专利名称：动态物理过程振动抑制方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动控制领域，更具体地，涉及对动态物理过程振动抑制的方法和系统。对输入命令进行光滑处理后再驱动动态物理过程运动，让动态物理过程按照与它动态特性匹配的光滑命令运动，来达到抑制振动的目的。
背景技术：
振动控制在现代制造业中应用十分广泛。制造业中广泛采用电机或发动机等动力机械作原动力，动力机械启动和停止会产生冲击和振动。高端装备制造产品都沿着高速重载方向发展，其振动也日益强烈。精密加工和精密测量技术发展中，如果不能将振动控制在允许误差范围内，工作无法达到预期的精度目标。城市建筑工业发展过程中，广泛采用重载工程机械，比如起重机，柔性结构会引起更大的振动，倘不能减振，对操作安全性和工作效率都是重大挑战。飞行器和装甲车辆通常在恶劣的环境中工作，对减振环节的要求也日渐增多。工业生产中流体运输过程，需要在高速运送过程中保持流体不能飞溅出容器，也需要对这种流体运动振动提出抑制要求。生产生活中冰箱、打印机、硬盘等工作过程也对振动抑制有要求。生产实践常识表明参考命令经过光滑后再作用在机器上可以消除振动和冲击，可以提高精度、操作安全性和工作效率。但并非任意光滑函数都可以有效地消除冲击和振动。光滑函数需要依据动态物理过程的系统特性来进行设计，同时要具有较好的鲁棒性和较短的调节时间两个关键的技术指标要求，以满足生产生活实践需要。国内外现有的主要方法S曲线、凸轮曲线、input shaping和闭环反馈控制。S曲线在数控系统中有广泛应用。它具有低通滤波特性，利用低通滤波特性消除振动。S曲线优点是不需要系统动态性能先验知识，对动态过程未知的高阶复杂系统有较好应用前景。但是当系统固有频率在实际操作中经常发生变化的情况，比如具有柔性结构，此时S曲线对频率误差变得较为敏感，具有较差的鲁棒性。利用凸轮多项式构造凸轮函数来驱动机器运动，可以有效的消除高频段的振动，也具有低通滤波的特性，但是具有较长的调节时间和较差的鲁棒性。美国专利4916635和5638267授权的Input shaping技术，不是利用光滑函数原理实现机器驱动，它是将输入命令与一系列脉冲的离散卷积来构造整形后的命令驱动机器运动。离散卷积构造的整形器被称作input shaper,目前比较常用的input shaper有ZVDshaper、EI shaper和SI shaper。成功的应用在桥吊、塔吊、轮式起重机、船吊、三坐标测量机、航天器、机械手和线性步进马达的振动控制。input shaping构造的整形后命令一般不连续，在边界附近可能出现较大的加速度，容易对机器产生冲击。比较常用的实现振动控制的反馈控制方法包括线性控制、自适应控制、模糊逻辑控制、非线性控制等。基本设计思路是对闭环系统增加阻尼来实现振动控制目的。反馈控制成功应用于桥吊、悬臂式吊车、船载吊车和集装箱吊车。人的操作实质上也是一种反馈过程，反馈控制器会与操作者之间的操作过程发生冲突。如果选择低权限反馈控制器将不会干扰人操作，但是振动控制效果较差。另外某些物理过程很难对负载振动进行检测，限制了反馈控制实际使用。
发明内容
为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出使用光滑器设计来实现动态物理过程的振动抑制方法和系统。本发明的一个方面是提供了动态物理过程的振动抑制的方法。将输入信号直接作用在动态物理过程会引起振动。本发明提供两种设计思路的光滑器公式。将输入信号经过光滑器处理后，光滑命令驱动动态物理过程可以将振动抑制到最小程度。所提供的光滑器具有强鲁棒性，可以应用在物理过程参数不确定的领域。在保证鲁棒性要求的同时还具有调节时间最优。根据本发明的另一方面，提出了一种动态物理过程振动抑制的系统，包括输入模块、计算模块和输出模块。其中，该输入模块包括模拟信号或者数字信号采集装置，功能是对输入信号进行采集；计算模块，连接到采集模块，用于将采集到的输入信号根据所提供的方法进行光滑处理。输出模块，连接到计算模块，用于将光滑处理后的光滑信号驱动物理过程运动，包括模拟信号或者数字信号输出装置、功率放大装置。本发明可以有效的对动态物理过程实现振动抑制。应用本发明的技术方案，可以在保证振动抑制目的的基础上，可以实现动态物理过程效率最优。
