專利名稱：一種基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械領(lǐng)域的振動模擬實驗方法，特別是一種基于自適應(yīng)濾波器的
電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法。
背景技術(shù)：
振動模擬是環(huán)境模擬與仿真實驗的一種，目前被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)等 國防工業(yè)領(lǐng)域和汽車、建筑等民用工業(yè)部門。振動實驗的目的在于考核產(chǎn)品在振動激勵下 保持原有性能的能力，即研究和檢驗產(chǎn)品在振動條件下的結(jié)構(gòu)可靠性和操縱可靠性。振動 模擬實驗從實驗類型角度可分為隨機(jī)振動、正弦振動和波形再現(xiàn)三種類型。環(huán)境的振動條 件一般以譜或波形的形式給出，如隨機(jī)振動功率譜復(fù)現(xiàn)實驗中要求復(fù)現(xiàn)功率譜密度參考信 號，地震波復(fù)現(xiàn)實驗中要求復(fù)現(xiàn)參考地震波。 在隨機(jī)振動模擬試驗中，電液伺服系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮電子與液壓兩方面的優(yōu)勢， 功率_重量比大，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并有很好的靈活性和適應(yīng)能力，常用作大型 結(jié)構(gòu)件振動實驗中的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。試件在工作環(huán)境中經(jīng)受的振動形式大多為隨機(jī)振動，振動 不局限在確定的頻率點上，其特征經(jīng)常用形如加速度功率譜密度等統(tǒng)計特性描述。要模擬 這種振動形式，就需要在振動臺上復(fù)現(xiàn)出實測的功率譜密度即功率譜密度參考信號。但將 功率譜密度參考信號對應(yīng)的時域驅(qū)動信號直接輸入到電液伺服系統(tǒng)中時，系統(tǒng)功率譜密度 輸出信號與功率譜密度參考信號相比往往存在較大偏差，極大影響了對被測產(chǎn)品在振動環(huán) 境下可靠性的定量評定。對于理想系統(tǒng)，幅頻特性處于0分貝線上，輸出信號完全再現(xiàn)輸入
信號。而實際系統(tǒng)幅頻特性在不同頻段與o分貝線有不同程度的差異，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)信號
與參考信號之間出現(xiàn)偏差。這是造成功率譜密度輸出信號與功率譜密度參考信號產(chǎn)生較大 偏差的原因之一。另一方面，電液伺服系統(tǒng)在外界環(huán)境如油液溫度等變化的情況下，液壓系 統(tǒng)本身參數(shù)將發(fā)生較大變化，并帶有隨機(jī)性質(zhì)，也會降低系統(tǒng)的功率譜密度再現(xiàn)精度。因 此，為提高振動實驗的有效性，改善功率譜密度再現(xiàn)的精度是非常必要的。
現(xiàn)有的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法主要由頻率響應(yīng)函數(shù)估計、阻抗函數(shù)計 算、功率譜密度參考信號迭代修正和時域驅(qū)動信號生成四部分組成。首先通過預(yù)實驗辨識 電液伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，接著計算阻抗函數(shù)，然后將功率譜密度參考信號迭代修正， 再將修正后的功率譜密度轉(zhuǎn)化為時域驅(qū)動信號，進(jìn)行正式振動模擬實驗。其中，由功率譜密 度轉(zhuǎn)化為時域驅(qū)動信號時，需要經(jīng)Cholesky分解、頻域隨機(jī)化、逆傅立葉變換和時域隨機(jī) 化四個步驟，計算過程復(fù)雜，而且需要專用硬件設(shè)備?，F(xiàn)有算法的實質(zhì)是離線迭代算法，當(dāng) 實驗過程中電液伺服系統(tǒng)的參數(shù)或試件特性發(fā)生改變時，無法保證迭代算法的收斂性，甚 至迭代發(fā)散，導(dǎo)致系統(tǒng)功率譜密度輸出信號與功率譜密度參考信號相比存在很大偏差，極 大降低了功率譜密度再現(xiàn)的精度，影響了對受試產(chǎn)品在振動環(huán)境下可靠性的定量評定。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種易于計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制、具有簡化時域驅(qū)動信號生成過程、確保功率譜密度參考信號迭代收斂性、提高功 率譜密度再現(xiàn)精度、增強(qiáng)隨機(jī)振動模擬實驗真實性的基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨 機(jī)振動控制方法。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服 系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法包括以下步驟 A、設(shè)定待再現(xiàn)的加速度功率譜密度信號為加速度功率譜密度參考信號；
