自抗扰复合振动控制系统

1.本发明涉及悬臂梁结构的振动控制技术领域，具体涉及一种自抗扰复合振动控制系统。


背景技术：

2.悬臂梁结构具有重量轻、可靠性高、刚度大等优点，应用范围也越来越广泛，尤其是在对结构要求较高的场合和领域受到越来越多的关注，比如飞行器、航天器、汽车及机器人等领域。
3.悬臂梁结构本质上是一个强耦合、多变量、非线性的复杂系统，而且悬臂梁振动控制过程中，模型参数经常可能是时变的，加上各种外部干扰和不确定因素的影响，经典的控制方法可能无法取得令人满意的控制效果，控制策略的选择会直接影响振动控制的性能。在悬臂梁结构的振动控制系统中，目前主要可以分为被动控制、半主动控制以及主动控制。其中，主动控制主要依靠采集结构响应的状态，例如位移、速度或加速度信号等，通过反馈或干扰激励信号前馈，利用控制算法求解控制量，实时的驱动执行机构抑制结构振动。在能量充足的情况下，与被动控制和半主动控制相比，主动控制能结合先进的控制算法而使得在低频下控制效果更加显著。但是，振动主动控制也存在以下问题：1.振动系统中存在如高次谐波、外部激励等各种内外部干扰量，通常的控制方法抑制干扰的能力不足。2.目前在很多振动控制系统中由于各种先进控制算法计算量比较大，开发者需要实时不断更新学习新的算法的编写，从而在代码开发上需要花费大量的时间和精力。
4.因此，如何在降低开发难度的前提下提高振动主动控制的抗干扰能力成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供了一种自抗扰复合振动控制系统，以解决现有技术中针对悬臂梁结构主动控制存在开发难度高、抗干扰能力弱的问题。
6.本发明实施例提供了一种自抗扰复合振动控制系统，包括：
7.将在悬臂梁结构上采集到的双极性正弦振动信号转换为第一电压信号；
8.将第一电压信号进行偏移处理，得到第二电压信号；
9.通过第二电压信号和扩张状态观测器计算出控制量；
10.将控制量转换为双极性的第三电压信号；
11.使第三电压信号通过功率放大器输出至设置在悬臂梁结构上的作动器，实现振动抑制。
12.可选地，还包括：通过积分器将第一电压信号转换为速度电压信号。
13.可选地，在将控制量转换为双极性的第三电压信号之后，还包括：通过数字iir滤波器对第三电压信号进行滤波。
14.可选地，将第一电压信号进行偏移处理，得到第二电压信号，包括：
15.通过加法电路对第一电压信号叠加一固定电压，得到第二电压信号。
16.可选地，在将第一电压信号进行偏移处理，得到第二电压信号之前，还包括：
17.通过分压电路对第一电压信号进行分压处理，使第一电压信号衰减至原先的1/6～1/3。
18.可选地，还包括：电压跟随器，设置在分压电路和加法电路之间，电压跟随器用于隔离积分器和加法电路对第二电压信号的影响。
19.可选地，在通过第二电压信号和扩张状态观测器计算出控制量之前，还包括：
20.通过增益环节电路将第二电压信号从数字信号还原为模拟信号，再通过信号增减环节补偿至与第一电压信号相同的大小。
21.可选地，在将控制量转换为双极性的第三电压信号之前，还包括：
22.通过限幅器对控制量进行输出限制；
23.通过数模转换器将控制量从数字信号转换为模拟信号。
24.可选地，通过第二电压信号和扩张状态观测器计算出控制量，包括：
25.通过悬臂梁结构的动力学方程和状态空间方程，获取系统参数；其中，系统参数包括悬臂梁结构的运动位移量、悬臂梁结构的质量、悬臂梁结构的阻尼和悬臂梁结构的刚度；
26.根据系统参数获取悬臂梁结构的状态空间模型；
27.对状态空间模型建立扩张状态观测器；
28.调整扩张状态观测器的增益系数，并引入线性控制律，获取自抗扰复合控制律；
29.对自抗扰复合控制律进行离散化处理，得到控制量。
30.可选地，还包括：
31.通过扩张状态观测器输出总干扰与状态量估计值；
32.通过前馈补偿总干扰；
33.根据状态量估计值设置线性控制律；
34.计算当前自抗扰复合控制律对应的振动位移输出并计算振动位移误差；
35.根据振动位移误差重新调整输出总干扰和状态量估计值，使得自抗扰复合控制规律对应的振动位移输出误差在预设范围内。
