一种适用于摇摆试验台的多功能控制方法及控制装置

摘要

本发明公开了一种适用于摇摆试验台的多功能控制装置，包括上位机、下位机、控制传感器和摇摆试验台的伺服控制系统，所述上位机和所述下位机通过以太网连接，所述控制传感器和所述伺服控制系统均通过电连接与所述下位机连接，所述倾角传感器设置在所述摇摆试验台上，一种适用于摇摆试验台的多功能控制方法，包括正弦定频摇摆控制方法、正弦扫频摇摆控制方法、随机摇摆控制方法和时域跟踪摇摆控制方法。本发明所述的一种适用于摇摆试验台的多功能控制方法及控制装置可实现摇摆试验台的正弦定频、正弦扫频、随机以及时域跟踪摇摆控制，同时本控制装置系统简单、模块少、易于安装、维修方便，适用于摇摆控制领域。

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种适用于模拟海洋运输环境的 单轴或多轴摇摆试验台的多功能控制方法及控制装置。

背景技术

舰载武器是各类水面舰艇重要组成部分，是形成水面舰艇作战和防御能力 的核心力量，舰载武器性能的好坏直接影响舰艇的作战效能和作战能力。随着 国际形式的变化，海洋作战在现代战争中越来越重要，这就对舰载武器系统的 质量水平提出了更严格的要求。舰载武器系统因受到风、浪、流、潮以及舰船 本身固有的摇摆，不可避免地产生晃动、旋转等摇摆运动。这种摇摆运动将对 舰载武器系统造成一定影响，甚至损伤。为了保证舰载武器系统在海洋环境中 正常发挥其效用，对舰载武器系统进行摇摆环境适应性考核试验是必要和有效 的手段。通常的摇摆试验台以两轴或三轴摇摆为主，也有基于stewart结构的 多自由度运动仿真平台，其摇摆试验一般以横摇、纵摇及首摇为主，GJB  150.23A-2009也规定了军用装备摇摆试验条件及严酷等级。

目前，对摇摆试验台运动的控制主要采用正弦摇摆控制。例如天津福云天 翼、哈尔滨海军工程大学研制的多自由度摇摆试验台，该类摇摆试验台使用液 压或电机驱动，控制策略采用位置、速度、电流三闭环伺服控制方式，实现正 弦摇摆控制。另外，武汉光电研究国家试验室研发的三轴摇摆试验台，该摇摆 试验台也使用电机驱动，控制策略采用基于查询方式的模糊控制方法，可实现 摇摆试验台正弦波和三角波运动。但随着对舰载武器性能要求的不断提高，单 纯的正弦或三角摇摆试验已不能满足考核目标，需要对实际海洋运输环境工况 进行更加真实地模拟和全面考核，涉及的控制方式包括正弦定频、正弦扫频、 随机、时域跟踪等多种方式。正弦扫频摇摆试验能实现对试件不同摇摆周期的 全覆盖考核；随机摇摆试验可以模拟长时间海洋运输环境下的随机统计特征量 的近似模拟；时域跟踪则针对实际的摇摆工况按照环境参量的时间历程信号进 行跟踪控制，以便达到更加真实模拟海洋运输环境的效果。为了实现这些复杂 的摇摆控制功能，通常简单的摇摆控制器或信号发生器已不能满足试验需求， 需要开发出一套具备正弦定频、正弦扫频、随机、时域跟踪多种控制功能的摇 摆控制装置。目前市场上并没有专业用于摇摆试验台的摇摆控制装置，只有振 动控制器或信号发生器。振动控制器能实现正弦、随机、波形再现等振动控制， 虽然在控制方式上与摇摆控制类似，但其在控制对象和控制原理上均有较大区 别。振动控制器控制对象是电动或电液振动台，实现频域谱的控制，控制频率 范围在0.5Hz以上。而摇摆控制装置的控制对象是摇摆试验台，控制周期大于 3s。振动控制器技术参数不能满足摇摆控制的需求，不适用于摇摆试验台的控 制。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种适用于摇摆试验台的多 功能控制方法及控制装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种适用于摇摆试验台的多功能控制方法，包括正弦定频摇摆控制方法、 正弦扫频摇摆控制方法、随机摇摆控制方法和时域跟踪摇摆控制方法，