图1示光滑器使用前后振动效果对比示图；图2示光滑处理过程图；图3示第一种光滑器固有频率敏感曲线图；图4示第一种光滑器阻尼系数敏感曲线图；图5示第一种光滑器和第二种光滑器敏感曲线对比图；图6示第二种光滑器固有频率敏感曲线图；图7示根据本发明的振动抑制系统的结构框图；图8示应用例分布质量负载双摆桥式起重机结构模型框图；图9示应用例驱动距离和负载质量变化时光滑器振荡抑制仿真图；图10示应用例吊钩质量和第2级摆长变化时光滑器振荡抑制仿真图；图11示应用例负载长度和第I级摆长变化时光滑器振荡抑制仿真图；图12示应用例分布质量负载双摆桥式起重机光滑器吊钩振动抑制实验图；图13示应用例分布质量负载双摆桥式起重机光滑器负载振动抑制实验图。如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的动态物理过程振动抑制的方法和系统进行详细描述。在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。首先给出光滑器设计的主要推导过程和设计依据。很多物理过程都可以简化为一个二阶系统表示
权利要求
1.动态物理过程的振动抑制方法，包括 步骤10、将命令信号输入光滑器进行光滑处理。步骤20、依据动态物理过程的系统特性来进行光滑器设计，以保证光滑命令与动态物理过程最优匹配。使用系统固有频率和阻尼系数来设计光滑器，光滑器是分段连续函数。步骤30、经过光滑器处理后的光滑命令，驱动动态物理过程运动，将振动抑制到最小程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤20还包括，所述光滑器设计的传递函数
3.根据权利要求2所述的方法，还包括 根据实际物理过程对振动抑制鲁棒性要求，获取对固有频率和阻尼系数的不敏感范围要求； 根据固有频率和阻尼系数的不敏感范围要求，获取满足要求的光滑器结构幂次数η的最小值。
光滑器设计是在保证振动抑制鲁棒性要求前提下的最小调节时间方案。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括 某些物理过程可以近似被认为是零阻尼系统，此种近似情况下对应的光滑器传递函数
5.针对动态物理过程的振动抑制问题，提供另外一种设计方法，包括 步骤10、将命令信号输入光滑器进行光滑处理。
步骤20、依据将振动控制在某一段可接受的范围内就能满足需要来进行光滑器设计，在不保证绝对零振动的前提下可以设计出鲁棒性更好的方案。使用系统固有频率、阻尼系数和允许振动最大幅值来设计光滑器，光滑器是分段连续函数。
步骤30、经过光滑器处理后的光滑命令，驱动动态物理过程，将振动抑制到最小程度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤20还包括，所述可允许振动范围的光滑器设计的传递函数
7.根据权利要求5所提出的设计思路，在权利要求6所提供的光滑器基础上，将经过比例因子修正结构的幂次增大，可以得到鲁棒性极强的光滑器
8.根据权利要求7所述的方法，还包括 某些物理过程可以近似被认为是零阻尼系统，此种近似情况下对应的光滑器传递函数
9.动态物理过程的振动抑制系统，使用电气电子设计方式实现。包括输入模块、计算模块和输出模块； 其中，该输入模块包括模拟信号或者数字信号采集装置，功能是对操作者通过手柄或按钮发出的输入命令进行采集； 计算模块，连接到采集模块，用于将采集到的输入信号根据所提供的光滑器设计方法进行处理，转换为光滑命令输出，其中光滑器设计公式为权利要求2，4，6，7，8所提供； 输出模块，连接到计算模块，用于将光滑处理后的光滑信号驱动物理过程运动，包括模拟信号或者数字信号输出装置、功率放大装置。
10.动态物理过程的振动抑制系统，也可以使用机械设计方式实现，使用权利要求2，.4，6，7，8提供公式设计机械零件轮廓，或使用权利要求2，4，6，7，8提供公式对原有轮廓进行修正，同样达到振动抑制的目的。
全文摘要
本申请提供对动态物理过程的振动抑制方法和系统。任意驱动物理过程运动的输入信号经过光滑器处理后，产生的光滑命令都可以将振动控制到最小程度。提供两种不同设计思路的光滑器设计方法第一种直接使用动态物理过程的系统特性来设计光滑器，当固有频率和阻尼系数完全准确时可以实现零振动。第二种是将振动控制在某一个可接受的范围内，是在第一种设计的基础上使用允许振动最大幅值限制的比例因子对光滑器修正后使用。所提出的光滑器具有强鲁棒性，可以应用到物理过程参数不确定的领域。所设计的光滑器在保证振动控制鲁棒性要求的基础上，具有调节时间最优特性，即是在保证振动控制性能基础上工作效率最优设计方案。
文档编号G05D19/02GK103034253SQ201210507110
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年11月19日
发明者黄杰 申请人:黄杰