專利名稱：具有穩(wěn)定性監(jiān)測的反饋控制器參數(shù)生成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體涉及電磁材料測試系統(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。

發(fā)明內(nèi)容
總體而言，在一些方面，通過向控制系統(tǒng)輸入具有預(yù)定波形的測試信號、自動監(jiān)測材料測試系統(tǒng)的輸出以及將輸出與閾值進(jìn)行自動比較來確認(rèn)使用指定濾波器參數(shù)的材料測試系統(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。一些實(shí)現(xiàn)方式可以包括如下特征中的一個或多個。測試信號包括以命令信號的平均位置為中心的兩個方波。方波的頻率為1Hz。測試信號包括命令信號的衰減版本。測試信號包括命令信號的低頻版本。測試信號包括與命令信號的波形匹配并且具有命令信號幅度的95%的幅度的波形。閾值隨側(cè)測試信號而變化。閾值是測試信號幅度的百分比。測試信號包括命令信號的低頻和稍微衰減版本與小幅高頻信號的組合。采取第一動作包括停止控制系統(tǒng)的操作。采取第一動作包括確定材料測試系統(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)?？傮w而言，在一些方面，通過生成隨機(jī)噪聲信號、向隨機(jī)噪聲信號應(yīng)用低通濾波器以生成第一濾波信號、向第一濾波信號應(yīng)用高通濾波器以生成第二濾波信號、將第二濾波信號疊加到正弦波形上以生成參考測試波形、將參考測試波形應(yīng)用到待測系統(tǒng)、測量待測系統(tǒng)的輸出、確定待測系統(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，從而防止對系統(tǒng)或樣品的可言旨損害。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。


圖1顯示了電磁材料測試系統(tǒng)的框圖。圖2顯示了針對在電磁材料測試系統(tǒng)中測試的各種樣品的系統(tǒng)動力學(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)備測試。這些測試包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試這兩者。 這樣的設(shè)備的示例包括來自位于Eden Prairie5MN的Bose公司的ElectroForce系統(tǒng)組的 EleCtrOForCe 3000系列的測試工具，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號美國專利中描述，并且通過引用將所述專利并入于此。材料測試系統(tǒng)通常利用反饋控制器以修改系統(tǒng)動力學(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)的測試系統(tǒng)，在基于電磁的測試系統(tǒng)中，待測樣品的特性顯著影響測試系統(tǒng)動力學(xué)。為了確保反饋控制器穩(wěn)定并且提供足夠的動力學(xué)響應(yīng)，需要基于待測樣品的特性來調(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，其中三個平行濾波器每個均影響控制信號。在一般的情形中，對這三個濾波器的輸入是通過從期望的輸入信號中減去基于輸出的測量的反饋信號而生成的誤差信號。對于電磁測試系統(tǒng)而言， 使用反饋信號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。在一些電磁測試系統(tǒng)中，樣品顯著影響系統(tǒng)的動力學(xué)，如圖2所示。線20h/b、 204a/b和206a/b顯示了三種不同樣品的位移測試的幅度和相位，而線208a/b、210a/b和 21h/b顯示了三種不同的彈簧的力測試的幅度(a)和相位(b)。當(dāng)樣品如此地影響系統(tǒng)動力學(xué)時，必須針對各個待測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)的過程被自動化。為了自動確定該參數(shù)，必須標(biāo)識測試機(jī)器和待測樣品的組合的系統(tǒng)動力學(xué)。這可以使用熟知的系統(tǒng)標(biāo)識技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)標(biāo)識的輸出是系統(tǒng)的頻域表示。期望該表示具有足夠分辨率以標(biāo)識控制系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的所有動力學(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(30 參考測試信號，并將該參考測試信號應(yīng)用(304)到測試系統(tǒng)。 材料測試系統(tǒng)的反饋(輸出)信號可以包括位移、力、約束、加速、壓力等等。測量(306)輸出并且使用傅里葉方法處理參考和輸出信號的時間歷史數(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)。繼而存儲或輸出(31 控制參數(shù)以供測試中使用。由于由待測樣品可能導(dǎo)致的系統(tǒng)動力學(xué)中的顯著變化，所以參考信號通常是電壓或電流，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。參考信號應(yīng)該被設(shè)計(jì)為包含與用作測試期間的輸入的信號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、或掃描正弦信號或信號的組合來設(shè)計(jì)該參考信號。在一些示例中，參考測試信號320是疊加在諸如2Hz正弦波之類的小幅低頻載波 3M上的經(jīng)濾波的隨機(jī)噪聲信號322，并且如圖;3B所示地生成(302)參考測試信號320。用于隨機(jī)分量的濾波器參數(shù)可以基于由信號控制的電機(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322在被疊加到載波3 上之前通過低通濾波器3 和高通濾波器328，從而生成中間波形330和332。測試信號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，測試信號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)的并且為測試設(shè)備的特定組合而定制。經(jīng)濾波的隨機(jī)噪聲測試信號320覆蓋在測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402與負(fù)反饋信號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。測試信號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)更新的測試控制信號，該測試控制信號可以在數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D2A)412中被轉(zhuǎn)換成模擬控制信號。模擬控制信號在被提供給測試設(shè)備416之前，在具有電流反饋的跨導(dǎo)放大器414中被放大。組合的測試機(jī)制和樣品系統(tǒng)由單個傳遞函數(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A2D轉(zhuǎn)換器 420的需求。