[发明专利]一种基于二阶陷波滤波器的精确调试方法及系统

权利要求书

1.一种基于二阶陷波滤波器的精确调试方法，其特征在于：

所述方法步骤如下：

(1)根据二阶陷波滤波器的调试对象的谐振频率和待校正的频率范围，确定二阶陷波滤波器的陷波中心频率ω₀、起始频率ω₁、终止频率ω₂；步骤(1)根据二阶陷波滤波器的调试对象的谐振频率和待校正的频率范围，确定二阶陷波滤波器的陷波中心频率点ω₀、起始频率ω₁、终止频率ω₂，采用数学仿真或扫频试验获得；

(2)根据二阶陷波滤波器的调试对象的谐振峰值，确定二阶陷波滤波器的陷波深度D；陷波深度D和陷波带宽B对调试对象的影响情况为：陷波深度D越深，陷波中心频率处的幅值越小，但陷波中心频率前的幅值会有所抬高，而陷波宽度B加宽能够改善陷波中心频率前的幅值抬高的影响程度；步骤(2)中陷波深度D取值在-3dB以下，分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂有效；

(3)根据起始频率ω₁、终止频率ω₂，确定二阶陷波滤波器的陷波带宽B；公式如下：

B＝|ω₂-ω₁|；

(4)根据步骤(1)的陷波中心频率点ω₀、步骤(2)的陷波深度D和步骤(3)的陷波带宽B，计算二阶陷波滤波器的分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂；

步骤(4)根据步骤(1)的陷波中心频率点ω₀、步骤(2)的陷波深度D和步骤(3)的带宽B，确定二阶陷波滤波器的分子阻尼系数ξ₁，公式如下：

步骤(4)根据步骤(1)的陷波中心频率点ω₀、步骤(2)的陷波深度D和步骤(3)的带宽B，确定二阶陷波滤波器的分母阻尼系数ξ₂，公式如下：

(5)根据步骤(1)的陷波中心频率点ω₀，步骤(4)的二阶陷波滤波器的分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂，建立二阶陷波滤波器的数学模型；步骤(5)的二阶陷波滤波器的数学模型N(s)如下：

(6)根据步骤(5)获得的数学模型，对调试对象进行频率特性的调试，得到调试结果；

还包括步骤(7)对步骤(6)的调试结果进行判断，若调试结果与指标要求仍有差距，依据差距情况适当调整陷波深度D和陷波带宽B，重复步骤(4)、(5)、(6)，建立新的二阶陷波滤波器的数学模型再次进行调试，直至达到指标要求；

对机电伺服系统的调试步骤如下：

使机电伺服系统为单位置闭环状态，仅采用单比例控制算法，通过扫频试验，得到位置伺服系统初始的频率特性曲线，理想的伺服系统动态特性应为：实测幅值特性曲线应在对应的性能指标曲线以下，实测相位特性曲线应在对应的性能指标曲线以上；通过对初始的频率特性曲线进行分析，可知伺服系统的谐振频率为10Hz，谐振峰值为10dB，距“不大于4dB”的指标差距明显；在3Hz时系统的幅值已开始抬升；据此可确定二阶陷波滤波器的陷波中心频率ω₀＝10Hz，起始频率ω₁＝3Hz，终止频率ω₂的确定原则为：以谐振频率为中心，与起始频率ω₁对称取值，即ω₂＝(10+7)Hz＝17Hz；

根据位置伺服系统的谐振峰值(10dB)，据此可取陷波深度D必谐振峰值稍大一些，初始陷波深度D＝-11dB；

根据位置伺服系统待校正的起始频率ω₁和终止频率ω₂，可确定二阶陷波滤波器的初始陷波带宽

B＝|ω₂-ω₁|＝|17-3|＝14Hz

根据陷波中心频率ω₀、陷波深度D、陷波带宽B，计算初始的二阶陷波滤波器的初始分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂

根据陷波中心频率ω₀、分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂，建立二阶陷波滤波器的数学模型

将建立的陷波滤波器应用到机电伺服系统中，即将设计的陷波滤波器进行离散处理后，加到伺服控制器单元的控制算法中，进行扫频试验；扫频试验结束后得到调试后的频率特性曲线，确认频率特性与技术指标的符合性，陷波中心频率处(10Hz处)的幅值已由10dB降为1dB，但在8Hz处的幅值稍有超差，指标要求不大于3dB，实际为3.5dB；

根据调试结果，还需要对二阶陷波滤波器的特性参数进行适当调整；因谐振峰值前移，为了增强陷波器在陷波频率点附近的作用范围，可将陷波带宽B提高，逐渐增加到21Hz，其他特性参数不变，重新确定分子阻尼系数ξ₁、分母阻尼系数ξ₂和二阶陷波滤波器的数学模型，并进行扫频试验，扫频结束后确定调试结果，均可满足指标要求；

