一种时滞补偿方法、系统、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及振动台控制技术领域，特别是涉及一种时滞补偿方法、系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.在高速磁浮列车的行走混合试验中，需要让振动台模拟桥梁的振动，即通过振动台来再现桥梁的变形。从振动台接收命令，到试验子结构完成期望响应之间具有时滞，会对高速磁浮的列车系统和桥梁轨道系统的设计及评估造成一定影响。因此，目前的一些方案中，会进行时滞补偿，即，通过时滞补偿使得振动台的实际位移能够快速地跟随目标位移。
3.但是，在实际试验中发现，采用低频的位移信号时，时滞补偿效果尚可，而当采用高频信号时，时滞补偿的效果就较差，振动台的实际位移无法很好地跟随目标位移。
4.综上所述，如何在较宽的频率范围内实现较好效果的时滞补偿，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种时滞补偿方法、系统、设备及存储介质，以在较宽的频率范围内实现较好效果的时滞补偿。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种时滞补偿方法，包括：
8.接收振动台的目标位移量和检测到的所述振动台的实际位移量；
9.根据所述目标位移量和所述实际位移量进行所述振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量；
10.通过状态观测确定出所述振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和所述位移观测量进行所述振动台位移的反馈控制，以使所述位移观测量跟随时滞补偿后的位移量。
11.优选的，所述根据所述目标位移量和所述实际位移量进行所述振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量，包括：
12.建立ats时滞补偿模型；
13.根据所述目标位移量和所述实际位移量，通过所述ats时滞补偿模型进行所述振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量。
14.优选的，所述建立ats时滞补偿模型，包括：
15.建立表示振动台的目标位移量和所述振动台的实际位移量之间的对应关系的ats时滞补偿模型；
16.确定出所述ats时滞补偿模型中的系数矩阵，得到建立完成的ats时滞补偿模型。
17.优选的，所述通过状态观测确定出所述振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和所述位移观测量进行所述振动台位移的反馈控制，包括：
18.基于lqg控制算法，通过状态观测确定出所述振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和所述位移观测量进行所述振动台位移的反馈控制。
19.优选的，所述基于lqg控制算法，通过状态观测确定出所述振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和所述位移观测量进行所述振动台位移的反馈控制，包括：
20.将所述振动台的位移输入量和所述振动台的实际位移量作为lqg控制算法中的状态观测器的输入，以通过所述状态观测器观测出所述振动台的位移观测量；
21.通过lqg控制算法中的lqr接收所述位移观测量和时滞补偿后的位移量并进行反馈控制，且将所述lqr的输出作为所述振动台的位移输入量。
22.优选的，所述通过lqg控制算法中的lqr接收所述位移观测量和所述时滞补偿后的位移量并进行反馈控制，包括：
23.通过lqg控制算法中的lqr接收所述位移观测量和所述时滞补偿后的位移量，并进行pi反馈控制。
24.一种时滞补偿系统，包括：
25.时滞补偿模块，用于接收振动台的目标位移量和检测到的所述振动台的实际位移量，根据所述目标位移量和所述实际位移量进行所述振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量；
26.反馈控制模块，用于通过状态观测确定出所述振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和所述位移观测量进行所述振动台位移的反馈控制，以使所述位移观测量跟随时滞补偿后的位移量。
27.优选的，所述时滞补偿模块具体为采用ats时滞补偿模型的时滞补偿模块；所述反馈控制模块具体为采用lqg控制算法的反馈控制模块。
28.一种时滞补偿设备，包括：
29.存储器，用于存储计算机程序；
30.处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上述任一项所述的时滞补偿方法的步骤。
31.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的时滞补偿方法的步骤。
32.应用本发明实施例所提供的技术方案，将时滞补偿算法与反馈控制算法相结合，使得在较宽的频率范围内都能够实现较好的时滞补偿效果。具体的，本技术的方案中，会根据目标位移量和实际位移量进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量，从而使得振动台的位移能够快速地跟随目标位移量，即起到了时滞补偿效果。本技术考虑到当目标位移量为高频信号时，传统方案中时滞补偿的位移量与实际位移量之间容易出现偏差过大的情况，导致时滞补偿效果较差，因此，本技术的方案中会根据时滞补偿后的位移量和位移观测量进行振动台位移的反馈控制，通过该反馈控制，使得位移观测量跟随时滞补偿后的位移量，即，使得位移观测量接近于时滞补偿后的位移量，这样使得针对高频信号，仍然可以有较好的时滞补偿效果。综上所述，本技术的方案可以在较宽的频率范围内均实现较好效果的时滞补偿。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明中一种时滞补偿方法的实施流程图；
