專利名稱：正弦振動臺失真度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種失真度控制方法，具體地說是一種針對正弦振動臺激勵信號進(jìn)行
閉環(huán)反饋控制的方法，應(yīng)用于測量與控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于振動臺自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，其支撐彈簧，氣隙間磁場強(qiáng)度等非線性因素、振 動臺的安裝環(huán)境及負(fù)載等因素都會對振動臺所產(chǎn)生的激勵信號產(chǎn)生影響。振動臺開環(huán)工作 時，尤其是在低頻及超低頻大振幅激勵下，其加速度波形失真度將達(dá)到10 % ，甚至更高，很 難滿足技術(shù)指標(biāo)要求。因此標(biāo)準(zhǔn)振動臺能否提供一個諧波失真最小的正弦振動激勵信號， 直接關(guān)系到振動信號的測量與校準(zhǔn)精度，這就使振動臺失真度控制方法的研究顯得尤為重 要。 現(xiàn)有振動臺失真度控制方法主要有PID負(fù)反饋控制方法和重復(fù)控制方法。其中， PID負(fù)反饋控制方法是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)方法，該方法的實現(xiàn)需要 分析振動臺波形失真產(chǎn)生機(jī)理，測量相關(guān)參數(shù)，建立振動臺數(shù)學(xué)模型。當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時， 振動臺的實際模型會發(fā)生變化，控制性能會不同程度地下降，尤其對于建模誤差較大時，會 出現(xiàn)很大偏差。重復(fù)控制方法基于內(nèi)模原理，加到被控對象的輸入信號除了新的偏差外，還 疊加了一個過去的偏差信號，該方法要通過多個周期的運行之后，才能提高系統(tǒng)的跟蹤精 度，這對于低頻或超低頻信號，其反饋控制時間較長，影響測量速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為解決現(xiàn)有技術(shù)振動臺失真度控制方法建模難、誤差較大、所需時 間較長的問題，本發(fā)明提供了一種無需對振動臺建模、且可實現(xiàn)快速控制的正弦振動臺失 真度閉環(huán)控制方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種基于諧波陷波原理的正弦振動臺失真度控制方法，
諧波陷波法控制方法是通過分析振動臺輸出信號的諧波成份，將其主要諧波成份負(fù)反饋回
振動臺的驅(qū)動信號源，進(jìn)行諧波補(bǔ)償與抑制，達(dá)到降低振動臺輸出波形失真度的目的。
所述正弦振動臺失真度控制方法包括如下步驟 步驟1由D/A產(chǎn)生正弦信號，經(jīng)功率放大器驅(qū)動振動臺振動； 步驟2計算振動臺振動基頻相位延遲； 步驟3對振動臺的振動信號進(jìn)行諧波分析； 步驟4采用諧波陷波算法，并通過諧波陷波補(bǔ)償公式計算信號反饋量； 步驟5將反饋量與振動臺輸入信號相加，產(chǎn)生新的輸入信號經(jīng)功率放大器驅(qū)動振
動臺振動； 步驟6重復(fù)步驟3至步驟5，直至將振動臺的失真度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。 所述振動信號為位移信號時，所述諧波陷波補(bǔ)償公式為，


A (0 = - ， si一, +1 -(眠_(dá) &))。 、
所述振動信號為速度信號時，所述諧波陷波補(bǔ)償公式為，
A (0 = _ ， sin(枷,+ p。v4 - - & ) + (" 1) x 90。)。
所述振動信號為加速度信號時，所述諧波陷波補(bǔ)償公式為，
A (0 = -，si一, + ^ —(眠—。+ (A: — 1) x 180。)。 所述步驟2進(jìn)一步包括同步采集振動激光多普勒信號與振動臺輸入信號，對激光 干涉多普勒信號進(jìn)行相位展開，獲得振動信號，將測得的振動信號與振動臺輸入信號進(jìn)行 相位比較，從而計算出振動臺振動基頻相位延遲。 所述步驟4中諧波陷波算法計算信號反饋量的過程為首先判斷振動信號主要諧 波分量的諧波次數(shù)，其次通過查找表獲得該諧波頻率的振動臺相位延遲，然后，采用諧波陷 波補(bǔ)償公式計算反饋信號的相位值，從而確定反饋信號量。 本發(fā)明的原理將功率放大器、振動臺、激光干涉儀與解調(diào)作為一個整體系統(tǒng)H來 對于該系統(tǒng)H，假設(shè)輸入x(t) =Asin("t)時，其位移解調(diào)輸出信號如式(1)所示。
分析。
相位。


= sin(W) + Jo2 sin(2W + p。2) +…
式中，A。" A。2……A。n為諧波分析得到各階次信號幅值，^。2……P。"為各階次信號 考慮到振動臺輸出與輸入之間存在延遲信號，則可表示為如式(2)所示。
W)=」0l si咖/ - 。 +」。2 sin(2欲+ po2 - 2^ )
+ +」0" sin(""/ + p0 — ) + C70 (2)
9d為振動基頻相位延遲。
