抑制机械系统残留振动的输入整形器

摘要

本发明公开了抑制机械系统残留振动的输入整形器，其特征是，整形器的传递函数为：

说明书

【技术领域】

本发明涉及机械系统控制领域，具体涉及抑制机械系统残留振动的输 入整形器。

【背景技术】

在定位控制系统中，由于机械设备末端刚性较低等原因，机械设备末 端在状态切换时会发生低频振动，通常称为残留振动，从而影响定位精度。 一般对低频振动的抑制主要有三种途径：(1)结构优化设计，(2)反馈控 制，(3)输入整形。结构优化设计一般需要通过增加系统质量来增加系统 阻尼、提高系统刚度，但这将影响速度响应或增大系统能耗；反馈控制需 要增加传感器和检测电路，使系统成本增加，而且有时传感器不方便安装， 信号不好测量。输入整形技术以简单的开环控制实现快速定位，并且可以 有效抑制残留振动，故在高速高精定位系统中得到广泛应用。常用输入整 形器主要有ZV(零振荡)整形器、ZVD(零振荡与零导数)整形器、各 伺服厂家伺服驱动器集成的陷波滤波器等。

如图1，ZV输入整形器对原始阶跃信号a整形后，得到输出波形b1， 如图2，ZVD输入整形器对原始阶跃信号a整形后，得到输出波形b2，陷 波滤波器对原始阶跃信号a整形后，得到输出波形b3。

虽然现有输入整形器能够有效抑制残留振动，但对阶跃信号的整形时， 其整形输出信号仍有突变，对系统有冲击，影响系统运行平稳性。各伺服 厂家伺服驱动器集成的陷波滤波器冲击小，但有拖尾现象，响应速度慢。 如图1所示常用输入整形器的整形输出信号示意图。

【发明内容】

本发明为解决现有输入整形器对阶跃信号整形时整形输出仍然具有跃 变，对系统有冲击以及谐波滤波整形输出具有拖尾现象的问题，提出新型 输入整形器，使机械系统在抑制残留振动的同时，减少阶跃响应对系统的 冲击。

抑制机械系统残留振动的输入整形器，输入整形器的传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{n·(1-z^{-1})}·(k_1+k_2·z^{-n}+k_3·z^{-2n}+k_4·z^{-3n}),$

其中，k₁、k₂、k₃、k₄为增益系数，n为时滞系数。

在一个实施例中，

$\left(\begin{array}{c}{k}_1=1\\ k_2=-2\\ k_3=2\\ k_4=-1\\ n=\frac{f_s}{6f}\end{array}\right)$

f_s为输入整形器对指令输入信号的采样频率，f为需要抑制的残留振 动的频率，n为正整数。

所述机械系统为刚性度小于刚性度阈值的机械系统。

本发明有益效果在于：

本输入整形器减少了系统冲击：对阶跃信号可以一阶可微分，类似一 阶滤波器，消除了力矩的中高频振动和冲击，适用于刚性较差机械系统， 并且可以减少机械磨损。

新型输入整形器对阶跃信号的整形输出信号为折线形状，没有阶跃变 化，也没有拖尾现象。

本输入整形器的增益系数固定，其时滞时间只与系统采样频率和残留 振动频率有关，不需要考虑系统阻尼系数，大大降低了输入整形器的设计 难度。

本输入整形器不仅可以抑制所需消除的残留振动，同时也可以高频的 残留振动幅值也得衰减，而且还可以抑制高频噪音的输入。

【附图说明】

图1是现有技术的ZV输入整形器的整形输出信号示意图

图2是现有技术的ZVD输入整形器的整形输出信号示意图

图3是现有技术的陷波滤波器的整形输出信号示意图

图4是本发明一种实施例的抑制机械系统残留振动的输入整形器传递函 数框图

图5是图4抑制机械系统残留振动的输入整形器的整形输出信号示意图

图6是本发明一种实施例的抑制机械系统残留振动的输入整形器的传递函 数框图

图7是图6输入整形器和ZV整形的幅频特性曲线图

图8是图6输入整形器和ZV整形的幅频特性曲线图

图9是各种时域波形图

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

实施例1

如图4和5所示，一个实施例的抑制机械系统残留振动的输入整形器， 整形器的传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{n·(1-z^{-1})}·(k_1+k_2·z^{-n}+k_3·z^{-2n}+k_4·z^{-3n}),$式1-1

