專利名稱：動態(tài)物理過程振動抑制方法和系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及振動控制領域，更具體地，涉及對動態(tài)物理過程振動抑制的方法和系統。對輸入命令進行光滑處理后再驅動動態(tài)物理過程運動，讓動態(tài)物理過程按照與它動態(tài)特性匹配的光滑命令運動，來達到抑制振動的目的。
背景技術：
振動控制在現代制造業(yè)中應用十分廣泛。制造業(yè)中廣泛采用電機或發(fā)動機等動力機械作原動力，動力機械啟動和停止會產生沖擊和振動。高端裝備制造產品都沿著高速重載方向發(fā)展，其振動也日益強烈。精密加工和精密測量技術發(fā)展中，如果不能將振動控制在允許誤差范圍內，工作無法達到預期的精度目標。城市建筑工業(yè)發(fā)展過程中，廣泛采用重載工程機械，比如起重機，柔性結構會引起更大的振動，倘不能減振，對操作安全性和工作效率都是重大挑戰(zhàn)。飛行器和裝甲車輛通常在惡劣的環(huán)境中工作，對減振環(huán)節(jié)的要求也日漸增多。工業(yè)生產中流體運輸過程，需要在高速運送過程中保持流體不能飛濺出容器，也需要對這種流體運動振動提出抑制要求。生產生活中冰箱、打印機、硬盤等工作過程也對振動抑制有要求。生產實踐常識表明參考命令經過光滑后再作用在機器上可以消除振動和沖擊，可以提高精度、操作安全性和工作效率。但并非任意光滑函數都可以有效地消除沖擊和振動。光滑函數需要依據動態(tài)物理過程的系統特性來進行設計，同時要具有較好的魯棒性和較短的調節(jié)時間兩個關鍵的技術指標要求，以滿足生產生活實踐需要。國內外現有的主要方法S曲線、凸輪曲線、input shaping和閉環(huán)反饋控制。S曲線在數控系統中有廣泛應用。它具有低通濾波特性，利用低通濾波特性消除振動。S曲線優(yōu)點是不需要系統動態(tài)性能先驗知識，對動態(tài)過程未知的高階復雜系統有較好應用前景。但是當系統固有頻率在實際操作中經常發(fā)生變化的情況，比如具有柔性結構，此時S曲線對頻率誤差變得較為敏感，具有較差的魯棒性。利用凸輪多項式構造凸輪函數來驅動機器運動，可以有效的消除高頻段的振動，也具有低通濾波的特性，但是具有較長的調節(jié)時間和較差的魯棒性。美國專利4916635和5638267授權的Input shaping技術，不是利用光滑函數原理實現機器驅動，它是將輸入命令與一系列脈沖的離散卷積來構造整形后的命令驅動機器運動。離散卷積構造的整形器被稱作input shaper,目前比較常用的input shaper有ZVDshaper、EI shaper和SI shaper。成功的應用在橋吊、塔吊、輪式起重機、船吊、三坐標測量機、航天器、機械手和線性步進馬達的振動控制。input shaping構造的整形后命令一般不連續(xù)，在邊界附近可能出現較大的加速度，容易對機器產生沖擊。比較常用的實現振動控制的反饋控制方法包括線性控制、自適應控制、模糊邏輯控制、非線性控制等。基本設計思路是對閉環(huán)系統增加阻尼來實現振動控制目的。反饋控制成功應用于橋吊、懸臂式吊車、船載吊車和集裝箱吊車。人的操作實質上也是一種反饋過程，反饋控制器會與操作者之間的操作過程發(fā)生沖突。如果選擇低權限反饋控制器將不會干擾人操作，但是振動控制效果較差。另外某些物理過程很難對負載振動進行檢測，限制了反饋控制實際使用。

發(fā)明內容
為克服現有技術中的上述缺陷，本發(fā)明提出使用光滑器設計來實現動態(tài)物理過程的振動抑制方法和系統。本發(fā)明的一個方面是提供了動態(tài)物理過程的振動抑制的方法。將輸入信號直接作用在動態(tài)物理過程會引起振動。本發(fā)明提供兩種設計思路的光滑器公式。將輸入信號經過光滑器處理后，光滑命令驅動動態(tài)物理過程可以將振動抑制到最小程度。所提供的光滑器具有強魯棒性，可以應用在物理過程參數不確定的領域。在保證魯棒性要求的同時還具有調節(jié)時間最優(yōu)。根據本發(fā)明的另一方面，提出了一種動態(tài)物理過程振動抑制的系統，包括輸入模塊、計算模塊和輸出模塊。其中，該輸入模塊包括模擬信號或者數字信號采集裝置，功能是對輸入信號進行采集；計算模塊，連接到采集模塊，用于將采集到的輸入信號根據所提供的方法進行光滑處理。輸出模塊，連接到計算模塊，用于將光滑處理后的光滑信號驅動物理過程運動，包括模擬信號或者數字信號輸出裝置、功率放大裝置。本發(fā)明可以有效的對動態(tài)物理過程實現振動抑制。應用本發(fā)明的技術方案，可以在保證振動抑制目的的基礎上，可以實現動態(tài)物理過程效率最優(yōu)。