35.图2为本发明中一种具体实施方式中基于ats+lqg控制算法的控制原理框图。
具体实施方式
36.本发明的核心是提供一种时滞补偿方法，可以在较宽的频率范围内均实现较好效果的时滞补偿。
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.请参考图1，图1为本发明中一种时滞补偿方法的实施流程图，该时滞补偿方法可以包括以下步骤：
39.步骤s101：接收振动台的目标位移量和检测到的振动台的实际位移量。
40.具体的，振动台的目标位移量例如可以由上位机下发，并且由于振动台的目标位移量会不断变化，因此，实际应用中，通常会实时接收或者设置较高的接收频率。同样的，振动台的实际位移量可以通过相关传感设备进行实时测量。
41.步骤s102：根据目标位移量和实际位移量进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量。
42.可以理解的是，当未进行时滞补偿时，由于控制系统的延迟，使得振动台的实际位移会始终滞后于上位机下发的振动台的目标位移，而时滞补偿的目的便是尽量地消除这样的滞后情况，即，使得振动台的实际位移能够较好地同步于振动台的目标位移。
43.进行时滞补偿的具体算法可以根据实际需要进行设定和调整，在本发明的一种具体实施方式中，步骤s102可以具体包括：
44.建立ats时滞补偿模型；
45.根据目标位移量和实际位移量，通过ats时滞补偿模型进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量。
46.该种实施方式中，采用的是ats时滞补偿模型来实现振动台位移的时滞补偿，ats时滞补偿模型具有较好的时滞补偿效果。
47.在建立ats时滞补偿模型时，可以具体包括：
48.建立表示振动台的目标位移量和振动台的实际位移量之间的对应关系的ats时滞补偿模型；
49.确定出ats时滞补偿模型中的系数矩阵，得到建立完成的ats时滞补偿模型。
50.具体的，振动台的目标位移量和振动台的实际位移量之间的对应关系可以表示
为：其中的a为幅值误差，τ为系统时滞，x
t
为振动台的目标位移量，xm为振动台的实际位移量。
51.将上述表达式进行泰勒展开可得到：
[0052][0053]
由于需要实现时滞补偿，因此，如果将时滞补偿后的位移量输入给振动台，应当使得xm接近x
t
。即，希望在时滞补偿之后得到：其中的uc便表示的是ats时滞补偿模型的输出量，即输出的时滞补偿后的位移量。
[0054]
对uc进行泰勒展开可得到：
[0055][0056]
因此，输出的时滞补偿后的位移量uc可以表示为：
[0057][0058]
进一步的，由于实际条件的限制，只能求得u
est
(t)，尽量使得u
est
(t)≈uc(t)。可以引入最小二乘法：
[0059]
其中，j为u
est
(t)与uc的误差平方函数。q为当前k时刻的前q步，即k-1，k-2，k-3
…
k-q。
[0060]
可以令p＝[a
0k a
1k a
2k ... a
qk
]。其中为k-1时刻的命令值，即k-1时刻所输出的时滞补偿后的位移量，为k-1时刻的估计值，p为泰勒展开式的系数矩阵，[a
0k a
1k a
2k
ꢀ…ꢀaqk
]为系数，因此，可以确定出泰勒展开式的系数矩阵p为：p＝(x
mt
xm)-1
x
mt
uc。
[0061]
步骤s103：通过状态观测确定出振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和位移观测量进行振动台位移的反馈控制，以使位移观测量跟随时滞补偿后的位移量。
[0062]
本技术的方案中，为了在较宽的频率范围内均有较好的时滞补偿效果，并不是直接将步骤s102中输出的时滞补偿后的位移量发送至振动台，而是会结合反馈控制的方案，使得位移观测量跟随时滞补偿后的位移量，也即使得振动台的实际位移量能够与时滞补偿后的位移量相接近。由于振动台的实际位移量能够与时滞补偿后的位移量相接近，使得即使在高频场合中，也能够发挥较好的时滞补偿效果。
[0063]
在进行反馈控制时，具体采用的方式可以根据实际需要进行设定，在本发明的一种具体实施方式中，考虑到将ats补偿与lqg控制相结合，可以有效地提高补偿系统的稳定性，取得宽频率范围内的时滞补偿效果，因此，步骤s103可以具体包括：
[0064]
基于lqg(linear quadratic gaussian，线性二次高斯)控制算法，通过状态观测确定出振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和位移观测量进行振动台位移的反馈控制。
[0065]
在实际应用中，可以通过matlab/simulink实现ats+lqg的方案，可以根据具体识
别的传递函数模型设计lqg控制算法，在matlab/simulink平台搭建控制模型。振动台的目标位移量通过ats补偿得到预测信号，即得到时滞补偿后的位移量，再经过lqg的反馈控制之后，发送至振动台。振动台的实际位移量作为响应信号反馈给lqg控制和ats补偿，形成闭环。
[0066]
在本发明的一种具体实施方式中，步骤s103可以具体包括：
[0067]
将振动台的位移输入量和振动台的实际位移量作为lqg控制算法中的状态观测器的输入，以通过状态观测器观测出振动台的位移观测量；
[0068]
