[发明专利]一种基于控制系统的频率响应特性测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制领域，更具体地说，涉及一种基于控制系统的频率响应特性测试系统及方法。

背景技术

伺服控制系统的参数调整往往需要兼顾系统的快速性和稳定性，但是实际上却很少有工具来检测伺服控制系统的快速性以及稳定性。频率响应法是经典控制理论里的核心分析方法，从控制系统开环频率响应特性可以得到系统剪切频率、稳定性、稳定裕度、谐振频率等重要信息，这些重要信息表征了控制系统的快速性和稳定性。经典控制理论还提供了一系列根据控制系统开环频率响应特性对系统进行校正的理论依据，了解控制系统各子模块的频率响应特性对于系统校正至关重要。

目前，为获得伺服控制系统的闭环频率响应特性，通常采用频率特性测试仪或是通过正弦波扫频实验的方式近似测得系统闭环频率响应特性。然而，在使用频率特性测试仪进行测试时，需要接口支持，且一般只能测得控制系统的闭环频率响应特性；正弦波扫频实验方式则耗时耗力，效率低下，且只能测得系统闭环频率响应特性。

如图1所示，是现有的典型闭环控制系统的原理图，其可以分为三个子模块：控制器、对象模型、反馈通道。其典型的闭环控制系统的结构框图如图2所示，其中，C(s)表示控制器的传递函数，G(s)表示对象模型的传递函数，H(s)表示反馈通道的传递函数。相应的，C(jω)表示控制器的频率响应特性，G(jω)表示对象模型的频率响应特性，H(jω)表示反馈通道的频率响应特性。对于上述典型闭环控制系统，其开环传递函数可表示为CGH(s)，相应的，其开环频率响应特性可以表示为CGH(jω)。

频率响应特性由幅频特性和相频特性组成，对应于上述典型控制系统，频率响应特性可以分别表示为：

其中，A_C(ω)表示控制器幅频特性，表示控制器相频特性，A_G(ω)表示对象模型幅频特性，表示对象模型相频特性，A_H(ω)表示反馈通道幅频特性，表示反馈通道相频特性，A_CGH(ω)表示系统开环幅频特性，表示系统开环相频特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的频率响应特性测试需接口支持、费时费力，且无法获得开环频率响应特性的问题，提供一种基于控制系统的频率响应特性测试系统及方法。

本发明解决上述技术问题，提供如下解决的技术方案：一种基于控制系统的频率响应特性测试系统，包括第一减法器、对象模型、反馈通道，该系统还包括虚拟控制器、激励信号发生模块、第二减法器、控制器以及频率响应特性计算模块，其中：

所述激励信号发生模块，用于向第二减法器输出第一激励信号，同时向控制器输出第二激励信号；

所述虚拟控制器，用于根据第一减法器输出的误差信号与虚拟控制器参数结合生成第一控制信号并将该第一控制信号输出到第二减法器；

所述第二减法器，用于根据第一激励信号和第一控制信号生成第二控制信号并传输给对象模型；

所述控制器，用于根据第二激励信号与控制器参数生成第三控制信号，并将第三控制信号输出到频率响应特性计算模块；

所述频率响应特性计算模块，用于根据第二激励信号、第三控制信号、反馈通道的反馈信号、第二减法器的第二控制信号以及对象模型的输出信号，分别计算出控制系统各部分频率响应特性以及控制系统开环频率响应特性。

在本发明的基于控制系统的频率响应特性测试系统中，所述频率响应特性计算模块包括：

信号采样模块，用于采集第二激励信号、第三控制信号、反馈信号、第二控制信号以及输出信号；

控制系统各部分频率响应特性计算模块，用于根据采集的第二激励信号、第三控制信号、反馈信号、第二控制信号以及输出信号计算获得所述控制系统的控制器频率响应特性、对象模型频率响应特性、反馈通道频率响应特性；

控制系统开环频率响应特性计算模块，用于根据所述控制器频率响应特性、对象模型频率响应特性、反馈通道频率响应特性计算获得控制系统开环频率响应特性。

在本发明的基于控制系统的频率响应特性测试系统中，所述第一激励信号为幅值可调、频率随时间变化的正弦信号，且该第一激励信号的起始频率和终止频率根据所述对象模型提供的被测信号的频率范围设定。

在本发明的基于控制系统的频率响应特性测试系统中，所述第二激励信号为由N级线性反馈移位寄存器产生的周期性序列信号，且该第二激励信号的频率输出范围通过移位时钟和反馈级数N的值调整；所述N为正整数。