一種基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域,更具體地說,涉及一種基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性 測(cè)試系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伺服控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整往往需要兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性,但是實(shí)際上卻很 少有工具來檢測(cè)伺服控制系統(tǒng)的快速性以及穩(wěn)定性。頻率響應(yīng)法是經(jīng)典控制理論里的核心 分析方法,從控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性可以得到系統(tǒng)剪切頻率、穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度、諧振 頻率等重要信息,這些重要信息表征了控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。經(jīng)典控制理論還提供 了一系列根據(jù)控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正的理論依據(jù),了解控制系統(tǒng)各子 模塊的頻率響應(yīng)特性對(duì)于系統(tǒng)校正至關(guān)重要。
[0003]目前,為獲得伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)特性,通常采用頻率特性測(cè)試儀或是 通過正弦波掃頻實(shí)驗(yàn)的方式近似測(cè)得系統(tǒng)閉環(huán)頻率響應(yīng)特性。然而,在使用頻率特性測(cè)試 儀進(jìn)行測(cè)試時(shí),需要接口支持,且一般只能測(cè)得控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)特性;正弦波掃頻 實(shí)驗(yàn)方式則耗時(shí)耗力,效率低下,且只能測(cè)得系統(tǒng)閉環(huán)頻率響應(yīng)特性。
[0004] 如圖1所示,是現(xiàn)有的典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖,其可以分為三個(gè)子模塊:控制 器、對(duì)象模型、反饋通道。其典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,其中,C(s)表示控 制器的傳遞函數(shù),G(s)表示對(duì)象模型的傳遞函數(shù),H(s)表示反饋通道的傳遞函數(shù)。相應(yīng)的, C(jw)表示控制器的頻率響應(yīng)特性,G(jw)表示對(duì)象模型的頻率響應(yīng)特性,H(jw)表示反 饋通道的頻率響應(yīng)特性。對(duì)于上述典型閉環(huán)控制系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為CGH(s),相 應(yīng)的,其開環(huán)頻率響應(yīng)特性可以表示為CGH(j? )。
[0005] 頻率響應(yīng)特性由幅頻特性和相頻特性組成,對(duì)應(yīng)于上述典型控制系統(tǒng),頻率響應(yīng) 特性可以分別表示為:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),包括第一減法器、對(duì)象模型、反饋通 道,其特征在于,該系統(tǒng)還包括虛擬控制器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、第二減法器、控制器以及頻 率響應(yīng)特性計(jì)算模塊,其中: 所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊,用于向第二減法器輸出第一激勵(lì)信號(hào),同時(shí)向控制器輸出第 二激勵(lì)信號(hào); 所述虛擬控制器,用于根據(jù)第一減法器輸出的誤差信號(hào)與虛擬控制器參數(shù)生成第一控 制信號(hào)并將該第一控制信號(hào)輸出到第二減法器; 所述第二減法器,用于根據(jù)第一激勵(lì)信號(hào)和第一控制信號(hào)生成第二控制信號(hào)并傳輸給 對(duì)象模型; 所述控制器,用于根據(jù)第二激勵(lì)信號(hào)與控制器參數(shù)生成第三控制信號(hào),并將第三控制 信號(hào)輸出到頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊; 所述頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊,用于根據(jù)第二激勵(lì)信號(hào)、第三控制信號(hào)、反饋通道的反饋 信號(hào)、第二減法器的第二控制信號(hào)以及對(duì)象模型的輸出信號(hào),分別計(jì)算出所述控制系統(tǒng)各 部分頻率響應(yīng)特性以及該控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),其特征在于,所述 頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊包括: 