所述正弦定频摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后发送启频信号， 当摇摆量级达到定频设定量级值时，定频摇摆开始，整周期采集摇摆试验台的 角位移信号，识别采集信号幅值，并与设定值对比，修正驱动信号幅值后，发 送新的驱动信号至摇摆试验台；

所述正弦扫频摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后发送启频信号， 当摇摆量级达到设定的周期摇摆谱初始量级时，扫频摇摆开始，引入传递函数 增益，修正驱动信号幅值，根据周期摇摆谱当前时刻周期与修正后的驱动信号 幅值组成新的驱动信号，发送新的驱动信号至摇摆试验台；

所述随机摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后生产初始随机信号， 并进行滤波处理后发送给摇摆试验台，采集摇摆试验台的角位移信号，统计该 信号的均方根值，引入传递比后修正驱动信号，生产新的随机驱动信号，滤波 处理后发送至摇摆试验台；

所述时域跟踪摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后，发送启频信 号，当摇摆量级达到初始时域跟踪信号时，时域跟踪摇摆开始，引入最小方差 预测器，解算出一步超前驱动，将驱动发送至摇摆试验台。

具体地，所述正弦扫频摇摆控制方法中的所述摇摆试验台在不同周期下的 所述传递函数增益利用节点频率的系统增益辨识方法计算得出，并进行全频带 的增益线性拟合，用以补偿在正弦扫频过程中的驱动幅值，并引入在环的幅值 反馈补偿对驱动信号的幅值进行修正。

具体地，所述随机摇摆控制方法利用全频带的带宽随机信号辨识系统增益， 补偿驱动信号均方根。

具体地，所述时域跟踪摇摆控制方法通过引入最小方差预测器对含有对象 输出预测误差平方的目标函数达到极小来解算出控制器的一步超前输出，实现 摇摆试验台输出，能够渐近无差地跟踪参考时间历程信号。

优选地，所述正弦定频摇摆控制方法、所述正弦扫频摇摆控制方法、所述 随机摇摆控制方法和所述时域跟踪摇摆控制方法的启频和停止信号均采用半正 弦窗加窗方式，实现所述摇摆试验台的摇摆控制信号的零起始零结束和平缓启 动停止。

优选地，所述时域跟踪摇摆控制方法采用3～5阶线性模型近似比较。

一种适用于摇摆试验台的多功能控制装置，包括上位机、下位机、控制传 感器和摇摆试验台的伺服控制系统，所述上位机和所述下位机通过以太网连接， 所述控制传感器和所述伺服控制系统均通过电连接与所述下位机连接，所述倾 角传感器设置在所述摇摆试验台上。

具体地，所述下位机包括PXI RT控制器和信号适调模块，所述PXI RT控 制器通过以太网与所述上位机连接，所述信号适调模块与所述PXI RT控制器双 向电连接，所述控制传感器中的倾角传感器与所述信号适调模块中的倾角适调 模块电连接，所述信号适调模块通过数据采集卡或总线数据卡与所述伺服控制 系统实现数字通讯。

进一步，所述控制装置还包括直流电源，所述直流电源为所述PXI RT控制 器和所述信号适调模块供电。

优选地，所述PXI RT控制器、所述数据采集卡或所述总线通讯卡、所述直 流电源和所述信号适调模块通过下位机控制机箱进行封装。

本发明的有益效果在于：

本发明所述的一种适用于摇摆试验台的多功能控制方法及控制装置可实现 摇摆试验台的正弦定频、正弦扫频、随机以及时域跟踪摇摆控制，同时本控制 装置系统简单、模块少、易于安装、维修方便，适用于摇摆控制领域。

同时本发明具有一定的通用性，所述摇摆控制方法适用于具有上述摇摆功 能的普遍摇摆试验台，所述摇摆控制装置不但适用于电机驱动的双轴或三轴摇 摆试验台，还适用于液压驱动的stewart多自由度摇摆试验台。

附图说明

图1是本发明所述一种适用于摇摆试验台的多功能控控制装置的结构框图；

图2是本发明所述一种适用于摇摆试验台的多功能控控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种适用于摇摆试验台的多功能控制装置，其特征在 于：包括上位机、下位机、直流电源、控制传感器和摇摆试验台的伺服控制系 统，上位机和下位机通过以太网连接，控制传感器和伺服控制系统均通过电连 接与下位机连接，倾角传感器设置在摇摆试验台上，下位机包括PXI RT控制器 和信号适调模块，PXI RT控制器通过以太网与上位机连接，信号适调模块与PXI  RT控制器双向电连接，控制传感器中的倾角传感器与信号适调模块中的倾角适 调模块电连接，信号适调模块通过数据采集卡或总线数据卡与伺服控制系统实 现数字通讯，直流电源为PXI RT控制器和信号适调模块供电，PXI RT控制器、 数据采集卡或总线通讯卡、直流电源和信号适调模块通过下位机控制机箱进行 封装。

