基于Matlab/Signal Constraint工具箱的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的研究

孫慶克+顧偉+褚建新+孫林

摘要：針對(duì)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)在科學(xué)研究和其在儀器可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種性能良好的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)。本文首先介紹了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作原理，并在此基礎(chǔ)上確定了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的簡(jiǎn)化模型，然后采用PID算法調(diào)整控制器參數(shù)，使用Matlab/Signal?Constraint工具箱對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能并且具有較小的超調(diào)量，滿足性能要求，能夠較好的模擬所給定的信號(hào)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)振動(dòng)臺(tái);Signal?Constraint工具箱;PID控制器;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP275???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Reaserch?on?electric?vibration?table?based?on?Matlab/?Signal?Constraint?toolbox

Sun?Qing-ke，Gu?Wei，Sun?Lin

（Key?Laboratory?of?Marine?Technology?and?Control?Engineering?Ministry?of?Communications，?Shanghai?Maritime?University，?Shanghai，?201306，?China）

Abstract：?Aiming?at?the?application?of?electric?vibration?table?system?in?scientific?research?and?instruments?in?reliability?test，electric?vibration?table?servo?control?system?with?high?performance?was?designed.Firstly，control?system?of?electric?vibration?table?based?on?working?principle?was?modeled.Secondly，?the?conventional?PID?algorithm?was?adopted?to?design?the?controller?.And?then?a?method?of?using?Matlab/Signal?toolbox?was?presented?to?optimize?the?controller.?The?simulation?test?results?indicate?that?the?designed?system?can?meet?the?requirements?with?fine?dynamic?performance?and?small?overshoot?and?can?simulate?the?signal?we?have?given?primely.

Keywords：??electric?vibration?table;?Signal?Constraint?toolbox;PID?controller;optimize

• 引言

振動(dòng)試驗(yàn)的目的是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備、工程等在運(yùn)輸、使用等環(huán)境中所受的振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行模擬，以檢驗(yàn)其可靠性以及穩(wěn)定性[1]。國(guó)外專業(yè)化研制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的主要有美國(guó)DP公司、LDS公司、日本的IMV等公司，其研制生產(chǎn)的各類試驗(yàn)設(shè)備包括了從單自由度到多自由度、從電動(dòng)到電液各種類型產(chǎn)品領(lǐng)域，代表著世界最高水平。國(guó)內(nèi)研究振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)起步較晚，浙江大學(xué)與杭州億恒科技有限公司合作研究，?研制的基于多DSP的實(shí)時(shí)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)可完成機(jī)、正弦、沖擊等振動(dòng)試驗(yàn)。東菱公司研制了世界最大推力的35噸超大型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)[2]。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)因其頻率范圍寬、波形良好的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在振動(dòng)試驗(yàn)中，然而其也存在價(jià)格較高、體積龐大等缺點(diǎn)。因此，研究與開(kāi)發(fā)一種價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需功能容易實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，具有重要的實(shí)際意義。

PID?控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，?傳統(tǒng)的PID?調(diào)節(jié)方法過(guò)于復(fù)雜，?且很難達(dá)到期望的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。針對(duì)以上問(wèn)題本文使用了一種新的PID?參數(shù)整定方法，?即利用MATLAB的Signal?Constraint工具箱對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文首先建立了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模型，并采用提出的PID參數(shù)調(diào)整方法建立了閉環(huán)控制下的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)。

1??電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)原理

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)以電磁感應(yīng)基本原理為基礎(chǔ)，應(yīng)用電磁感應(yīng)的方法使振動(dòng)臺(tái)面發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)線有電流流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生使導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的力，力的方向根據(jù)導(dǎo)線中電流的方向而變化，導(dǎo)線產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)力是把通有適當(dāng)電流的驅(qū)動(dòng)線圈放置在高磁通密度的氣隙里產(chǎn)生的。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)主要由振動(dòng)控制儀、功率放大器、激磁電源、振動(dòng)臺(tái)、檢測(cè)裝置等設(shè)備組成。振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)，振動(dòng)控制儀產(chǎn)生所需的振動(dòng)波形，功率放大器將振動(dòng)控制儀傳來(lái)的電信號(hào)放大到適當(dāng)電平來(lái)激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)線圈，激磁電源產(chǎn)生振動(dòng)臺(tái)所需的磁場(chǎng)勵(lì)磁。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)原理方框圖如圖1所示。

圖1?電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)原理方框圖

2??電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模型的建立

振動(dòng)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)電-機(jī)轉(zhuǎn)換，所以電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)可以簡(jiǎn)化為由力學(xué)系統(tǒng)和電磁學(xué)系統(tǒng)組成。為簡(jiǎn)化分析，做兩點(diǎn)假設(shè)：?①電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)只有一個(gè)自由度;?②氣隙磁通密度為常數(shù)[3]。

