的電機(jī)的性質(zhì)。在一些示例中，若干電機(jī)類型中的每一種具有用于使隨機(jī)波形成形的唯一的高通濾波器和低通濾波器?？梢赃x擇高通拐角頻率為高于系統(tǒng)的自由空間諧振的頻率。在圖3的示例中，噪聲信號(hào)322在被疊加到載波324上之前通過低通濾波器326和高通濾波器328，從而生成中間波形330和332。測(cè)試信號(hào)320的組合幅度被設(shè)計(jì)為低于預(yù)期的命令波形幅度。在一些示例中，測(cè)試信號(hào)的幅度被限制為低于電機(jī)或傳感器容量的10％。這樣的設(shè)置是特定于電機(jī)的并且為測(cè)試設(shè)備的特定組合而定制。經(jīng)濾波的隨機(jī)噪聲測(cè)試信號(hào)320覆蓋在測(cè)試中所見的頻率的完整帶寬，從而為確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)提供良好基礎(chǔ)。

在圖4中顯示了示例反饋控制器400。輸入命令信號(hào)402與負(fù)反饋信號(hào)相加并隨后通過陷波濾波器404。陷波濾波器被用于最小化無法使用微分內(nèi)回路最小化的諧振的增益，并且陷波濾波器由濾波器參數(shù)N表征。測(cè)試信號(hào)被提供給比例控制塊406和積分控制塊408。差分控制塊410直接采用反饋信號(hào)作為其輸入。P、I和D控制輸出被相加(其中D被反向)以形成經(jīng)更新的測(cè)試控制信號(hào)，該測(cè)試控制信號(hào)可以在數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D2A)412中被轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)。模擬控制信號(hào)在被提供給測(cè)試設(shè)備416之前，在具有電流反饋的跨導(dǎo)放大器414中被放大。組合的測(cè)試機(jī)制和樣品系統(tǒng)由單個(gè)傳遞函數(shù)G表示。具有傳遞函數(shù)H的傳感器418提供反饋信號(hào)給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A2D)420。在圖4中表示的單獨(dú)的塊僅為示例，并且每個(gè)塊可以由包括硬件和軟件的許多方式實(shí)施，并且可以被實(shí)施為分立組件/步驟或集成在各種組合中。例如，傳感器418可以具有數(shù)字輸出，從而消除對(duì)A2D轉(zhuǎn)換器420的需求。

通過將控制器的濾波器與測(cè)量的傳遞函數(shù)進(jìn)行卷積來計(jì)算反饋控制器參數(shù)N、P、I和D。對(duì)控制器的參數(shù)的增益值的確定包括平衡各種規(guī)定。這些規(guī)定可以包括增益和相位余量、時(shí)域規(guī)定、功率規(guī)定、帶寬、抗干擾規(guī)定等等。規(guī)定用于保護(hù)樣品和測(cè)試設(shè)備免遭諸如超過系統(tǒng)能力或?qū)?dǎo)致待測(cè)設(shè)備的毀壞性操縱的值(假設(shè)這并非測(cè)試目的)之類的不合適的輸入值的損害以及用于其他目的。

在系統(tǒng)標(biāo)識(shí)和參數(shù)確定過程期間可能出現(xiàn)誤差。誤差可以例如由樣品中的非線性、樣品或測(cè)試系統(tǒng)中的摩擦、或傳感器噪聲等等而導(dǎo)致。這樣的誤差可以導(dǎo)致傳遞函數(shù)增益和相位的不正確估算，這可以繼而導(dǎo)致不正確的控制器參數(shù)的計(jì)算。在不正確參數(shù)的情況下，當(dāng)控制器在閉環(huán)配置中操作時(shí)，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。如果允許系統(tǒng)以不穩(wěn)定的控制器配置操作，則樣品很可能被損害，并且還可能損害機(jī)器的元件。