ξ₁＝0.32，ξ₂＝1.14

2.一种基于二阶陷波滤波器的精确调试系统，其特征在于包括：频率确定模块、陷波深度确定模块、陷波带宽确定模块、阻尼系数确定模块、建模模块、调试模块；

频率确定模块，根据二阶陷波滤波器的调试对象的谐振频率和待校正的频率范围，确定二阶陷波滤波器的陷波中心频率ω₀、起始频率ω₁、终止频率ω₂；根据二阶陷波滤波器的调试对象的谐振频率和待校正的频率范围，确定二阶陷波滤波器的陷波中心频率点ω₀、起始频率ω₁、终止频率ω₂，采用数学仿真或扫频试验获得；

陷波深度确定模块，根据二阶陷波滤波器的调试对象的谐振峰值，确定二阶陷波滤波器的陷波深度D；陷波深度D和陷波带宽B对调试对象的影响情况为：陷波深度D越深，陷波中心频率处的幅值越小，但陷波中心频率前的幅值会有所抬高，而陷波宽度B加宽能够改善陷波中心频率前的幅值抬高的影响程度；步骤(2)中陷波深度D取值在-3dB以下，分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂有效；

陷波带宽确定模块，根据起始频率ω₁、终止频率ω₂，确定二阶陷波滤波器的陷波带宽B；根据起始频率ω₁、终止频率ω₂，确定二阶陷波滤波器的带宽B，公式如下：

B＝|ω₂-ω₁|；

阻尼系数确定模块，根据频率确定模块确定的陷波中心频率点ω₀、陷波深度确定模块确定的陷波深度D和陷波带宽确定模块确定的陷波带宽B，计算二阶陷波滤波器的分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂；

根据陷波中心频率点ω₀、步骤(2)的陷波深度D和带宽B，确定二阶陷波滤波器的分子阻尼系数ξ₁，公式如下：

根据陷波中心频率点ω₀、陷波深度D和步骤(3)的带宽B，确定二阶陷波滤波器的分母阻尼系数ξ₂，公式如下：

建模模块，根据频率确定模块确定的陷波中心频率点ω₀，阻尼系数确定模块的二阶陷波滤波器的分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂，建立二阶陷波滤波器的数学模型；二阶陷波滤波器的数学模型N(s)如下：

调试模块，根据建模模块获得的数学模型，对调试对象进行频率特性的调试，得到调试结果，对调试结果进行判断，若调试结果与指标要求仍有差距，依据差距情况适当调整陷波深度D和陷波带宽B，重复步骤(4)、(5)、(6)，建立新的二阶陷波滤波器的数学模型再次进行调试，直至达到指标要求；

对机电伺服系统的调试步骤如下：

使机电伺服系统为单位置闭环状态，仅采用单比例控制算法，通过扫频试验，得到位置伺服系统初始的频率特性曲线，理想的伺服系统动态特性应为：实测幅值特性曲线应在对应的性能指标曲线以下，实测相位特性曲线应在对应的性能指标曲线以上；通过对初始的频率特性曲线进行分析，可知伺服系统的谐振频率为10Hz，谐振峰值为10dB，距“不大于4dB”的指标差距明显；在3Hz时系统的幅值已开始抬升；据此可确定二阶陷波滤波器的陷波中心频率ω₀＝10Hz，起始频率ω₁＝3Hz，终止频率ω₂的确定原则为：以谐振频率为中心，与起始频率ω₁对称取值，即ω₂＝(10+7)Hz＝17Hz；

根据位置伺服系统的谐振峰值(10dB)，据此可取陷波深度D必谐振峰值稍大一些，初始陷波深度D＝-11dB；

根据位置伺服系统待校正的起始频率ω₁和终止频率ω₂，可确定二阶陷波滤波器的初始陷波带宽

B＝|ω₂-ω₁|＝|17-3|＝14Hz

根据陷波中心频率ω₀、陷波深度D、陷波带宽B，计算初始的二阶陷波滤波器的初始分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂

根据陷波中心频率ω₀、分子阻尼系数ξ₁和分母阻尼系数ξ₂，建立二阶陷波滤波器的数学模型

将建立的陷波滤波器应用到机电伺服系统中，即将设计的陷波滤波器进行离散处理后，加到伺服控制器单元的控制算法中，进行扫频试验；扫频试验结束后得到调试后的频率特性曲线，确认频率特性与技术指标的符合性，陷波中心频率处(10Hz处)的幅值已由10dB降为1dB，但在8Hz处的幅值稍有超差，指标要求不大于3dB，实际为3.5dB；

根据调试结果，还需要对二阶陷波滤波器的特性参数进行适当调整；因谐振峰值前移，为了增强陷波器在陷波频率点附近的作用范围，可将陷波带宽B提高，逐渐增加到21Hz，其他特性参数不变，重新确定分子阻尼系数ξ₁、分母阻尼系数ξ₂和二阶陷波滤波器的数学模型，并进行扫频试验，扫频结束后确定调试结果，均可满足指标要求；

ξ₁＝0.32，ξ₂＝1.14