2.1??電磁學(xué)系統(tǒng)模型

振動(dòng)臺(tái)的電磁學(xué)系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖2所示。根據(jù)電學(xué)理論，可得如下表達(dá)式：

其中，u表示功率放大器施加于動(dòng)圈兩端的電壓，R表示動(dòng)圈等效電阻，L表示動(dòng)圈等效電感，B表示氣隙磁通密度，F(xiàn)表示產(chǎn)生的推動(dòng)力，?x表示臺(tái)面位移，l表示動(dòng)圈等效長(zhǎng)度，i表示動(dòng)圈驅(qū)動(dòng)電流，e表示動(dòng)圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

2.2?力學(xué)系統(tǒng)模型

振動(dòng)臺(tái)的力學(xué)系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。根據(jù)力學(xué)理論，可得如下表達(dá)式：

圖3?力學(xué)系統(tǒng)模型

（4）

其中，M表示電樞和工作臺(tái)面的質(zhì)量，c表示阻尼系數(shù)，k表示彈性系數(shù)。

2.3?電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模型

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)由電磁學(xué)系統(tǒng)和力學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，將（1）、（2）、（3）和（4）式聯(lián)立得：

（5）

對(duì)（5）式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得輸入電壓u與振動(dòng)位移x的傳遞函數(shù)G（s）：

（6）

3??電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的PID控制因其具有原理簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域中，因此，本文在進(jìn)行電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)采用PID控制。PID控制器的設(shè)計(jì)是對(duì)其參數(shù)的調(diào)節(jié)，而傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法不但繁瑣而且不適用于非線性系統(tǒng)[4]。當(dāng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性特性時(shí)，?利用常規(guī)的線性化建模來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，控制效果都比較差。為了解決這一問(wèn)題，本文利用MATLAB信號(hào)處理工具箱來(lái)約束優(yōu)化電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的PID控制器參數(shù)。

3.1??Signal?Constraint工具箱簡(jiǎn)介

Signal?Constraint工具箱的基本工作原理如下：首先建立simulink仿真圖，將PID控制器的性能指標(biāo)約束和優(yōu)化參數(shù)在工具箱里進(jìn)行設(shè)置，工具箱根據(jù)給定的約束條件調(diào)用對(duì)應(yīng)函數(shù)來(lái)優(yōu)化計(jì)算控制器參數(shù)。動(dòng)態(tài)優(yōu)化的結(jié)果顯示在性能曲線窗口直至找到符合條件的最優(yōu)參數(shù)并將參數(shù)顯示出來(lái)。除此之外，通過(guò)工具箱可以指定變量的不確定性界限，可以實(shí)現(xiàn)不確定性魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.2??基于Signal?Constraint工具箱的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)PID控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)

功率放大器可以看作一個(gè)具有飽和特性的擬線性放大器，故可以簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)K[5，6，7]。查閱資料可得電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)參數(shù)如下：B=1.5T，l=328m，M=6kg，R=16Ω，L=8mH，c=2.4N·s/m，k=3600N/m，K=80[8]。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)仿真圖建好以后，開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行仿真。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法如下：

（1）在Signal?Constraint模塊的Optimization菜單中打開(kāi)Tuned?Parameters選項(xiàng)，將待調(diào)整參數(shù)Kp、Ki、Kd加入，并設(shè)定待調(diào)整參數(shù)的調(diào)整范圍和初值。

（2）在Disired?Response選項(xiàng)中選取所需的約束形式，如果選擇指定參考信號(hào)，要對(duì)參考信號(hào)的時(shí)間及幅值進(jìn)行設(shè)定，如果選擇指定階躍響應(yīng)特性，則需要對(duì)選項(xiàng)中列出的上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、超調(diào)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（3）Optimization?Options選項(xiàng)是Signal?Constraint模塊的關(guān)鍵，該選項(xiàng)主要是設(shè)定仿真方法和優(yōu)化選項(xiàng)等參數(shù)的。優(yōu)化選項(xiàng)包括梯度下降算法，模式搜索算法，簡(jiǎn)單搜索算法三種。優(yōu)化結(jié)束主要是通過(guò)對(duì)參數(shù)容限、約束容限和最大迭代次數(shù)等參數(shù)的設(shè)置來(lái)判定的。本文選擇默認(rèn)優(yōu)化選項(xiàng)。將參數(shù)容限設(shè)為0.001，約束容限設(shè)為0.001，這兩個(gè)設(shè)置確定了優(yōu)化計(jì)算的停止準(zhǔn)則，只有優(yōu)化量和約束量的變化小于上述兩個(gè)容限時(shí)，才停止優(yōu)化計(jì)算[9]。