如圖5所示，在允許系統(tǒng)實(shí)施計(jì)算的參數(shù)和執(zhí)行正常測(cè)試之前，自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施穩(wěn)定性檢查。在穩(wěn)定性檢查過程500中，加載(502)計(jì)算的參數(shù)，并且允許系統(tǒng)開始操作。然而，在反饋通道上放置(504)約束。這些可以例如包括約束針對(duì)反饋通道的最大值和最小值。將閾值設(shè)置成如果超過這些閾值中的任何閾值，則中斷機(jī)器操作。在將命令波形作為輸入應(yīng)用到控制器之前，應(yīng)用(506)穩(wěn)定性測(cè)試波形，并且自動(dòng)地監(jiān)測(cè)(508)產(chǎn)生的操作。如果不超過任何閾值，則系統(tǒng)被視為是穩(wěn)定的并且允許(512)正常測(cè)試。如果超過閾值，則阻止(514)正常操作。一種在已超過閾值的情形下停止測(cè)試系統(tǒng)的方法是立即切換至測(cè)試波形的平均值處的開環(huán)模式。對(duì)該方法的又一改進(jìn)是還切換到使用微分濾波器的控制器模式中。這將最小化可能隨不穩(wěn)定控制器發(fā)生的振蕩。

在一些示例中，如果系統(tǒng)沒有通過閾值測(cè)試，則基于穩(wěn)定性測(cè)試波形重新估算系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。如圖5B所示，當(dāng)在修改過程500b中超過(508)閾值時(shí)，重新估算系統(tǒng)傳遞函數(shù)并且確定(520)新的傳遞函數(shù)，并且計(jì)算(522)新的控制器參數(shù)?？梢匀缜八鐾ㄟ^將新的傳遞函數(shù)與濾波器進(jìn)行卷積來確定新的控制器參數(shù)。向穩(wěn)定性測(cè)試過程提供這些新的控制器參數(shù)，并且重復(fù)測(cè)試。一旦系統(tǒng)收斂到穩(wěn)定的參數(shù)集合，則響應(yīng)將在閾值內(nèi)并且可以應(yīng)用(512)命令波形。

在一些示例中，穩(wěn)定性測(cè)試波形采用兩個(gè)1Hz的方波的形式，該方波以期望的命令波形的平均位置為中心。方波是通常為期望命令波形的幅度的5％的小幅度類型。對(duì)于小的命令波形而言，穩(wěn)定性測(cè)試波形幅度將是更大的百分比，但是在絕對(duì)值上仍是比命令波形幅度小。

在一些示例中，穩(wěn)定性測(cè)試波形采取期望的命令波形的衰減的或低頻版本的形式，并且誤差閾值可以隨著測(cè)試信號(hào)變化。例如，峰值幅度為所請(qǐng)求的幅度的95％的慢(例如，0.5Hz)三角或正弦波可以被用作測(cè)試輸入，并且誤差閾值追蹤整個(gè)波中的每個(gè)期望波形點(diǎn)的+/-5％。這樣的慢測(cè)試波形可以幫助確認(rèn)如經(jīng)常假定的那樣包括樣品的測(cè)試系統(tǒng)具有線性響應(yīng)。相比于控制輸入波形，可以基于樣品的性質(zhì)來設(shè)置測(cè)試波形的衰減值，例如正被測(cè)試的較弱的材料可以使用期望命令信號(hào)的僅80％，而已知為健壯的樣品可以使用與期望的命令信號(hào)的幅度相匹配的完整強(qiáng)度測(cè)試信號(hào)。

在一些示例中，測(cè)試系統(tǒng)向用戶輸出測(cè)試被停止的原因。即，它可以輸出哪個(gè)閾值被超出，并且如果已知，則可以輸出輸入信號(hào)的什么控制參數(shù)或什么方面導(dǎo)致系統(tǒng)超出該閾值。

在一些示例中，穩(wěn)定性測(cè)試波形是上述的大幅低頻波形與較小和較高頻率信號(hào)(諸如方波、線性調(diào)頻波形或噪聲波形)的組合。在較低頻率載波波形上疊加較高頻率信號(hào)可以產(chǎn)生在可能非線性的樣品特性上的全頻帶穩(wěn)定性的確認(rèn)。

其他一些實(shí)施方式在本申請(qǐng)人可以獲得權(quán)利的下列權(quán)利要求和其他權(quán)利要求的范圍內(nèi)。