通過將控制器的濾波器與測量的傳遞函數(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)樣品和測試設(shè)備免遭諸如超過系統(tǒng)能力或?qū)?dǎo)致待測設(shè)備的毀壞性操縱的值(假設(shè)這并非測試目的)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，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)行正常測試之前，自動化系統(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)定性測試波形，并且自動地監(jiān)測(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試系統(tǒng)的方法是立即切換至測試波形的平均值處的開環(huán)模式。對該方法的又一改進(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)沒有通過閾值測試，則基于穩(wěn)定性測試波形重新估算系統(tǒng)動力學(xué)。如圖5B所示，當(dāng)在修改過程500b中超過(508)閾值時，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)。可以如前所述通過將新的傳遞函數(shù)與濾波器進(jìn)行卷積來確定新的控制器參數(shù)。向穩(wěn)定性測試過程提供這些新的控制器參數(shù)，并且重復(fù)測試。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)定性測試波形采用兩個IHz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。對于小的命令波形而言，穩(wěn)定性測試波形幅度將是更大的百分比，但是在絕對值上仍是比命令波形幅度小。在一些示例中，穩(wěn)定性測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試信號變化。例如，峰值幅度為所請求的幅度的95%的慢(例如，0. 5Hz)三角或正弦波可以被用作測試輸入，并且誤差閾值追蹤整個波中的每個期望波形點(diǎn)的+/_5%。這樣的慢測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)置測試波形的衰減值，例如正被測試的較弱的材料可以使用期望命令信號的僅80%，而已知為健壯的樣品可以使用與期望的命令信號的幅度相匹配的完整強(qiáng)度測試信號。在一些示例中，測試系統(tǒng)向用戶輸出測試被停止的原因。即，它可以輸出哪個閾值被超出，并且如果已知，則可以輸出輸入信號的什么控制參數(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)定性測試波形是上述的大幅低頻波形與較小和較高頻率信號 (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)。
權(quán)利要求
1.一種確認(rèn)使用指定濾波器參數(shù)(406、408、410)的材料測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)(400)的穩(wěn)定性的方法，所述方法包括向所述控制系統(tǒng)輸入具有預(yù)定波形的測試信號(506)；自動監(jiān)測所述材料測試系統(tǒng)的輸出；將所述輸出與閾值自動地比較(508)；如果所述輸出超過所述閾值，則采取第一動作；以及如果所述輸出未超過所述閾值，則允許向控制系統(tǒng)輸入命令信號(512)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測試信號包括以所述命令信號的平均位置為中心的兩個方波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述方波具有IHz的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測試信號包括所述命令信號的衰減版本。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測試信號包括所述命令信號的低頻版本。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述測試信號包括與所述命令信號的波形匹配并且具有所述命令信號的幅度的95%的幅度的波形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閾值隨著所述測試信號變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述閾值是所述測試信號幅度的百分比。
9 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測試信號包括所述命令信號的低頻和稍微衰減版本與小幅高頻信號的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采取所述第一動作包括停止所述控制系統(tǒng)的操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采取所述第一動作包括 確定所述材料測試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；計(jì)算用于所述控制系統(tǒng)的濾波器的參數(shù)； 在濾波器中加載計(jì)算的參數(shù)；以及重復(fù)權(quán)利要求1中的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中計(jì)算所述參數(shù)包括將所述傳遞函數(shù)與所述濾波器進(jìn)行卷積以生成所述參數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過下列項(xiàng)確定用于所述控制系統(tǒng)(400)的所述指定濾波器參數(shù)006、408、410)生成隨機(jī)噪聲信號(322)；向所述隨機(jī)噪聲信號應(yīng)用低通濾波器(3 )以生成第一濾波信號(330)； 向所述第一濾波信號應(yīng)用高通濾波器(3 )以生成第二濾波信號(332)； 在正弦波形(324)上疊加所述第二濾波信號以生成參考測試波形(320)； 向待測系統(tǒng)(100)應(yīng)用(304)所述參考測試波形； 測量所述待測系統(tǒng)的輸出(306)； 確定所述待測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(308)；以及將所述傳遞函數(shù)與所述濾波器進(jìn)行卷積以生成所述濾波器參數(shù)(310)。
全文摘要
通過向控制系統(tǒng)輸入具有預(yù)定波形的測試信號、自動地監(jiān)測材料測試系統(tǒng)的輸出、以及將輸出與閾值進(jìn)行自動比較來確認(rèn)使用指定濾波器參數(shù)的材料測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果輸出超過閾值，則采取第一動作。如果輸出未超出閾值，則允許向控制系統(tǒng)輸入命令信號。
文檔編號G05B13/02GK102414628SQ201080018605
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月1日
發(fā)明者A·懷特, T·尼克爾, T·德維利 申請人:伯斯有限公司