B、利用加速度功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器III ;
C、利用白噪聲信號發(fā)生器生成加速度白噪聲信號； D、計算加速度白噪聲信號經(jīng)濾波器III濾波后的加速度輸出信號，并將加速度輸
出信號作為與加速度功率譜密度參考信號相對應(yīng)的加速度時域驅(qū)動信號； E、將電液伺服系統(tǒng)的加速度輸入信號作為自適應(yīng)濾波器I的加速度輸入信號，并
計算電液伺服系統(tǒng)的加速度輸出信號即響應(yīng)信號與自適應(yīng)濾波器I的加速度輸出信號之 差； F、基于電液伺服系統(tǒng)的加速度輸出信號與自適應(yīng)濾波器I的加速度輸出信號之 差，利用RLS自適應(yīng)濾波算法實時在線調(diào)整自適應(yīng)濾波器I的權(quán)值，進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)頻率 響應(yīng)函數(shù)的辨識； G、利用自適應(yīng)濾波器I頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器V，并對加速度時域 驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器V的加速度輸出信號作為自適應(yīng)濾波器II的加速度輸入信 H、將加速度時域驅(qū)動信號做延時，并計算延時后的加速度時域驅(qū)動信號與自適應(yīng) 濾波器II的加速度輸出信號之差； 1、基于延時后的加速度時域驅(qū)動信號與自適應(yīng)濾波器I1的加速度輸出信號之 差，利用RLS自適應(yīng)濾波算法實時在線調(diào)整自適應(yīng)濾波器II的權(quán)值，進(jìn)行自適應(yīng)濾波器I 的阻抗辨識； J、利用自適應(yīng)濾波器II的阻抗辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV，并對加速度時域驅(qū)動信 號進(jìn)行濾波，將濾波器IV的加速度輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)的加速度輸入信號。
本發(fā)明步驟B所述的利用加速度功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器III的方法可描 述為
—|雖)| = 7率)/"
2 式中，"為頻率，lH(") |為濾波器III的幅頻特性，R(")為功率譜密度參考信 號，a為白噪聲信號的功率，^(w)為濾波器III的相頻特性，M為濾波器階數(shù)。
本發(fā)明步驟F或I所述的RLS自適應(yīng)濾波算法可描述為
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，u為橫向濾波器的輸入信號，P為輸入信號u相關(guān)矩陣的逆，k為增益向量， A為橫向濾波器的權(quán)值向量，y為橫向濾波器的輸出，e為誤差信號，d為橫向濾波器的期望 信號，A為遺忘因子。 本發(fā)明步驟G或J所述的構(gòu)造濾波器V或濾波器IV的步驟如下首先復(fù)制濾波器
權(quán)值，然后基于復(fù)制的權(quán)值構(gòu)造濾波器，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波輸出作
為電液伺服系統(tǒng)或自適應(yīng)濾波器II的加速度輸入信號。 本發(fā)明所述的加速度信號也可以是位置信號或速度信號。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果 1、本發(fā)明的所有步驟均可通過軟件編程實現(xiàn)，不需要專用硬件設(shè)備。在CPU為 Pentium IV-2. 0G、內(nèi)存為1G的Advantech工控機(jī)上測試，算法的運行周期小于lms，能夠滿 足電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動振動模擬實驗的實時性要求，所以本發(fā)明易于采用計算機(jī)數(shù)字控 制實現(xiàn)。 2、本發(fā)明利用功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器并對白噪聲信號進(jìn)行濾波得到時 域驅(qū)動信號，極大簡化了時域驅(qū)動信號的生成過程。 3、本發(fā)明采用RLS自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)及阻抗函數(shù) 的辨識。RLS自適應(yīng)濾波算法的收斂性確保了在電液伺服系統(tǒng)特性和試件特性發(fā)生變化時， 系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)及阻抗函數(shù)辨識的收斂性，因此確保了功率譜密度參考信號迭代的收斂 性。 4、由于本發(fā)明采用的RLS自適應(yīng)濾波算法可以依據(jù)濾波器輸入信號、偏差信號對 濾波器權(quán)值進(jìn)行實時在線修正，能夠?qū)崟r跟蹤被控系統(tǒng)幅頻特性及電液伺服系統(tǒng)自身參數(shù) 的變化，對功率譜密度參考信號進(jìn)行實時補(bǔ)償，使得系統(tǒng)的輸出信號能夠高精度的再現(xiàn)參 考信號，增強(qiáng)了隨機(jī)振動模擬實驗的真實性。功率譜密度輸出信號與功率譜密度參考信號 的偏差可以控制在±1分貝之內(nèi)。