36.本发明实施例的有益效果：
37.本发明实施例利用自抗扰技术核心环节的扩张状态观测器，不仅能得到不确定对象的各个状态量，还能获得对象模型中内外总扰动的实时估计量，把该估计值补偿到控制系统中，就可以抑制干扰，进而改善系统的性能。而且本实施例简化后的线性自抗扰控制系统的参数更少，控制结构的实现更加简单，参数设计的工作量大幅减少，有利于工程应用。
附图说明
38.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
39.图1示出了本发明实施例1中一种自抗扰复合振动控制系统的流程图；
40.图2示出了本发明实施例1中一种自抗扰复合振动控制系统的结构图；
41.图3示出了本发明实施例1中一种悬臂梁结构模型图；
42.图4示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的双极性转单极性电
路图；
43.图5示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的信号调理电路仿真图；
44.图6示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的信号还原处理电路图；
45.图7示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的单极性信号转双极性信号电路图；
46.图8示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的iir滤波器电路图；
47.图9示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的iir滤波效果图；
48.图10示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的自抗扰复合控制算法模块图；
49.图11示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的eso状态估计与实际误差对比图；
50.图12示出了本发明实施例2中一种自抗扰复合振动控制系统的振动控制实验效果图。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明实施例提供了一种自抗扰复合振动控制系统，如图1和图2所示，包括：
53.步骤s10，将在悬臂梁结构上采集到的双极性正弦振动信号转换为第一电压信号。
54.在本实施例中，通过加速度计对悬臂梁结构的振动信号进行采集，采用一个恒流源适调器对加速度计进行供电，同时恒流源适调器接收采集到的振动信号，并将振动信号转换为第一电压信号。
55.步骤s20，将第一电压信号进行偏移处理，得到第二电压信号。
56.目前主流的芯片，例如arm系列，对信号输入存在要求，同时，由于采集的振动信号是双极性的正弦信号，负电压部分无法被arm的adc模块采集，因此在本实施例中，需要对第一电压信号进行偏移处理，以满足arm电压输入的要求。
57.步骤s30，通过第二电压信号和扩张状态观测器计算出控制量。
58.在本实施例中，扩张状态观测器是估计系统的总扰动与系统各个状态量，通过非线性反馈形式进行补偿和控制。它的优点是不依赖精确的控制对象和扰动的数学模型，因此易于实现，结构简单，在强扰动和未知系统中仍然能保持较好的控制效果。在具体实施例中，扩张状态观测器所需要的参数通过图3所示的建模获取。
59.在具体实施例中，步骤s30包括：
60.通过悬臂梁结构的动力学方程和状态空间方程，获取系统参数；其中，系统参数包括悬臂梁结构的运动位移量、悬臂梁结构的质量、悬臂梁结构的阻尼和悬臂梁结构的刚度；
61.根据系统参数获取悬臂梁结构的状态空间模型；
62.对状态空间模型建立扩张状态观测器；
63.调整扩张状态观测器的增益系数，并引入线性控制律，获取自抗扰复合控制律；
64.对自抗扰复合控制律进行离散化处理，得到控制量。
65.步骤s40，将控制量转换为双极性的第三电压信号。
