(山東科技大學(xué)濟南校區(qū)，電氣信息系，濟南 250031)

0 引言

無論是在自然界還是在人類的工作生活當(dāng)中，物體的振動都廣泛地存在。隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)和精密儀器加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高頻率、無規(guī)則的劇烈振動現(xiàn)象會給車船、設(shè)備等機械結(jié)構(gòu)造成損壞，同時也會損害車船駕駛者、設(shè)備操作者的身體健康。對于車船等大型的機械動力結(jié)構(gòu)而言，設(shè)備運轉(zhuǎn)、動力輸出乃至氣流、海水壓力等外界環(huán)境因素的作用，都極易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，進而導(dǎo)致車船設(shè)備產(chǎn)生振動[1-2]。同時振動現(xiàn)象也是導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲、機械噪聲產(chǎn)生的一個主要來源，隨著車船聲吶探測技術(shù)及無線信息傳輸技術(shù)重要性的持續(xù)提高，抑制系統(tǒng)共振，降低噪聲干擾，并提高信號采集、識別與傳遞精度的呼聲和要求不斷提高[3-4]。在現(xiàn)代工程控制領(lǐng)域中，各種避振器、隔振器被廣泛地應(yīng)用，其主要原理是通過彈性元件與阻尼元件配合，避免剛性結(jié)構(gòu)的直接連接，并通過軟件控制算法適時調(diào)整阻尼力的控制范圍。當(dāng)前隔振器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于船舶、飛機、車輛及精密儀器加工制造領(lǐng)域，隔振器按照振源激勵方式可以分為被動式隔振和主動式隔振兩種[5-6]，也有特殊的機械設(shè)備采用了混合隔振方式[7]，以提高避振的效果。隔振控制中對于設(shè)備滯回動力的控制十分關(guān)鍵，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對于隔振器滯回動力的調(diào)整多采用基于PLC技術(shù)的控制方式[8-9]，該類系統(tǒng)在滯回動力高頻控制的靈活性及時機把握上有所欠缺，最終會影響到振動的濾除效果。而本文利用動態(tài)矩陣控制算法針對隔振器滯回動力的變化曲線，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與控制算法實現(xiàn)流程，能夠改善對滯回動力的控制效果。

1 隔振器滯回動力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

對隔振器的滯回動力系統(tǒng)進行實時控制，是一種有效的系統(tǒng)噪聲和機械振動抑制手段，隔振的方式主要包括被動隔振方式和主動隔振方式兩種。將振動元件、彈性元件和阻尼元件組合起來，再放置于振動源與機械結(jié)構(gòu)之間，就形成了一種簡易的被動隔振裝置，這種隔振裝置主要由高性能橡膠彈性零件、空氣彈性元件模塊等結(jié)構(gòu)組成，被動隔振器具有可靠性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)點，但被動隔振器的振動消除效果要弱于主動隔振器。但被動隔振器一旦設(shè)計完成之后，其特性及參數(shù)值就不可修正和更改，隨著使用時間的延長，隔振性能會急速衰減，而且在對被動隔振器的滯回動力系統(tǒng)控制時，也無法通過控制系統(tǒng)參數(shù)的模式調(diào)整隔振器滯回動力的大小。為了能夠主動控制隔振器的系統(tǒng)參數(shù)與滯回動力，在被動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了慣性元件，使隔振被動控制裝置與主控控制器并聯(lián)，并在隔振器裝置中加入了激擾源，以提高控制系統(tǒng)隔振效果。由于主動隔振裝置的控制效果更好，適應(yīng)性更強，而且還能夠主動調(diào)整滯回動力，為此本文設(shè)計了基于動態(tài)矩陣控制算法的自動控制系統(tǒng)，并強化了阻尼零件參數(shù)控制與彈性元件參數(shù)控制效果控制方面，因此整體的控制效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的PLC控制算法，并且能夠提供更為準(zhǔn)確的控制值輸出。基于動態(tài)矩陣控制算法的滯回動力自動控制系統(tǒng)硬件部分，由動態(tài)控制中心、伺服電機、動力傳感器、前置信號放大器、及數(shù)據(jù)計算單元等主要模塊組成，隔振器滯回動力自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。

