一种舰载稳定平台机械谐振的实时检测与保护方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及舰载稳定平台机械谐振的实时检测与保护方法，属于交流伺服系统机 械谐振检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前舰载稳定平台一般采用减速器或丝杆作为电机和负载的传动装置，当传动部 分的刚度低、负载惯量大时，稳定平台的机械谐振频率就会较低，这时稳定平台更容易因传 动装置的弹性形变而产生机械谐振。机械谐振不仅会影响稳定平台的跟踪精度，严重时还 会损害机械部件，降低其寿命。为了抑制或消除机械谐振，国内外学者进行了广泛而深入的 研究，提出了许多解决方案。一些基于现代控制理论的控制算法对机械谐振的抑制效果好， 但是工程实现比较困难。目前工程上最常用的是针对谐振频率点设计陷波滤波器的方法， 一般采用离线调试的方式而且参数调节过程复杂。
[0003] 现有对舰载稳定平台机械谐振的研究主要考虑如何抑制谐振，但是机械谐振是一 个复杂的动态过程，谐振频率点的位置和幅值会因外界环境、负载惯量以及系统自身特性 的变化而发生变化，很难保证稳定平台在运行过程中不发生机械谐振。因此，当机械谐振发 生时，研究其快速在线检测与保护的方法显得尤为重要，能够保护机械部件不受损害，具有 重要的工程应用价值。目前对机械谐振的检测，可以通过改进硬件的方式，一般包括增加谐 振传感器，在电机侧增加位置传感器，在负载侧增加加速度传感器等方法，这些方法不仅会 增加硬件设计的难度，而且会增加成本，不易于广泛推广。也可以通过软件算法编程的方 式，主要包括基于快速傅里叶变换、基于小波变换和基于神经网络检测谐波信号的方法，这 些方法能够进行机械谐振的谐波检测，但是存在算法复杂、计算量大的问题，所以在实时性 要求高的系统中难以实现。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决舰载稳定平台存在会因机械谐振导致系统失稳甚至机械结构 损坏的问题，提供一种舰载稳定平台机械谐振的实时检测与保护方法。
[0005] 本发明所述舰载稳定平台机械谐振的实时检测与保护方法，它包括以下步骤：
[0006] 步骤一：根据舰载稳定平台正常运行时位置信号的最大幅值Θd _、最大频率c〇d _以及稳定平台机械谐振频率的最小值ω^ιη设计一个无限冲激响应数字高通滤波器；
[0007] 步骤二：用数字高通滤波器对正弦位置信号进行滤波分析，确定判断机械谐振的 滤波后位置信号的幅值门限值t:
[0008] 步骤三：用数字高通滤波器对舰载稳定平台的位置信号进行在线滤波，根据滤波 后位置信号的幅值与门限值r的关系判断系统是否发生了机械谐振，若发生机械谐振则进 入步骤四，否则继续进行步骤三；
[0009] 步骤四：发出机械谐振报警并停止舰载稳定平台运行。
[0010]本发明的优点在于：本发明在舰载稳定平台发生不可避免的机械谐振时，能够快 速地在线检测并进行保护，可以保证稳定平台不受损坏，提高舰载稳定平台的安全性和可 靠性。
[0011] 机械谐振频率在运行过程中不是固定不变的，一般难以得到其准确值，而本发明 在设计数字高通滤波器过程中只需要知道系统机械谐振频率的最小值ω^ιη，这在实际工 程中更容易实现。
[0012] 本发明在机械谐振的检测过程中只需要对舰载稳定平台的位置信号这一个状态 变量进行分析处理，而它是稳定平台位置控制必须的反馈值，所以无需改变系统的硬件设 计；而且所设计的数字高通滤波器为简单的多项式结构，算法简单易于实现，这些都便于其 在舰载稳定平台上广泛应用。
【附图说明】
[0013]图1为【具体实施方式】一中所述的舰载稳定平台机械谐振的实时检测与保护方法 的流程示意图。
[0014]图2为巴特沃斯数字高通滤波器的幅频特性曲线。
[0015] 图3为对幅值为20°，频率为0. 25Hz的位置信号滤波前后的曲线。
[0016]图4为对幅值为0.5°，频率为2Hz的位置信号滤波前后的曲线。
[0017]图5为对图4中滤波后的位置信号进行机械谐振判断时1的曲线。
[0018] 图6为包含不同幅值谐振信号的位置信号曲线。
