一种基于控制系统的频率响应特性测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制领域，更具体地说，涉及一种基于控制系统的频率响应特性 测试系统及方法。
【背景技术】
[0002] 伺服控制系统的参数调整往往需要兼顾系统的快速性和稳定性，但是实际上却很 少有工具来检测伺服控制系统的快速性以及稳定性。频率响应法是经典控制理论里的核心 分析方法，从控制系统开环频率响应特性可以得到系统剪切频率、稳定性、稳定裕度、谐振 频率等重要信息，这些重要信息表征了控制系统的快速性和稳定性。经典控制理论还提供 了一系列根据控制系统开环频率响应特性对系统进行校正的理论依据，了解控制系统各子 模块的频率响应特性对于系统校正至关重要。
[0003]目前，为获得伺服控制系统的闭环频率响应特性，通常采用频率特性测试仪或是 通过正弦波扫频实验的方式近似测得系统闭环频率响应特性。然而，在使用频率特性测试 仪进行测试时，需要接口支持，且一般只能测得控制系统的闭环频率响应特性；正弦波扫频 实验方式则耗时耗力，效率低下，且只能测得系统闭环频率响应特性。
[0004] 如图1所示，是现有的典型闭环控制系统的原理图，其可以分为三个子模块：控制 器、对象模型、反馈通道。其典型的闭环控制系统的结构框图如图2所示，其中，C(s)表示控 制器的传递函数，G(s)表示对象模型的传递函数，H(s)表示反馈通道的传递函数。相应的， C(jw)表示控制器的频率响应特性，G(jw)表示对象模型的频率响应特性，H(jw)表示反 馈通道的频率响应特性。对于上述典型闭环控制系统，其开环传递函数可表示为CGH(s)，相 应的，其开环频率响应特性可以表示为CGH(j? )。
[0005] 频率响应特性由幅频特性和相频特性组成，对应于上述典型控制系统，频率响应 特性可以分别表示为：
【主权项】
1. 一种基于控制系统的频率响应特性测试系统，包括第一减法器、对象模型、反馈通 道，其特征在于，该系统还包括虚拟控制器、激励信号发生模块、第二减法器、控制器以及频 率响应特性计算模块，其中： 所述激励信号发生模块，用于向第二减法器输出第一激励信号，同时向控制器输出第 二激励信号； 所述虚拟控制器，用于根据第一减法器输出的误差信号与虚拟控制器参数生成第一控 制信号并将该第一控制信号输出到第二减法器； 所述第二减法器，用于根据第一激励信号和第一控制信号生成第二控制信号并传输给 对象模型； 所述控制器，用于根据第二激励信号与控制器参数生成第三控制信号，并将第三控制 信号输出到频率响应特性计算模块； 所述频率响应特性计算模块，用于根据第二激励信号、第三控制信号、反馈通道的反馈 信号、第二减法器的第二控制信号以及对象模型的输出信号，分别计算出所述控制系统各 部分频率响应特性以及该控制系统开环频率响应特性。
2. 根据权利要求1所述的基于控制系统的频率响应特性测试系统，其特征在于，所述 频率响应特性计算模块包括： 信号采样模块，用于采集第二激励信号、第三控制信号、反馈信号、第二控制信号以及 输出信号； 控制系统各部分频率响应特性计算模块，用于根据采集的第二激励信号、第三控制信 号、反馈信号、第二控制信号以及输出信号计算获得所述控制系统的控制器频率响应特性、 对象模型频率响应特性、反馈通道频率响应特性； 控制系统开环频率响应特性计算模块，用于根据所述控制器频率响应特性、对象模型 频率响应特性、反馈通道频率响应特性计算获得控制系统开环频率响应特性。
3. 根据权利要求1所述的基于控制系统的频率响应特性测试系统，其特征在于，所述 第一激励信号为幅值可调、频率随时间变化的正弦信号，且该第一激励信号的起始频率和 终止频率根据所述对象模型提供的被测信号的频率范围设定。
4. 根据权利要求1所述的基于控制系统的频率响应特性测试系统，其特征在于，所述 第二激励信号为由N级线性反馈移位寄存器产生的周期性序列信号，且该第二激励信号的 频率输出范围通过移位时钟和反馈级数N的值调整；所述N为正整数。
5. 根据权利要求1所述的基于控制系统的频率响应特性测试系统，其特征在于， 所述控制器频率响应特性通过以下计算式计算得出：
其中，上述C(j?)表示控制器频率响应特性，Ac(?)表示控制器幅频特性，外.(叻表示 控制器相频特性，B(j?)为第二激励信号B的加窗离散傅里叶变换，D(j?)为输出信号D 的加窗离散傅里叶变换；II表示复数取模运算，arg表示复数取幅角运算； 所述对象模型频率响应特性通过以下计算式计算得出：
其中，上述G(j?)表示对象模型频率响应特性，Ae(?)表示对象模型幅频特性，奶,0〇) 表示对象模型相频特性，E(j?)为第二控制信号E的加窗离散傅里叶变换，Y(j?)为输出 信号Y的加窗离散傅里叶变换； 所述反馈通道频率响应特性通过以下计算式计算得出：