為了消除y(t)的k次諧波，則在新的輸入信號中加入反饋信號 ^^sinO^ + ^)，此時輸出為如式(3)所示。
/ (0 =《sin一 - & ) +」o2 sin(2W + po2 _ 2^ ) +… +」OT sin("6^ + 一 ) 一sin(^^ +— ) _ <2 sin(2b, + 乂2 一 ) _… (3) _《sin(由/ + - O + C,
由式(3)可知，若要消除諧波，必須使基頻的諧波響應(yīng)與諧波的基頻響應(yīng)相等。因
此，可以得到反饋信號相位如式(4)所示。
%=%廣購-。
故用位移信號反饋的k次諧波反饋量計算公式如式(5)所示。
<formula>formula see original document page 5</formula> 已知位移信號，可以通過一次求導(dǎo)的方式求得速度，二次求導(dǎo)的方式求得加速度。
則其速度與加速度信號可表示為
凡(O =」。vl sin(紐)+ 4v2 sin(2紐+ pov2)
+ + 0—, + ^,) + cv (6)
W)=《i sin(") + 42 sin(2w + %。2)
由于位移信號相位P。"與速度信號相位P,及加速度信號相位P。a"之間存在如下關(guān)
系
所示。
L = L - (m -1) x 90。 (8) P00 =P0"—("一l)xl80。 (9)
因此，用速度、加速度信號反饋的k次諧波反饋量計算公式分別如式ao)、式(ii)
A (0 = - , sin— + ^ - (d) + (A — 1) x 90。) (10)
A (0 = _ ， sin一 +1 —(眠—& ) + (A: -1) x 180°) (11) [oo4o] 式中c"(;為一常數(shù)。 本發(fā)明的有益效果本發(fā)明基于諧波陷波原理的正弦振動臺失真度控制方法通過 分析振動臺振動過程中的基頻相位延遲和振動加速度諧波，利用諧波陷波算法計算反饋控 制數(shù)字信號，將該反饋信號與振動臺的輸入數(shù)字信號相加作為振動臺新的輸入信號，從而 不需要分析振動臺的數(shù)學(xué)模型及各種影響參量，即可以快速、有效地補(bǔ)償并抑制加速度波 形諧波失真度。該方法實現(xiàn)簡單，可移植性強(qiáng)，是非常實用的振動臺失真度控制方法，尤其
在低頻或超低頻測量與控制應(yīng)用效果明顯。


圖1是本發(fā)明本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法第一實施方式的原理框圖；
圖2是本發(fā)明本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法第一實施方式中激光干涉儀的
5雙路正交多普勒時域信號； 圖3是本發(fā)明本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法第三實施方式有無反饋時振動 臺臺面加速度時域信號的比較示意圖， 圖3a是圖3中不加反饋時振動臺臺面加速度時域信號；
圖3b是圖3中加反饋后的振動臺臺面加速度時域信號； 其中，1-D/A電路、2-功率放大器、3-振動臺、4-激光干涉儀、5-數(shù)據(jù)采集器、6-控 制算法模塊、7_激光多普勒信號相位展開、8_諧波計算、9_反饋量計算、10-加法器。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明 請參閱圖1，其是本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法第一實施方式的原理框圖。本 實施方式中，本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法所對應(yīng)的控制系統(tǒng)由D/A電路1、功率放大 器2、振動臺3、激光干涉儀4、數(shù)據(jù)采集器5、控制算法模塊6與加法器10組成。其中，所述 D/A電路1 一端與加法器10，另一端分別與功率放大器2和數(shù)據(jù)采集器5相接，所述功率放 大器2、振動臺3、激光干涉儀4以及數(shù)據(jù)采集器5依次相接，所述數(shù)據(jù)采集器5經(jīng)控制算法 模塊6后與加法器10相連。而所述控制算法模塊6包括順次相連的激光多普勒信號相位 展開7、諧波計算8與諧波陷波法反饋量計算9。其中，所述諧波計算8采用正弦波三參量 最小二乘擬合算法擬合出諧波信息，所述諧波陷波法控制是通過分析振動臺輸出信號的諧 波成份，將其主要諧波成份負(fù)反饋回振動臺的驅(qū)動信號源，進(jìn)行諧波補(bǔ)償與抑制，達(dá)到降低 振動臺輸出波形失真度的目的。 本實施方式中，所述功率放大器2、振動臺3、激光干涉儀4與解調(diào)作為一個整體系
統(tǒng)H來分析，其輸入為x(t) 二Asin("t)，其位移解調(diào)輸出信號如式(1)所示。
= 4 sin(的+ 4>2 sin(2w + + ... + On— + L) + C。 (1) 式中，A", A。2……A。n為諧波分析得到各階次信號幅值，^。2P。"為各階次信號 相位。 考慮到振動臺3輸出與輸入之間存在延遲信號，則可表示為如式(2)所示。