66.在本实施例中，由arm芯片运算得出的控制量信号是数字信号，通过dac模块输出模拟电压，再将该模拟电压转换为双极性电压，即第三电压信号。
67.步骤s50，使第三电压信号通过功率放大器输出至设置在悬臂梁结构上的作动器，实现振动抑制。
68.在本实施例中，通过功率放大器对第三电压信号进行放大，以控制作动器，实现振动抑制。
69.本发明实施例利用自抗扰技术核心环节的扩张状态观测器，不仅能得到不确定对象的各个状态量，还能获得对象模型中内外总扰动的实时估计量，把该估计值补偿到控制系统中，就可以抑制干扰，进而改善系统的性能。而且本实施例简化后的线性自抗扰控制系统的参数更少，控制结构的实现更加简单，参数设计的工作量大幅减少，有利于工程应用。
70.作为可选的实施方式，还包括：
71.通过扩张状态观测器输出总干扰与状态量估计值；
72.通过前馈补偿总干扰；
73.根据状态量估计值设置线性控制律；
74.计算当前自抗扰复合控制律对应的振动位移输出并计算振动位移误差；
75.根据振动位移误差重新调整输出总干扰和状态量估计值，使得自抗扰复合控制规律对应的振动位移输出误差在预设范围内。
76.实施例2
77.为了对振动信号输出数据进行处理，以便于输入到arm硬件设备，需要进行数据转换，而且需要满足arm电压输入的要求，stm32f4的ad采样式是12位的，因此，数据的范围是[0～4095]，换算电压公式为：
[0078]
v＝adc*(3.3/4096)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0079]
由于所采集的振动信号是双极性的正弦信号，负电压部分无法被arm的adc模块采集，且超过3.3v的正电压也无法采集，因此基于电阻分压和加法器原理，设计如图4所示的双极性转单极性电路，在本发明中的振动输入信号范围为-10v～10v,该电路首先通过电阻分压衰减为振动输入信号的1/4，并以3.3v为加法电路的参考电压，电位偏移至0-3.3v，使原输入信号变为0～3.3v的单极性正电压，即
[0080][0081]
同时该电路为防止上级积分电路与下级加法电路互相影响还引入电压跟随器。其相应信号调理效果如图5所示，当输入振动电压信号为
±
10v时，输出振动电压信号为0-3.3v。
[0082]
当信号进入arm芯片cpu时，需要将信号还原为原来的振动信号，由于该型号的arm
处理器adc是12位的，0～3.3v所转换的数字量是0～4095，因此将采集的数字量反向还原至实际原始波形的电压，如图6所示，首先将输入信号经过增益环节，将数字量重新转换为模拟电压量，再通过信号增减环节补偿至原来的大小，即
[0083][0084]
同样当信号经过控制器运算后得到的控制量应当是双极性波形，需要转换至0～3.3v输出，由于较大的控制量幅值易被dac截止，因此加入限幅器防止硬件损坏，具体转换形式如图7所示，首先经过“saturation”饱和限制模块限制输出控制电压量，并经过增减环节进行补偿信号，在通过“zero-order hold”保持器模块将离散信号转换为连续信号。
[0085]
对于输出信号还需要进一步滤波处理，数字滤波器是simulink中自带的，方便使用者设计所需的带宽和阶数，有多种滤波方式可供选择，本实施例采用iir数字滤波器，首先假设滤波后的振动位移为其连续时间的表达式为：
[0086][0087]
其中，we为滤波前的振动位移，为滤波后的振动位移，为低通滤波器的一个时间常数，fc为截止频率。，则此数字滤波器的具体形式为其中数字滤波器的系数t为滤波周期，s表示离散状态，s为当前步，s-1为前一步。
[0088]
依据上述数字iir滤波器搭建如图8所示。如图9所示滤波结果所示滤除输出信号中的直流量、信号采集中混入的噪声和其他高阶模态频率信号。
[0089]
在具体实施例中，整个悬臂梁结构控制系统硬件包括：计算机(matlab程序平台)，arm开发板，hev-200功率放大器、压电陶瓷执行器以及悬臂梁结构。arm型号为stm32f407zgt6，整个控制板需要的电压由开关电源提供，其电压为12v，因此需设计降压电路将其转换为所需电压大小。先通过lm2576-5.0芯片将12v转换为5v，一路供给arm的稳压供电电路，一路再降压成3.3v给单极性转双极性中的加法电路做参考信号。