信號(hào)采樣模塊,用于采集第二激勵(lì)信號(hào)、第三控制信號(hào)、反饋信號(hào)、第二控制信號(hào)以及 輸出信號(hào); 控制系統(tǒng)各部分頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊,用于根據(jù)采集的第二激勵(lì)信號(hào)、第三控制信 號(hào)、反饋信號(hào)、第二控制信號(hào)以及輸出信號(hào)計(jì)算獲得所述控制系統(tǒng)的控制器頻率響應(yīng)特性、 對(duì)象模型頻率響應(yīng)特性、反饋通道頻率響應(yīng)特性; 控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊,用于根據(jù)所述控制器頻率響應(yīng)特性、對(duì)象模型 頻率響應(yīng)特性、反饋通道頻率響應(yīng)特性計(jì)算獲得控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),其特征在于,所述 第一激勵(lì)信號(hào)為幅值可調(diào)、頻率隨時(shí)間變化的正弦信號(hào),且該第一激勵(lì)信號(hào)的起始頻率和 終止頻率根據(jù)所述對(duì)象模型提供的被測(cè)信號(hào)的頻率范圍設(shè)定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),其特征在于,所述 第二激勵(lì)信號(hào)為由N級(jí)線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期性序列信號(hào),且該第二激勵(lì)信號(hào)的 頻率輸出范圍通過移位時(shí)鐘和反饋級(jí)數(shù)N的值調(diào)整;所述N為正整數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),其特征在于, 所述控制器頻率響應(yīng)特性通過以下計(jì)算式計(jì)算得出:
其中,上述C(j?)表示控制器頻率響應(yīng)特性,Ac(?)表示控制器幅頻特性,外.(叻表示 控制器相頻特性,B(j?)為第二激勵(lì)信號(hào)B的加窗離散傅里葉變換,D(j?)為輸出信號(hào)D 的加窗離散傅里葉變換;II表示復(fù)數(shù)取模運(yùn)算,arg表示復(fù)數(shù)取幅角運(yùn)算; 所述對(duì)象模型頻率響應(yīng)特性通過以下計(jì)算式計(jì)算得出:
其中,上述G(j?)表示對(duì)象模型頻率響應(yīng)特性,Ae(?)表示對(duì)象模型幅頻特性,奶,0〇) 表示對(duì)象模型相頻特性,E(j?)為第二控制信號(hào)E的加窗離散傅里葉變換,Y(j?)為輸出 信號(hào)Y的加窗離散傅里葉變換; 所述反饋通道頻率響應(yīng)特性通過以下計(jì)算式計(jì)算得出:
其中,上述H(j?)表示反饋通道頻率響應(yīng)特性,AH (?)表示反饋通道幅頻特性,%(叫 表示反饋通道相頻特性,Y(j?)為輸出信號(hào)Y的加窗離散傅里葉變換,F(xiàn)(j?)為反饋信號(hào)F的加窗離散傅里葉變換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),其特征在于, 所述控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性將控制器頻率響應(yīng)特性C(j?),對(duì)象模型頻率響應(yīng)特性 G(j?),反饋通道頻率響應(yīng)特性H(j?)通過以下計(jì)算式計(jì)算獲得: CGH(j?) =C(j〇)*G(j?)*H(j?),ACGH(?) =Ac(〇)*Ag(?)*Ah(?), ^c(,ii(^) =<Pc(^) +<Pu(<^) + (^). 其中,上述CGH(j?)表示為控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性,AaH(?)表示系統(tǒng)開環(huán)幅頻 特性,WcGff(?)表不系統(tǒng)開環(huán)相頻特性。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng),其特征在于,所述 虛擬控制器采用比例控制器,并通過調(diào)整比例系數(shù)減少測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試過程中對(duì)控制系統(tǒng) 的影響。
8. -種基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法,其特征在于,包括如下步驟: 51、 第一減法器根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生誤差信號(hào),所述輸入信號(hào)為常量和反饋信號(hào); 52、 虛擬控制器將所述誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一控制信號(hào)并輸出; 53、 第二減法器根據(jù)所述第一控制信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊的第一激勵(lì)信號(hào)生成第二 控制信號(hào),同時(shí),控制器根據(jù)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊的第二激勵(lì)信號(hào)和控制器參數(shù)生成第三控 制信號(hào); 54、 