= sin(W D + 4>2 sin(2欣+ %2 - ) + " + j0 sin("^rf + 一 "<9rf ) + C。 (2) e d為振動基頻相位延遲。 為了消除y(t)的k次諧波，本實施方式中，在新的輸入信號中加入反饋信號
= —J^inO^ + ^)，此時振動臺3的輸出為如式(3)所示。<formula>formula see original document page 7</formula> ... (3) 由式(3)可知，若要消除諧波，必須使基頻的諧波響應(yīng)與諧波的基頻響應(yīng)相等，因
此％ +《d =P。A —，從而可以得到反饋信號相位如式(4)所示。
<formula>formula see original document page 7</formula> (4) 故用位移信號反饋的k次諧波反饋量計算公式如式(5)所示。
<formula>formula see original document page 7</formula> (5)、 式中Cs為一常數(shù)。然后將式(5)所得到的正弦諧波反饋量重新經(jīng)D/A電路后負(fù)
反饋回到振動臺的驅(qū)動信號源，以消除諧波，從而降低振動臺輸出波形失真度。 其具體實現(xiàn)步驟如下 步驟1 :將初始正弦信號源數(shù)字序列由D/A電路1轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)功率放大器2放大后驅(qū)動振動臺3振動，再經(jīng)激光干涉儀4干涉產(chǎn)生雙路正交多普勒信號，其中，所述雙路正交多普勒時域信號由圖2所示； 步驟2 :信號的相位展開，同步采集激光干涉儀4的雙路正交多普勒信號與D/A電路1輸出信號，對激光干涉多普勒信號進(jìn)行相位展開7，獲得振動位移信號；將該振動信號與信號源信號進(jìn)行相位比較，計算振動臺基頻相位延遲e d ; 步驟3 :諧波計算，用正弦波三參數(shù)最小二乘擬合算法對振動臺的振動位移信號進(jìn)行擬合，先擬合出基波成份的幅值相位信息，再將原始數(shù)據(jù)去除基波成份，擬合出2次諧波的幅值相位信息，依此類推，擬合出n次諧波信息，從而獲得振動位移信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示; 步驟4:計算諧波反饋量，找出諧波分量中幅值最大的兩個諧波，其中最大諧波分量為k次，第二大諧波分量為j次，則根據(jù)式(5)可計算出為消除k次和j次諧波所需要的反饋信號量，兩次諧波的反饋信號量之和為總反饋量； 步驟5，將總反饋量疊加到信號源，產(chǎn)生新的信號源驅(qū)動振動臺振動； 步驟6，重復(fù)步驟3 步驟5，直至將振動臺的失真度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。 本實施方式中，通過對振動臺的振動位移信號進(jìn)行擬合，得到其諧波信息，在計算
得到諧波反饋量，并將所計算得到的諧波反饋量經(jīng)加法器重新輸入，從而抑制或消除諧波
的影響，降低失真度。所述正弦振動臺失真度控制方法不需要分析振動臺的數(shù)學(xué)模型及各
種影響參量，即可以快速、有效地補(bǔ)償并抑制加速度波形諧波失真度，具有實現(xiàn)簡單，可移
植性強(qiáng)的特點，具有較大實際應(yīng)用價值。 本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法第二實施方式與第一實施方式相似，只是其所采取的諧波反饋量是速度信號，由于位移信號已知，因此通過一次求導(dǎo)就可以得到速度。
此時，與第一實施方式的位移信號相似，本實施方式中，速度輸出可以表示為
凡(O = sin(W) +」。v2 sin(2W + pov2)
+... + sin(MC^ + p續(xù))+ Gv (6) 且由于位移信號相位^。"與速度信號相位P,之間的關(guān)系可以式(8)表示，
L 二 L _ (" -1) x 90。 (8) 因此速度信號反饋的k次諧波反饋量具有式(10)的形式，
0V (0 = — , sin(b, + %v「 — &) + — x 90。)(10)[oo78] 式中c;為一常數(shù)。因此本實施方式中，通過對振動位移信號進(jìn)行求導(dǎo)，計算其速
度信號，用最小二乘法計算速度信號基波與諧波信息，獲得其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(6)所示，再根據(jù)式(10)計算出反饋信號量進(jìn)行反饋，使振動臺的失真度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法第三實施方式與第一實施方式相似，只是其所采取的諧波反饋量是加速度信號，由于位移信號已知，因此通過二次求導(dǎo)就可以得到加速度。 此時，與第一實施方式的位移信號相似，本實施方式中，所求的加速度輸出可以表
示為
凡(O = 4。! sin(W) +」。a2 sin(2奴+ poa2)
+... + ^謹(jǐn)sin— + p麵)+ C。 (7) 且由于位移信號相位P。"與加速度信號相位^^之間的關(guān)系可以式(9)表示，
P鍾^^訓(xùn)-0-l)xl8(T (9) 因此，用加速度信號反饋的k次諧波反饋量計算公式，如式(11)所示