控制装置的核心算法通过PXI RT控制器实现，可达到1ms(即1K采样频率) 精确闭环控制步长，并利用了共享变量通讯方式，保证了数据实时不间断不丢 点采集与发送，通过配置数据采集卡或总线通讯卡，可实现摇摆控制器与摇摆 试验台伺服控制系统的模拟通信或数字通讯。

控制装置采用了上下位机的工作模式，上位机采用普通计算机或笔记本电 脑作为人机交互界面，具有参数设置、硬件自检、控制参数调整、控制指令发 送以及曲线显示等功能；下位机为PXI RT控制器并附加了多通道的倾角传感器 信号适调电路，控制传感器为单轴或双轴倾角传感器。

如图2所示，一种适用于摇摆试验台的多功能控制方法，包括正弦定频摇 摆控制方法、正弦扫频摇摆控制方法、随机摇摆控制方法和时域跟踪摇摆控制 方法。摇摆控制方法是通过PXI RT控制器进行实时闭环控制，精确定步长为1ms， 保证了信号的精确定时和控制实时性，同时利用共享变量方式，进行多通道给 定信号输入和控制信号输出，以保证给定信号的发送与控制信号采集能够不间 断不丢点的实时运行。

在进行控制流程之前，需要进行系统初始化和自检，具体包括以下步骤， 首先初始化系统，包括系统参数设置、参考信号设置；等待试验开始后，系统 自检；自检若未通过，系统再次进入初始化，自检若通过，系统进入摇摆过程； 摇摆过程停止后，系统重新进入初始化。

正弦定频摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后发送启频信号，当 摇摆量级达到定频设定量级值时，定频摇摆开始，整周期采集摇摆试验台的角 位移信号，识别采集信号幅值，并与设定值对比，修正驱动信号幅值后，发送 新的驱动信号至摇摆试验台；

正弦扫频摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后发送启频信号，当 摇摆量级达到设定的周期摇摆谱初始量级时，扫频摇摆开始，引入传递函数增 益，修正驱动信号幅值，根据周期摇摆谱当前时刻周期与修正后的驱动信号幅 值组成新的驱动信号，发送新的驱动信号至摇摆试验台；正弦扫频摇摆控制方 法中的摇摆试验台在不同周期下的传递函数增益利用节点频率的系统增益辨识 方法计算得出，并进行全频带的增益线性拟合，用以补偿在正弦扫频过程中的 驱动幅值，并引入在环的幅值反馈补偿对驱动信号的幅值进行修正。

随机摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后生产初始随机信号，并 进行滤波处理后发送给摇摆试验台，采集摇摆试验台的角位移信号，统计该信 号的均方根值，引入传递函数后修正驱动信号，生产新的随机驱动信号，滤波 处理后发送至摇摆试验台；随机摇摆控制方法利用全频带的带宽随机信号辨识 系统增益，补偿驱动信号均方根。

时域跟踪摇摆控制方法包括以下步骤：进行系统辨识后，发送启频信号， 当摇摆量级达到初始时域跟踪信号时，时域跟踪摇摆开始，引入最小方差预测 器，解算出一步超前驱动，将驱动发送至摇摆试验台。时域跟踪摇摆控制方法 通过引入最小方差预测器对含有对象输出预测误差平方的目标函数达到极小来 解算出控制器的一步超前输出，实现摇摆试验台输出，能够渐近无差地跟踪参 考时间历程信号，根据摇摆试验台的非线性、结构复杂性等因素，拟采用3～5 阶的线性模型来近似比较合理，对应的跟踪算法也将迅速收敛。

正弦定频摇摆控制方法、正弦扫频摇摆控制方法、随机摇摆控制方法和时 域跟踪摇摆控制方法的启频和停止信号均采用半正弦窗加窗方式，实现摇摆试 验台的摇摆控制信号的零起始零结束和平缓启动停止，保证了摇摆试验台工作 过程中平稳摇摆控制和零起始零结束。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术 方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。