其中，上述H(j?)表示反馈通道频率响应特性，AH (?)表示反馈通道幅频特性，％(叫 表示反馈通道相频特性，Y(j?)为输出信号Y的加窗离散傅里叶变换，F(j?)为反馈信号F的加窗离散傅里叶变换。
6. 根据权利要求1或5所述的基于控制系统的频率响应特性测试系统，其特征在于， 所述控制系统开环频率响应特性将控制器频率响应特性C(j?)，对象模型频率响应特性 G(j?)，反馈通道频率响应特性H(j?)通过以下计算式计算获得： CGH(j?) =C(j〇)*G(j?)*H(j?)，ACGH(?) =Ac(〇)*Ag(?)*Ah(?)， ^c(,ii(^) =<Pc(^) +<Pu(<^) + (^). 其中，上述CGH(j?)表示为控制系统开环频率响应特性，AaH(?)表示系统开环幅频 特性，WcGff(?)表不系统开环相频特性。
7. 根据权利要求1所述的基于控制系统的频率响应特性测试系统，其特征在于，所述 虚拟控制器采用比例控制器，并通过调整比例系数减少测试系统在测试过程中对控制系统 的影响。
8. -种基于控制系统的频率响应特性测试方法，其特征在于，包括如下步骤： 51、 第一减法器根据输入信号产生误差信号，所述输入信号为常量和反馈信号； 52、 虚拟控制器将所述误差信号转换为第一控制信号并输出； 53、 第二减法器根据所述第一控制信号与激励信号发生模块的第一激励信号生成第二 控制信号，同时，控制器根据激励信号发生模块的第二激励信号和控制器参数生成第三控 制信号； 54、 所述第二控制信号作用于对象模型得到输出信号； 55、 所述输出信号经由反馈通道转为反馈信号，并将该反馈信号输入到第一减法器之 中，形成闭环控制系统； S6、根据所述控制系统的第二控制信号、输出信号、第三控制信号、第二激励信号和反 馈信号，计算出所述控制系统各部分频率响应特性以及控制系统开环频率响应特性。
9.根据权利要求8所述的基于控制系统的频率响应特性测试方法，其特征在于，所述 控制系统各部分频率响应特性包括所述控制系统的控制器频率响应特性、对象模型频率响 应特性、反馈通道频率响应特性； 所述控制器频率响应特性通过以下计算式计算得出：
其中，上述C(j?)表示控制器频率响应特性，Ac〇)表示控制器幅频特性，供c(?)表示 控制器相频特性，B(j?)为第二激励信号B的加窗离散傅里叶变换，D(j?)为输出信号D 的加窗离散傅里叶变换；II表示复数取模运算，arg表示复数取幅角运算； 所述对象模型频率响应特性通过以下计算式计算得出：
其中，上述G(j?)表示对象模型频率响应特性，Ae(?)表示对象模型幅频特性，奶,.(>) 表示对象模型相频特性，E(j?)为第二控制信号E的加窗离散傅里叶变换，Y(j?)为输出 信号Y的加窗离散傅里叶变换； 所述反馈通道频率响应特性通过以下计算式计算得出：
其中，上述H(jw)表示反馈通道频率响应特性，AH〇)表示反馈通道幅频特性，％(&>) 表示反馈通道相频特性，Y(j?)为输出信号Y的加窗离散傅里叶变换，F(j?)为反馈信号 F的加窗离散傅里叶变换。 所述控制系统开环频率响应特性将控制器频率响应特性C(j?)，对象模 型频率响应特性G(j?)，反馈通道频率响应特性H(j?)通过以下计算式计算 获得：CGH(j?) =C(j?)*G(j ?)，ACGH〇) =Ac〇)*AG〇)*AH(?)， 妒CGH(?)=炉C(?) + 识G(?) + 炉H(?). 5 其中，上述CGH(j?)表示为控制系统开环频率响应特性，AaH(?)表示系统开环幅频 特性，？表不系统开环相频特性。
10.根据权利要求8所述的基于控制系统的频率响应特性测试方法，其特征在于， 所述第一激励信号为幅值可调、频率随时间变化的正弦信号，且该第一激励信号的起 始频率和终止频率根据所述对象模型提供的被测信号的频率范围设定； 所述第二激励信号为由N级线性反馈移位寄存器产生的周期性序列信号，且该第二激 励信号的频率输出范围通过移位时钟和反馈级数N的值调整；所述N为正整数。
【专利摘要】本发明涉及一种基于控制系统的频率响应特性测试系统及方法，该系统包括：对象模型，反馈通道，激励信号发生模块，虚拟控制器，减法器，控制器，频率响应特性计算模块，所述减法器还包括第一减法器和第二减法器；所述第一减法器、虚拟控制器、第二减法器和对象模型依次相连接，所述控制器连接在所述激励信号发生模块和频率响应特性计算模块之间，所述激励信号发生模块与所述控制器和第二减法器相连接，所述反馈通道连接在所述对象模型和第一减法器之间；本发明有益效果：实现了一次性同时地测试控制系统开环频率响应特性和控制系统各部分频率响应特性，方便测试，且保证测试过程中系统的稳定性并降低影响。
【IPC分类】G05B23-02
【公开号】CN104615126
【申请号】CN201510043703
【发明人】伍庆, 周兆勇, 姚虹
【申请人】苏州汇川技术有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月28日