A (0 = - ，sin一 + ^ — — 。 + (" 1) x i,)(1 i) 式中c;為一常數(shù)。 本實施方式中，通過對振動位移信號進(jìn)行二次求導(dǎo)，計算其加速度信號，用最小二乘法計算加速度信號基波與諧波信息，獲得其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(7)所示，再根據(jù)式(11)計算出反饋信號量進(jìn)行反饋，使振動臺的失真度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。 請同時參閱圖3，其是本實施方式有無反饋時振動臺臺面加速度時域信號的比較示意圖，其中，圖3a是圖3中不加反饋時振動臺臺面加速度時域信號；圖3b是圖3中加反饋后的振動臺臺面加速度時域信號。 綜上所述本發(fā)明基于諧波陷波原理的正弦振動臺失真度控制方法，通過對振動位移信號進(jìn)行求導(dǎo)，計算其速度信號或加速度信號，用最小二乘法計算速度信號或加速度信號基波與諧波信息，再計算出反饋信號量并通過加法器作為新的輸入進(jìn)行反饋，使振動臺的失真度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。本發(fā)明基于諧波陷波原理的正弦振動臺失真度控制方法實現(xiàn)
8C 簡單，可移植性強(qiáng)，可以快速、有效地補(bǔ)償并抑制加速度波形諧波失真度，具有較大的實際應(yīng)用價值，特別是在低頻或超低頻測量與控制應(yīng)用效果更為明顯。
權(quán)利要求
一種正弦振動臺失真度控制方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1由D/A產(chǎn)生正弦信號，經(jīng)功率放大器驅(qū)動振動臺振動；步驟2計算振動臺振動基頻相位延遲；步驟3對振動臺的振動信號進(jìn)行諧波分析；步驟4采用諧波陷波算法，并通過諧波陷波補(bǔ)償公式計算信號反饋量；步驟5將反饋量與振動臺輸入信號相加，產(chǎn)生新的輸入信號經(jīng)功率放大器驅(qū)動振動臺振動；步驟6重復(fù)步驟3至步驟5，直至將振動臺的失真度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的正弦振動臺失真度控制方法，其特征在于所述振動信號為 位移信號時，所述諧波陷波補(bǔ)償公式為，<formula>formula see original document page 2</formula>
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的正弦振動臺失真度控制方法，其特征在于所述振動信號為 速度信號時，所述諧波陷波補(bǔ)償公式為，<formula>formula see original document page 2</formula>
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的正弦振動臺失真度控制方法，其特征在于所述振動信號為 加速度信號時，所述諧波陷波補(bǔ)償公式為，<formula>formula see original document page 2</formula>
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的正弦振動臺失真度控制方法，其特征在于所述步驟2進(jìn)一步包括同步采集振動激光多普勒信號與振動臺輸入信號，對激光干涉多普勒信 號進(jìn)行相位展開，獲得振動信號，將測得的振動信號與振動臺輸入信號進(jìn)行相位比較，從而 計算出振動臺振動基頻相位延遲。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的正弦振動臺失真度控制方法，其特征在于所述步驟4中諧波陷波算法計算信號反饋量的過程為首先判斷振動信號主要諧波分量的諧波次數(shù)，其次 通過查找表獲得該諧波頻率的振動臺相位延遲，然后，采用諧波陷波補(bǔ)償公式計算反饋信 號的相位值，從而確定反饋信號量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種失真度控制方法，具體地說是一種針對正弦振動臺激勵信號進(jìn)行閉環(huán)反饋控制的方法，應(yīng)用于測量與控制領(lǐng)域。本發(fā)明正弦振動臺失真度控制方法通過分析振動臺振動過程中的基頻相位延遲和振動加速度諧波，利用諧波陷波算法計算反饋控制數(shù)字信號，將該反饋信號與振動臺的輸入數(shù)字信號相加作為振動臺新的輸入信號，并通過D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)功率放大器作用于振動臺。本發(fā)明無需對振動臺建模，控制方法簡單可行，能快速抑制振動臺的失真度，降低非線性因素的影響，提高波形精度，具有控制速度快、可移植性強(qiáng)的特點。
文檔編號H03F1/32GK101741318SQ20091026617
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者李新良, 胡春艷, 陳璐 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所