圖1示光滑器使用前后振動效果對比示圖；圖2示光滑處理過程圖；圖3示第一種光滑器固有頻率敏感曲線圖；圖4示第一種光滑器阻尼系數敏感曲線圖；圖5示第一種光滑器和第二種光滑器敏感曲線對比圖；圖6示第二種光滑器固有頻率敏感曲線圖；圖7示根據本發(fā)明的振動抑制系統的結構框圖；圖8示應用例分布質量負載雙擺橋式起重機結構模型框圖；圖9示應用例驅動距離和負載質量變化時光滑器振蕩抑制仿真圖；圖10示應用例吊鉤質量和第2級擺長變化時光滑器振蕩抑制仿真圖；圖11示應用例負載長度和第I級擺長變化時光滑器振蕩抑制仿真圖；圖12示應用例分布質量負載雙擺橋式起重機光滑器吊鉤振動抑制實驗圖；圖13示應用例分布質量負載雙擺橋式起重機光滑器負載振動抑制實驗圖。如圖所示，為了能明確實現本發(fā)明的實施例的結構，在圖中標注了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定結構、器件和環(huán)境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環(huán)境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在后附的權利要求的范圍中。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的動態(tài)物理過程振動抑制的方法和系統進行詳細描述。在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個不同的方面，然而，對于本領域內的普通技術人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結構或者流程來實施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細節(jié)的情況下也可以實施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對于一些眾所周知的特征將不再進行詳細闡述。首先給出光滑器設計的主要推導過程和設計依據。很多物理過程都可以簡化為一個二階系統表示
權利要求
1.動態(tài)物理過程的振動抑制方法，包括 步驟10、將命令信號輸入光滑器進行光滑處理。步驟20、依據動態(tài)物理過程的系統特性來進行光滑器設計，以保證光滑命令與動態(tài)物理過程最優(yōu)匹配。使用系統固有頻率和阻尼系數來設計光滑器，光滑器是分段連續(xù)函數。步驟30、經過光滑器處理后的光滑命令，驅動動態(tài)物理過程運動，將振動抑制到最小程度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟20還包括，所述光滑器設計的傳遞函數
3.根據權利要求2所述的方法，還包括 根據實際物理過程對振動抑制魯棒性要求，獲取對固有頻率和阻尼系數的不敏感范圍要求； 根據固有頻率和阻尼系數的不敏感范圍要求，獲取滿足要求的光滑器結構冪次數η的最小值。
光滑器設計是在保證振動抑制魯棒性要求前提下的最小調節(jié)時間方案。
4.根據權利要求2所述的方法，還包括 某些物理過程可以近似被認為是零阻尼系統，此種近似情況下對應的光滑器傳遞函數
5.針對動態(tài)物理過程的振動抑制問題，提供另外一種設計方法，包括 步驟10、將命令信號輸入光滑器進行光滑處理。
步驟20、依據將振動控制在某一段可接受的范圍內就能滿足需要來進行光滑器設計，在不保證絕對零振動的前提下可以設計出魯棒性更好的方案。使用系統固有頻率、阻尼系數和允許振動最大幅值來設計光滑器，光滑器是分段連續(xù)函數。
步驟30、經過光滑器處理后的光滑命令，驅動動態(tài)物理過程，將振動抑制到最小程度。
6.根據權利要求5所述的方法，其中步驟20還包括，所述可允許振動范圍的光滑器設計的傳遞函數
7.根據權利要求5所提出的設計思路，在權利要求6所提供的光滑器基礎上，將經過比例因子修正結構的冪次增大，可以得到魯棒性極強的光滑器
8.根據權利要求7所述的方法，還包括 某些物理過程可以近似被認為是零阻尼系統，此種近似情況下對應的光滑器傳遞函數
9.動態(tài)物理過程的振動抑制系統，使用電氣電子設計方式實現。包括輸入模塊、計算模塊和輸出模塊； 其中，該輸入模塊包括模擬信號或者數字信號采集裝置，功能是對操作者通過手柄或按鈕發(fā)出的輸入命令進行采集； 計算模塊，連接到采集模塊，用于將采集到的輸入信號根據所提供的光滑器設計方法進行處理，轉換為光滑命令輸出，其中光滑器設計公式為權利要求2，4，6，7，8所提供； 輸出模塊，連接到計算模塊，用于將光滑處理后的光滑信號驅動物理過程運動，包括模擬信號或者數字信號輸出裝置、功率放大裝置。
10.動態(tài)物理過程的振動抑制系統，也可以使用機械設計方式實現，使用權利要求2，.4，6，7，8提供公式設計機械零件輪廓，或使用權利要求2，4，6，7，8提供公式對原有輪廓進行修正，同樣達到振動抑制的目的。
全文摘要
本申請?zhí)峁討B(tài)物理過程的振動抑制方法和系統。任意驅動物理過程運動的輸入信號經過光滑器處理后，產生的光滑命令都可以將振動控制到最小程度。提供兩種不同設計思路的光滑器設計方法第一種直接使用動態(tài)物理過程的系統特性來設計光滑器，當固有頻率和阻尼系數完全準確時可以實現零振動。第二種是將振動控制在某一個可接受的范圍內，是在第一種設計的基礎上使用允許振動最大幅值限制的比例因子對光滑器修正后使用。所提出的光滑器具有強魯棒性，可以應用到物理過程參數不確定的領域。所設計的光滑器在保證振動控制魯棒性要求的基礎上，具有調節(jié)時間最優(yōu)特性，即是在保證振動控制性能基礎上工作效率最優(yōu)設計方案。
文檔編號G05D19/02GK103034253SQ201210507110
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權日2012年11月19日
發(fā)明者黃杰 申請人:黃杰