[发明专利]一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器

说明书

本发明公开了一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器。方法将时域参考加速度通过频域分段处理方法处理后，获得合成参考加速度，对合成参考加速度进行二次积分计算后获得参考位移，利用位移伺服控制方法将参考位移和振动系统硬件的状态反馈信号进行计算得到控制输出电压。应用上述方法的加速度伺服控制器利用加速度频域分段伺服控制方法对时域参考加速度和状态反馈信号进行处理，获得控制输出电压。本发明提高了频率响应函数H的高频成分，提高了加速度功率谱密度控制精度，减少了电液随机振动系统的加速度功率谱密度再现过程时间；控制器中初始状态采样比一般的给初始状态置零的方式减少了加速度伺服控制内环在启动时的时域响应误差。

技术领域

本发明涉及一种加速度伺服控制方法及控制器，尤其是一种加速度频域分段伺服控制方法及控制器。

背景技术

电液随机振动系统被广泛应用于地震模拟试验台、产品疲劳试验机、振动工况模拟试验台等领域。电液随机振动系统以加速度功率谱密度再现能力或者加速度时域随机波形跟踪能力作为其性能评价的重要依据。一般电液随机振动系统的结构如图1所示，根据振动控制器和加速度伺服控制器所在位置可将电液随机振动系统分为由加速度伺服控制器和振动系统硬件组成的加速度伺服控制内环，和由振动控制器和加速度伺服控制内环组成的振动控制外环。电液随机振动系统工作一般流程如下：振动控制器获取振动系统硬件的时域输出加速度ya并将其转化为输出加速度功率谱密度Gya，将输出加速度功率谱密度Gya与参考加速度功率谱密度GRa进行比较，通过功率谱均衡与时域随机信号生成计算得到时域参考加速度Ra，加速度伺服控制器依次对时域参考加速度Ra进行第零高通滤波HPF0和二次积分运算后，结合状态反馈信号通过位移伺服控制方法计算得到控制输出电压u，控制输出电压u对振动系统硬件进行控制产生时域输出加速度ya。

加速度伺服控制内环的原理是通过控制使得时域输出加速度ya精确追踪时域参考加速度Ra，来实现输出加速度功率谱密度Gya接近或者等于参考加速度功率谱密度GRa的目的。无振动控制器参与控制时，参考加速度功率谱密度GRa就是时域参考加速度Ra的功率谱密度，此时输出加速度功率谱密度Gya与参考加速度功率谱密度GRa越接近，说明加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度越高。加速度伺服控制内环一般看作线性系统，其输出加速度功率谱密度Gya和参考加速度功率谱密度GRa有如下关系：Gya＝|H|²×GRa，其中H是加速度伺服控制内环的频率响应函数，可知当频率响应函数H越接近于1，加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度就越高。

实际上，由于振动系统硬件固有频率特性的影响，频率响应函数H是一个类似于低通滤波器的函数，这就导致高频段输出加速度功率谱密度Gya常常不能完全与参考加速度功率谱密度GRa相等，因此要想提高加速度伺服控制内环的功率谱密度控制精度，必须想办法提高频率响应函数H的高频成分。此外，一般振动系统硬件的执行器位移不允许超过工作行程范围，所以加速度伺服控制器不能对振动系统硬件进行直接加速度伺服控制，需要通过位移伺服控制以间接达到加速度伺服控制的目的。一般加速度伺服控制器中第零高通滤波HPF0的作用是滤除时域参考加速度Ra中的低频成分(常常是5Hz以下的低频成分)。加速度伺服控制器中的位移伺服控制方法常采用PID控制和三参量控制，其它常用方法还包括非线性最优控制和状态反馈控制等。

引入振动控制器解决了加速度伺服控制内环不能完全满足加速度功率谱密度再现问题。振动控制器可以在有限的加速度功率谱密度振动控制计算次数内，使得加速度伺服控制内环的输出加速度功率谱密度Gya接近或者等于参考加速度功率谱密度GRa。但是振动控制器每进行一次振动控制计算需要的时间远大于加速度伺服控制内环完成一次计算的时间，因而不具有实时性；加速度伺服控制内环的特性也影响振动控制器需要进行振动控制计算的次数，频率响应函数H各个频率分量越接近1，振动控制器所需振动控制计算次数越少。为避免硬件设备在多次振动控制计算过程中遭到破坏，振动控制器进行单次振动控制计算的时间应尽可能短，总的计算次数也应尽可能少。