[0019] 图7为对图6的位置信号进行滤波后的曲线。
[0020] 图8为对图7中滤波后的位置信号进行机械谐振判断时1的曲线。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0021] 一：本实施方式所述舰载稳定平台机械谐振的实时检测与保护方 法，它包括以下步骤：
[0022] 步骤一：根据舰载稳定平台正常运行时位置信号的最大幅值Θd _、最大频率c〇d _以及稳定平台的机械谐振频率的最小值ω^ιη设计一个无限冲激响应数字高通滤波器；
[0023] 步骤二：用数字高通滤波器对正弦位置信号进行滤波分析，确定判断机械谐振的 滤波后位置信号的幅值门限值
[0024] 步骤三：用数字高通滤波器对舰载稳定平台的位置信号进行在线滤波，根据滤波 后位置信号的幅值与门限值r的关系判断系统是否发生了机械谐振，若发生机械谐振则进 入步骤四，否则继续进行步骤三；
[0025] 步骤四：发出机械谐振报警并停止舰载稳定平台运行。
【具体实施方式】 [0026] 二：本实施方式是对一中所述舰载稳定平台机械谐振 的实时检测与保护方法的进一步说明，本实施方式中，步骤一中根据舰载稳定平台正常运 行时位置信号的最大幅值Θd_、最大频率cod_以及稳定平台的机械谐振频率ωuin设计 一个无限冲激响应数字高通滤波器的过程为：
[0027]由于舰载稳定平台跟踪的船体摇摆信号是低频的位置信号，所以一般有cod 。设计的数字高通滤波器应该使平台正常运行时低频位置信号大幅衰减，而发 生机械谐振时的高频位置信号的幅值衰减较小，具体满足如下要求：
[0032] 上式中&"^和kd _分别为0彡ω彡ωd _时位置信号滤波后的最大幅值和滤 波器的最小衰减倍数，kg_为ω多ωuin时滤波器最大衰减倍数，Θg_为判断机械谐振 的滤波前位置信号的幅值门限值，一般根据实际系统的需要来确定，其值越小则对机械谐 振的判断越灵敏，但是更难设计满足条件的滤波器ω多〇^_时幅值为Θg_的 位置信号滤波后的幅值最小值。
[0033] 典型的无限冲激响应数字滤波器包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤 波器等。巴特沃斯滤波器的特点是在通带内的幅频响应曲线最大限度平坦，而在阻带内则 逐渐下降为零；切比雪夫滤波器的特点是幅频响应在通带内是等波纹的，它在过渡带内比 巴特沃斯滤波器的衰减快，而且和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小；椭圆滤波 器的特点是幅频响应在通带和阻带内都是等波纹的，对于给定的阶数和波纹要求，椭圆滤 波器能获得较其它滤波器更窄的过渡带宽。根据式（1)的要求，数字高通滤波器的幅频响 应为单调递增时更容易确定kd _和kg _的值，所以不希望所设计滤波器的幅频响应在通 带或阻带内有波纹，因此本发明中采用巴特沃斯数字滤波器。
[0034] 设计巴特沃斯数字高通滤波器的步骤为：1)根据式（1)的要求确定巴特沃斯模 拟滤波器的技术指标，主要包括通带截止频率ω。、阻带截止频率cos、通带最大衰减α。、阻 带最小衰减as;2)根据以上四个技术指标确定巴特沃斯滤波器的最小阶数Ν和固定频率 ωη;3)利用最小阶数N产生模拟巴特沃斯低通滤波原型；4)利用固有频率ωn把模拟低通 滤波器原型转换成模拟高通滤波器；5)利用冲激响应不变法或双线性不变法把模拟滤波 器转换成数字滤波器。所设计的巴特沃斯数字高通滤波器的传递函数为：
[0035；
[0036] 式中N为巴特沃斯滤波器传递函数的极点数，即滤波器的阶数;Μ为滤波器系统传 递函数的零点数；4和bk为滤波系数。其在数字系统中的差分方程表示为：
[0037]
[0038] 其中，y(n)分别为滤波前和滤波后的时域信号序列。
[0039] 本实施方案在将模拟高通滤波器数字化的过程中需要考虑数字信号处理器浮点 数运算的精度。
【具体实施方式】 [0040] 三：本实施方式是对一中所述舰载稳定平台机械谐振 的实时检测与保护方法的进一步说明，本实施方式中，步骤二中用数字高通滤波器对正弦 位置信号进行滤波分析，确定判断机械谐振的滤波后位置信号的幅值门限值妒的过程为：
[0041] 门限值r应该满足关系P 定