其中，k₁、k₂、k₃、k₄为增益系数，n为时滞系数。

对于机械末端的控制指令包含原始阶跃信号a，例如，控制指令需要 控制机械末端从初始位置到达某个位置，经过整形器的整形后输出的整形 信号b4，从图3可以看出，本新型输入整形器对阶跃信号的整形输出信号 为折线形状，没有阶跃变化，从而减少系统的冲击，并能够对机械系统残 留振动的频率进行有效抑制。

在一个实施例中，

$\left(\begin{array}{c}{k}_1=1\\ k_2=-2\\ k_3=2\\ k_4=-1\\ n=\frac{f_s}{6f}\end{array}\right)$式1-2

式1-2中，增益系数k₁、k₂、k₃、k₄固定不变，f_s为系统采样频率，f 为需要抑制的残留振动的频率，时滞系数n属于正整数，如果出现小数， 则四舍五入取整，并且n最小值取1。

新型输入整形器与ZV整形器、ZVD整形器相比较，多了积分器，并 且增益系数固定，其时滞时间只与系统采样频率和残留振动频率有关，而 不需要考虑系统阻尼系数，大大降低了输入整形的设计难度。

实施例2

本实施例通过MATLAB仿真将新型输入整形器与ZV整形器进行对 比。

考虑存在残留振动的机械系统，其传递函数如式1-3所示。

$G\left(s\right)=\frac{2763s^2+15590000}{s^4+125.7s^3+7896s^2+496100s+15590000}$式1-3

S1、设计新型输入整形器

当采样频率f_s＝12000Hz，需要抑制的残留振动的频率f＝10Hz时，由 式1-3得式1-4：

$\left(\begin{array}{c}{k}_1=1\\ k_2=-2\\ k_3=2\\ k_4=-1\\ n=\frac{f_s}{6f}=\frac{1200}{6\times 10}=200\end{array}\right)$式1-4

由式1-4设计的新型输入整形器传递函数如式1-5所示。

$H\left(z\right)=\frac{1}{200(1-z^{-1})}·(1-2z^{-200}+2z^{-400}-z^{-600})$式1-5

由式1-5得到如图6所示的新型输入整形器实施例传递函数框图。

S2、设计ZV整形器

当采样频率f_s＝12000Hz，需要抑制的残留振动的频率f＝10Hz时，设 计得到传递函数如式1-6所示的ZV整形器。

$H\left(z\right)=\frac{1}{2}(1+z^{-600})$式1-6

如图7和图8所示为新型输入整形器和ZV整形的幅频特性曲线图。

从图7可以看出，在需要抑制频率f＝10Hz的残留振动处，新型输入 整形器和ZV整形器都能够将残留振动的幅值抑制为0。

从图8可以看出，新型输入整形器对高频的残留振动也具有衰减作用， 而ZV整形器对大部分高频的残留振动无衰减作用。

如图9中，新型输入整形器输出的时域波形L1、ZV整形器输出的时 域波形L5、使用ZV整形器的系统单位阶跃响应时域波形L4、使用新型 整形器的系统单位阶跃响应时域波形L3、无输入整形器的系统单位阶跃响 应的时域波形L2。图9中的无输入整形器的单位阶跃输入信号夹杂着高频 噪音。

从图9可以看出：

(1)新型输入整形器的输出折线形状，没有阶跃变化，也没有拖尾现 象，同时可以滤除高频噪音，而ZV整形器的输出为阶梯形状，仍然有阶 跃变化，但不可以滤除高频噪音。

(2)无输入整形器的系统单位阶跃响应出现震荡现象，而使用了输入 整形器的系统单位阶跃响应消除了震荡现象。

(3)使用新型输入整形器和使用ZV整形器的系统单位阶跃响应曲线 几乎重合，说明新型输入整形器和ZV整形器对系统震荡现象的抑制效果 相当。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的 专利保护范围。