本發(fā)明共有附圖3張，其中 圖1是本發(fā)明的基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法原理圖； 圖2是基于RLS算法更新自適應(yīng)濾波器權(quán)值的原理圖； 圖3是基于自適應(yīng)濾波器的輸出重新構(gòu)造濾波器并進(jìn)行濾波的原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地說明。如圖l-3所示，一種電液伺服系統(tǒng)4隨機(jī)振動控制方法包括以下步驟 A、設(shè)定待再現(xiàn)的加速度功率譜密度信號為加速度功率譜密度參考信號1 ;
B、利用加速度功率譜密度參考信號1設(shè)計濾波器III2 ;
C、利用白噪聲信號6發(fā)生器生成加速度白噪聲信號6 ; D、計算加速度白噪聲信號6經(jīng)濾波器II12濾波后的加速度輸出信號，并將加速度 輸出信號作為與加速度功率譜密度參考信號相對應(yīng)的加速度時域驅(qū)動信號；
E、將電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸入信號作為自適應(yīng)濾波器17的加速度輸入信號， 并計算電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸出信號即響應(yīng)信號5與自適應(yīng)濾波器17的加速度輸出 信號之差； F、基于電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸出信號5與自適應(yīng)濾波器17的加速度輸出信 號之差，利用RLS自適應(yīng)濾波算法14實時在線調(diào)整自適應(yīng)濾波器17的權(quán)值，進(jìn)行電液伺服 系統(tǒng)4頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識； G、利用自適應(yīng)濾波器17頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器V8，并對加速度時 域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器V8的加速度輸出信號作為自適應(yīng)濾波器II 9的加速度輸 入信號； H、將加速度時域驅(qū)動信號做延時10，并計算延時10后的加速度時域驅(qū)動信號與 自適應(yīng)濾波器II 9的加速度輸出信號之差； 1、基于延時IO后的加速度時域驅(qū)動信號與自適應(yīng)濾波器II 9的加速度輸出信號 之差，利用RLS自適應(yīng)濾波算法14實時在線調(diào)整自適應(yīng)濾波器II 9的權(quán)值，進(jìn)行自適應(yīng)濾 波器17的阻抗辨識； J、利用自適應(yīng)濾波器II 9的阻抗辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV3，并對加速度時域驅(qū)動 信號進(jìn)行濾波，將濾波器IV3的加速度輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)4的加速度輸入信號。
本發(fā)明步驟B所述的利用加速度功率譜密度參考信號1設(shè)計濾波器III2的方法 可描述為
L 2 式中，"為頻率，lH(") I為濾波器III2的幅頻特性，R(")為功率譜密度參考信 號，a為白噪聲信號6的功率，^(^)為濾波器III2的相頻特性，M為濾波器階數(shù)。
本發(fā)明步驟F或I所述的RLS自適應(yīng)濾波算法14可描述為
l + ;i "(")戶("-i)w(")
A—1"" — 1)—義—^(")w"(")戶("-1) 式中，u為橫向濾波器12的輸入信號11， P為輸入信號u相關(guān)矩陣的逆，k為增益 向量，6為橫向濾波器12的權(quán)值向量，y為橫向濾波器12的輸出信號，e為誤差信號，d為橫
A:(")=
e(w)= ，)=向濾波器12的期望信號13， A為遺忘因子。 本發(fā)明步驟G或J所述的構(gòu)造濾波器V8或濾波器IV3的步驟如下首先復(fù)制濾波 器權(quán)值15，然后基于復(fù)制的權(quán)值構(gòu)造濾波器16，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波17，將 濾波輸出作為電液伺服系統(tǒng)4或自適應(yīng)濾波器II 9的加速度輸入信號。
本發(fā)明所述的加速度信號也可以是位置信號或速度信號。
權(quán)利要求