（4）在Command?Window窗口對(duì)待調(diào)整參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行初始化：Kp=2.9、Ki=50、Kd=0。

（5）打開(kāi)Signal?Constraint模塊的Start?optimization選項(xiàng)開(kāi)始優(yōu)化。

4??仿真試驗(yàn)

4.1?階躍響應(yīng)試驗(yàn)

本文利用上述電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，圖4為Simulink仿真圖。要求的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)如下：調(diào)整時(shí)間90s，?上升時(shí)間30s，?穩(wěn)態(tài)誤差百分?jǐn)?shù)5%?，?超調(diào)量百分?jǐn)?shù)10%，?振蕩負(fù)幅值百分?jǐn)?shù)1%。圖5為動(dòng)態(tài)優(yōu)化結(jié)果圖，動(dòng)態(tài)的優(yōu)化結(jié)果顯示在該窗口中，直至找到最優(yōu)化參數(shù)。圖6為優(yōu)化后的階躍響應(yīng)曲線。

圖4??Simulink仿真圖

圖5?動(dòng)態(tài)優(yōu)化結(jié)果圖

圖6??優(yōu)化后階躍響應(yīng)曲線

通過(guò)優(yōu)化后的階躍響應(yīng)曲線可以看出，利用Signal?Constraint工具箱優(yōu)化后，可以得到一組性能良好的PID控制參數(shù)：超調(diào)量小，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。優(yōu)化后的結(jié)果完全滿足設(shè)定的要求。優(yōu)化后得到的PID調(diào)節(jié)參數(shù)如下：Kp=14.4855、Ki=41.8144、Kd=34.3714。

4.2?正弦響應(yīng)試驗(yàn)

根據(jù)上面的PID參數(shù)對(duì)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行正弦響應(yīng)試驗(yàn)。將20Hz的單位正弦信號(hào)施加給電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，得到圖7所示的正弦響應(yīng)曲線圖。

圖7?正弦響應(yīng)曲線

將20Hz和50Hz的不同幅度的正弦信號(hào)施加給振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，得到如圖8所示的隨機(jī)正弦響應(yīng)曲線圖。

圖8?隨機(jī)正弦響應(yīng)曲線

通過(guò)正弦響應(yīng)曲線和隨機(jī)正弦響應(yīng)曲線可以看出：電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)可以很好地復(fù)現(xiàn)和跟蹤給定的輸入信號(hào)，具有良好的模擬效果。

5??結(jié)論

本文首先研究了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的力學(xué)系統(tǒng)和電磁學(xué)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上確立了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的簡(jiǎn)單模型，利用MATLAB的Signal?Constraint工具箱對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選用這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠簡(jiǎn)單有效地整定出PID控制器參數(shù)。仿真結(jié)果表明該方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制器，具有良好的控制特性，能夠很好地模擬所給定的信號(hào)，驗(yàn)證了利用Signal?Constraint工具箱對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性和準(zhǔn)確性，為下一步搭建物理試驗(yàn)平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。

6??參考文獻(xiàn)

[1]?王述成.振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[D].浙江：浙江大學(xué)，2006.

[2]?江運(yùn)泰，自主創(chuàng)新、奮發(fā)圖強(qiáng)，環(huán)境技術(shù)?2，p9-12，2007.

[3]?郭繼峰，任萬(wàn)濱，康云志，翟國(guó)富.?電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模型辨識(shí)方法及其應(yīng)用的研究[J].振動(dòng)與沖擊.2011，30（07）：241-244.

[4]??Shamsuzzoha，?M.，?Skogestad，?S.?The?setpoint?overshoot?method：?A?simple?and?fast?closed-loop?approach?for?PID?tuning[J]，?Journal?of?Process?Control，?20，?1220-1234.?2010.

[5]?駱涵秀.試驗(yàn)機(jī)的電液控制系統(tǒng)[M].北京：?機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[6]?李丙才?，張榮.智能電液伺服控制系統(tǒng)的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程.2011，11（18）：4377-4379.

[7]?王桂霞.基于MATLAB/Simulink的隨動(dòng)控制系統(tǒng)建模與仿真[J].船舶工程.2012，34（03）：54-57.

[8]?孟繁瑩.大型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析與數(shù)值模擬研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[9]?袁桂麗，?王田宏，?王子杰，?金慰剛.基于MATLAB?的NCD?工具箱在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].汽輪機(jī)技術(shù).2004，46（05）：369-371.

作者簡(jiǎn)介：孫慶克（1988.01-），男，在讀碩士研究生????研究方向：船舶與港口自動(dòng)化技術(shù)。