[0090]
整体流程为：恒流源适调器给加速度计供电，同时将加速度计的振动信号转换为电压信号，随后使用积分器转换为速度电压信号，通过电压抬升电路将所采电压转换为0-3.3v供arm的adc采集，转换为数字量后利用控制算法计算控制量，再通过dac输出模拟电压，将该电压转换为双极性电压后通过功率放大器控制作动器实现振动的抑制，期间控制算法利用simulink搭建并代码生成c语言实现，jtag接口进行程序烧录，同时搭建上位机并基于usart进行通信，实现振动控制算法参数实时调节和控制结果的可视化。
[0091]
软件算法部分说明如下：
[0092]
悬臂梁结构的动力学方程为如式(5)所示：
[0093][0094]
其中，y为振动结构位移，为振动结构速度，为振动结构速度，m为振动结构的质
量、c为振动结构的阻尼、k为振动结构的刚度；fd表示未知外界激励干扰；α0为力因子、v为压电元件的施加控制电压，两者的乘积是压电片产生的作用力f
p
。进一步转换为状态方程的形式如式(4)所示：
[0095][0096]
式中u表示控制电压，x表示振动系统状变量，为振动系统状态变量的微分，y表示振动结构位移，振动结构速度，y
p
表示压电元件的输出。另外，和c
p
＝[1 0]分别为振动系统的状态、控制和输出矩阵。
[0097]
由辨识参数代入式(6)可得式(7)：
[0098][0099]
其中α0为力因子，c0为压电元件的固有电容，λ为压电元件电压与悬臂梁测量点位移之比，k为振动结构的刚度，f0为压电元件的短路共振频率，f1为压电元件的开路共振频率，m为振动结构的质量，c为振动结构的阻尼，ε为悬臂梁结构的阻尼比，x1为振动结构的位移，x2为振动结构位移的微分，即振动结构的速度，为振动结构的加速度，，是激振器模拟的未知外界激励干扰。可令为不确定的外部激励干扰，令f(x1,x2)＝-4π2f
02
x
1-4πεf1x2为系统状态相关的函数，令b＝4π2(f
12-f
02
)/λ为控制器增益，系统的状态空间模型可以进一步表达如下：
[0100][0101]
其中，取常值b0，用b0来估计控制器的设计增益b，那么f(x1,x2)+(b-b0)u项可认为是内扰(建模误差)，总扰动可表示为内扰与外扰之和即f(x1,x2)+(b-b0)u+wf。将总扰动扩张成一个新的系统状态量x3，并假设这个x3是可微的，则令则系统可描述如下：
[0102][0103]
针对上式建立形如(7)的三阶扩张状态观测器：
[0104][0105]
其中ωo为扩张状态观测器的增益，并为唯一的调节参数。e1为扩张状态观测器的观测误差，z1，z2和z3分别为振动结构位移x1，振动结构速度x2和总干扰x3的估计值。令得引入线性控制律即pd控制，则自抗扰复合控制律u为
[0106][0107]
其中k
p
为比例增益，kd为微分增益。
[0108]
为了可以利用arm控制器实现此振动控制算法，将其进行离散化处理可得：
[0109][0110]
式中，s表示离散状态，s为当前步，s-1为前一步，s+1为后一步。
[0111]
将离散化后的式(10)在simulink中的相应搭建程序，具体如图10所示。
[0112]
并进行以下的实验验证：
[0113]
①
系统误差状态量估计跟踪实验：在附加外界激励时所对应的系统误差状态量估计与实际误差比较如图11所示，显然eso估计准确，避免了直接利用微分信息进行设计pd控制器而带来的高增益噪声问题。
[0114]
②
振动控制实验：外加频率为48.5hz的激励信号激励悬臂梁结构，并通过自抗扰复合控制系统进行振动控制，实验结果如图12所示，时域振动的幅值受到自抗扰复合的控制而减少了50％，取得了较好的振动控制效果，验证了本章节搭建的振动控制系统与自抗扰振动控制算法的正确性与可行性。
[0115]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。