一種基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特征在于包括以下步驟A、設(shè)定待再現(xiàn)的加速度功率譜密度信號為加速度功率譜密度參考信號(1)；B、利用加速度功率譜密度參考信號(1)設(shè)計濾波器III(2)；C、利用白噪聲信號(6)發(fā)生器生成加速度白噪聲信號(6)；D、計算加速度白噪聲信號(6)經(jīng)濾波器III(2)濾波后的加速度輸出信號，并將加速度輸出信號作為與參考加速度功率譜密度相對應(yīng)的加速度時域驅(qū)動信號；E、將電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸入信號作為自適應(yīng)濾波器I(7)的加速度輸入信號，并計算電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸出信號即響應(yīng)信號(5)與自適應(yīng)濾波器I(7)的加速度輸出信號之差；F、基于電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸出信號(5)與自適應(yīng)濾波器I(7)的加速度輸出信號之差，利用RLS自適應(yīng)濾波算法(14)實時在線調(diào)整自適應(yīng)濾波器I(7)的權(quán)值，進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)(4)頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識；G、利用自適應(yīng)濾波器I(7)頻率響應(yīng)函數(shù)的辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器V(8)，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器V(8)的加速度輸出信號作為自適應(yīng)濾波器II(9)的加速度輸入信號；H、將加速度時域驅(qū)動信號做延時(10)，并計算延時(10)后的加速度時域驅(qū)動信號與自適應(yīng)濾波器II(9)的加速度輸出信號之差；I、基于延時(10)后的加速度時域驅(qū)動信號與自適應(yīng)濾波器II(9)的加速度輸出信號之差，利用RLS自適應(yīng)濾波算法(14)實時在線調(diào)整自適應(yīng)濾波器II(9)的權(quán)值，進(jìn)行自適應(yīng)濾波器I(7)的阻抗辨識；J、利用自適應(yīng)濾波器II(9)的阻抗辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV(3)，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波，將濾波器IV(3)的加速度輸出信號作為電液伺服系統(tǒng)(4)的加速度輸入信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特 征在于步驟B所述的利用加速度功率譜密度參考信號(1)設(shè)計濾波器I11(2)的方法可描 述為—)卜麵)/"式中，"為頻率，lH(") I為濾波器I11(2)的幅頻特性，R(")為功率譜密度參考信 號，a為白噪聲信號(6)的功率，p(^)為濾波器ni(2)的相頻特性，M為濾波器階數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特 征在于步驟F或I所述的RLS自適應(yīng)濾波算法(14)可描述為<formula>formula see original document page 3</formula>式中，u為橫向濾波器(12)的輸入信號(ll)，P為輸入信號u相關(guān)矩陣的逆，k為增益 向量，A為橫向濾波器(12)的權(quán)值向量，y為橫向濾波器(12)的輸出，e為誤差信號，d為橫 向濾波器(12)的期望信號(13)， A為遺忘因子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其 特征在于步驟G或J所述的構(gòu)造濾波器V(8)或濾波器IV(3)的步驟如下首先復(fù)制濾 波器權(quán)值(15)，然后基于復(fù)制的權(quán)值構(gòu)造濾波器(16)，并對加速度時域驅(qū)動信號進(jìn)行濾波 (17)，將濾波輸出作為電液伺服系統(tǒng)(4)或自適應(yīng)濾波器I1(9)的加速度輸入信號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，其特 征在于所述的加速度信號也可以是位置信號或速度信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)濾波器的電液伺服系統(tǒng)隨機(jī)振動控制方法，包括以下步驟利用加速度功率譜密度參考信號設(shè)計濾波器III，并對白噪聲信號濾波，將其輸出作為加速度時域驅(qū)動信號；利用RLS自適應(yīng)濾波算法調(diào)整自適應(yīng)濾波器I和自適應(yīng)濾波器II的權(quán)值，分別進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)和自適應(yīng)濾波器I阻抗函數(shù)的辨識；基于自適應(yīng)濾波器II的阻抗函數(shù)辨識結(jié)果構(gòu)造濾波器IV，并對加速度時域驅(qū)動信號濾波，將其輸出作為電液伺服系統(tǒng)的加速度輸入信號。本發(fā)明利用濾波器III對白噪聲信號濾波得到加速度時域驅(qū)動信號，簡化了時域驅(qū)動信號生成過程。本發(fā)明采用的RLS自適應(yīng)濾波算法的收斂性確保了功率譜密度實時在線迭代的收斂性。
文檔編號H03H21/00GK101702091SQ20091018797
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者關(guān)廣豐, 弓永軍, 熊偉, 王海濤, 王祖溫, 馬文琦 申請人:大連海事大學(xué)