通过lqg控制算法中的lqr接收位移观测量和时滞补偿后的位移量并进行反馈控制，且将lqr的输出作为振动台的位移输入量。
[0069]
可参阅图2，该种实施方式中示出了一种具体场合中的基于ats+lqg控制算法的反馈控制原理框图。图2中，振动台的实际位移量为xm，与振动台的位移输入量共同作为lqg控制算法中的状态观测器的输入。图2中的lqg控制算法由lqr(linear quadratic regulator，线性二次型调节器)和状态观测器构成。设置lqr时引入泛函数，最优的控制轨迹应该使得该泛函数最小。一般选取如下形式的泛函数f：其中，q为半正定矩阵，r为正定矩阵，x为系统状态量，状态变量是通过状态观测器根据系统输出测量和控制输入来估计的。
[0070]
在图2的具体实施方式中，表示的是状态观测器的系统观测量，经过lqr中的观测矩阵c，可以得到位移观测量利用位移观测量和时滞补偿后的位移量uc，进行pi反馈控制，即该种实施方式中，具体是通过lqg控制算法中的lqr接收位移观测量和时滞补偿后的位移量，并进行pi反馈控制。图2中的ki和k分别表示pi反馈控制中的比例系数和积分系数。
[0071]
图2中的状态观测器将振动台的位移输入量和振动台的实际位移量xm作为lqg控制算法中的状态观测器的输入，状态观测器中的a，b，c，ke依次表示系统矩阵，控制矩阵，观测矩阵以及状态观测误差系数。
[0072]
应用本发明实施例所提供的技术方案，将时滞补偿算法与反馈控制算法相结合，使得在较宽的频率范围内都能够实现较好的时滞补偿效果。具体的，本技术的方案中，会根据目标位移量和实际位移量进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量，从而使得振动台的位移能够快速地跟随目标位移量，即起到了时滞补偿效果。本技术考虑到当目标位移量为高频信号时，传统方案中时滞补偿的位移量与实际位移量之间容易出现偏差过大的情况，导致时滞补偿效果较差，因此，本技术的方案中会根据时滞补偿后的位移量和位移观测量进行振动台位移的反馈控制，通过该反馈控制，使得位移观测量跟随时滞补偿后的位移量，即，使得位移观测量接近于时滞补偿后的位移量，这样使得针对高频信号，仍然可以有较好的时滞补偿效果。综上所述，本技术的方案可以在较宽的频率范围内均实现较好效果的时滞补偿。
[0073]
相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种时滞补偿系统，可与上文相互对应参照。
[0074]
该时滞补偿系统可以包括：
[0075]
时滞补偿模块，用于接收振动台的目标位移量和检测到的振动台的实际位移量，
根据目标位移量和实际位移量进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量；
[0076]
反馈控制模块，用于通过状态观测确定出振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和位移观测量进行振动台位移的反馈控制，以使位移观测量跟随时滞补偿后的位移量。
[0077]
在本发明的一种具体实施方式中，时滞补偿模块根据目标位移量和实际位移量进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量，具体用于：
[0078]
建立ats时滞补偿模型；
[0079]
根据目标位移量和实际位移量，通过ats时滞补偿模型进行振动台位移的时滞补偿，输出时滞补偿后的位移量。
[0080]
在本发明的一种具体实施方式中，建立ats时滞补偿模型具体包括：
[0081]
建立表示振动台的目标位移量和振动台的实际位移量之间的对应关系的ats时滞补偿模型；
[0082]
确定出ats时滞补偿模型中的系数矩阵，得到建立完成的ats时滞补偿模型。
[0083]
在本发明的一种具体实施方式中，反馈控制模块，具体用于：
[0084]
基于lqg控制算法，通过状态观测确定出振动台的位移观测量，并根据时滞补偿后的位移量和位移观测量进行振动台位移的反馈控制。
[0085]
在本发明的一种具体实施方式中，反馈控制模块，具体用于：
[0086]
将振动台的位移输入量和振动台的实际位移量作为lqg控制算法中的状态观测器的输入，以通过状态观测器观测出振动台的位移观测量；
[0087]
通过lqg控制算法中的lqr接收位移观测量和时滞补偿后的位移量并进行反馈控制，且将lqr的输出作为振动台的位移输入量。
[0088]
在本发明的一种具体实施方式中，通过lqg控制算法中的lqr接收位移观测量和时滞补偿后的位移量并进行反馈控制，具体包括：
[0089]
通过lqg控制算法中的lqr接收位移观测量和时滞补偿后的位移量，并进行pi反馈控制。
[0090]
相应于上面的方法和系统实施例，本发明实施例还提供了一种时滞补偿设备以及一种计算机可读存储介质，可与上文相互对应参照。
[0091]
该时滞补偿设备可以包括：
[0092]
存储器，用于存储计算机程序；
[0093]
处理器，用于执行计算机程序以实现如上述任一项的时滞补偿方法的步骤。
[0094]
该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项的时滞补偿方法的步骤。这里所说的计算机可读存储介质包括随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
[0095]
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0096]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0097]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。