所述第二控制信號(hào)作用于對(duì)象模型得到輸出信號(hào); 55、 所述輸出信號(hào)經(jīng)由反饋通道轉(zhuǎn)為反饋信號(hào),并將該反饋信號(hào)輸入到第一減法器之 中,形成閉環(huán)控制系統(tǒng); S6、根據(jù)所述控制系統(tǒng)的第二控制信號(hào)、輸出信號(hào)、第三控制信號(hào)、第二激勵(lì)信號(hào)和反 饋信號(hào),計(jì)算出所述控制系統(tǒng)各部分頻率響應(yīng)特性以及控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法,其特征在于,所述 控制系統(tǒng)各部分頻率響應(yīng)特性包括所述控制系統(tǒng)的控制器頻率響應(yīng)特性、對(duì)象模型頻率響 應(yīng)特性、反饋通道頻率響應(yīng)特性; 所述控制器頻率響應(yīng)特性通過以下計(jì)算式計(jì)算得出:
其中,上述C(j?)表示控制器頻率響應(yīng)特性,Ac〇)表示控制器幅頻特性,供c(?)表示 控制器相頻特性,B(j?)為第二激勵(lì)信號(hào)B的加窗離散傅里葉變換,D(j?)為輸出信號(hào)D 的加窗離散傅里葉變換;II表示復(fù)數(shù)取模運(yùn)算,arg表示復(fù)數(shù)取幅角運(yùn)算; 所述對(duì)象模型頻率響應(yīng)特性通過以下計(jì)算式計(jì)算得出:
其中,上述G(j?)表示對(duì)象模型頻率響應(yīng)特性,Ae(?)表示對(duì)象模型幅頻特性,奶,.(>) 表示對(duì)象模型相頻特性,E(j?)為第二控制信號(hào)E的加窗離散傅里葉變換,Y(j?)為輸出 信號(hào)Y的加窗離散傅里葉變換; 所述反饋通道頻率響應(yīng)特性通過以下計(jì)算式計(jì)算得出:
其中,上述H(jw)表示反饋通道頻率響應(yīng)特性,AH〇)表示反饋通道幅頻特性,%(&>) 表示反饋通道相頻特性,Y(j?)為輸出信號(hào)Y的加窗離散傅里葉變換,F(xiàn)(j?)為反饋信號(hào) F的加窗離散傅里葉變換。 所述控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性將控制器頻率響應(yīng)特性C(j?),對(duì)象模 型頻率響應(yīng)特性G(j?),反饋通道頻率響應(yīng)特性H(j?)通過以下計(jì)算式計(jì)算 獲得:CGH(j?) =C(j?)*G(j ?),ACGH〇) =Ac〇)*AG〇)*AH(?), 妒CGH(?)=爐C(?) + 識(shí)G(?) + 爐H(?). 5 其中,上述CGH(j?)表示為控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性,AaH(?)表示系統(tǒng)開環(huán)幅頻 特性,?表不系統(tǒng)開環(huán)相頻特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法,其特征在于, 所述第一激勵(lì)信號(hào)為幅值可調(diào)、頻率隨時(shí)間變化的正弦信號(hào),且該第一激勵(lì)信號(hào)的起 始頻率和終止頻率根據(jù)所述對(duì)象模型提供的被測(cè)信號(hào)的頻率范圍設(shè)定; 所述第二激勵(lì)信號(hào)為由N級(jí)線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期性序列信號(hào),且該第二激 勵(lì)信號(hào)的頻率輸出范圍通過移位時(shí)鐘和反饋級(jí)數(shù)N的值調(diào)整;所述N為正整數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)及方法,該系統(tǒng)包括:對(duì)象模型,反饋通道,激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊,虛擬控制器,減法器,控制器,頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊,所述減法器還包括第一減法器和第二減法器;所述第一減法器、虛擬控制器、第二減法器和對(duì)象模型依次相連接,所述控制器連接在所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊和頻率響應(yīng)特性計(jì)算模塊之間,所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊與所述控制器和第二減法器相連接,所述反饋通道連接在所述對(duì)象模型和第一減法器之間;本發(fā)明有益效果:實(shí)現(xiàn)了一次性同時(shí)地測(cè)試控制系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性和控制系統(tǒng)各部分頻率響應(yīng)特性,方便測(cè)試,且保證測(cè)試過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低影響。
【IPC分類】G05B23-02
【公開號(hào)】CN104615126
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510043703
【發(fā)明人】伍慶, 周兆勇, 姚虹
【申請(qǐng)人】蘇州匯川技術(shù)有限公司
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月28日