圖1 隔振器滯回動力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于動態(tài)矩陣控制算法的隔振器滯回動力控制系統(tǒng)的各個硬件模塊，采用串級控制連接模式，以動態(tài)控制中心為核心模塊，并利用電磁感應(yīng)信號控制的方式原理，通過參數(shù)調(diào)整與動態(tài)矩陣算法控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)對隔振器彈性元件形變，與阻尼值大小的控制，進而改變了原有機械振動的頻率與振幅。動態(tài)矩陣控制中心前端與信號放大器連接和伺服電機系統(tǒng)連接，并間接地與動力位移傳感器及動力控制計算單元連接，形成了多路的滯回動力控制鏈路。由于整個硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用了串聯(lián)接口的連接方式，因此可以將動態(tài)矩陣的邏輯運算控制結(jié)果循環(huán)輸入動態(tài)控制中心，以獲得不同的滯回動力輸出值。參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整采用電磁信號調(diào)制的方式，為減少電信號的誤差在系統(tǒng)指令輸入動態(tài)控制中心之前，利用信號放大器將電磁信號放大，并減少外界因素對系統(tǒng)信號的干擾。與電磁信號處理相關(guān)信號放大器型號為QQ55-FHD-11A、轉(zhuǎn)矩傳感器的型號為JN338-V、位移傳感器的型號為RDP2536-W。

動態(tài)控制中心的邏輯運算結(jié)果是基于動態(tài)控制矩陣系統(tǒng)的輸入項，并以電信號的方式驅(qū)動伺服電機模塊和轉(zhuǎn)矩傳感器的工作。伺服電機模塊的內(nèi)部內(nèi)置了STM32524A型號的單片機控制器，用于調(diào)節(jié)自動控制系統(tǒng)的電流大小、電路結(jié)構(gòu)兩端的電壓分布，及伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度。

作為整個隔振器動力控制系統(tǒng)的動力來源，伺服電機系統(tǒng)的工作性能將決定自動控制系統(tǒng)的工作精度，為提高伺服電機的整個功耗控制水平和精度控制水平，為伺服電機配備了空間位移傳感器，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和動態(tài)響應(yīng)速度。基于動態(tài)矩陣的隔振器滯回動力自動控制系統(tǒng)的動態(tài)控制中心，還具有輔助伺服驅(qū)動設(shè)備的功能，這部分結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個伺服驅(qū)動器，并根據(jù)控制中心的指令將三相交流電能轉(zhuǎn)換為機械能。本文設(shè)計基于動態(tài)矩陣的滯回動力控制系統(tǒng)，所選用伺服驅(qū)動器型號為SERT32AVC98型，該型號的驅(qū)動器針對隔振器動力控制系統(tǒng)的無刷電機結(jié)構(gòu)設(shè)計，并集合了MOSFET與GTR等伺服控制器的優(yōu)點，可以準(zhǔn)確地控制電流脈沖序列長度與電壓脈沖的寬度，以達(dá)到精確控制隔振器滯回動力的目的。

2 基于動態(tài)矩陣的隔振器滯回動力系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計思路以滯回動力的時間變化為主線，并采用循環(huán)觸發(fā)的方式對各硬件模塊進行控制與觸發(fā)。首先對整個電控系統(tǒng)進行初始化，調(diào)整系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，然后檢測電磁信號控制模塊、動態(tài)控制中心模塊的電壓是否穩(wěn)定、電流是否正常，如果存在問題及時反饋給系統(tǒng)的上位機修正。隔振器滯回動力系統(tǒng)具有全自動和手動控制兩種模式，在進行批量的檢測與控制時選用自動模式提高效率；但在實驗階段也可以采用手動控制的方式，完成對隔振器滯回動力系統(tǒng)的半自動調(diào)節(jié)。動態(tài)矩陣控制方式更為靈活，由于隔振器的應(yīng)用環(huán)境十分復(fù)雜，動態(tài)矩陣控制算法能夠根據(jù)不同的實際應(yīng)用情況，而機動地調(diào)整滯回動力的大小，基于動態(tài)矩陣控制算法的系統(tǒng)主控程序，如圖2所示。

圖2 隔振器滯回動力控制系統(tǒng)主控程序

在設(shè)定完成系統(tǒng)參數(shù)并確定系統(tǒng)模塊、伺服電機系統(tǒng)及位移傳感器工作狀態(tài)正常后，可以依據(jù)動態(tài)矩陣控制算法，實現(xiàn)對隔振器自動控制的系統(tǒng)最優(yōu)控制。動態(tài)矩陣控制算法實質(zhì)上是一種基于增量的偽隨機控制方式，以調(diào)整電磁信號的最小相位變化的途徑，逐步完善自動電路系統(tǒng)的純滯后性能。動態(tài)矩陣控制算法的優(yōu)勢在于，克服了傳統(tǒng)PLC控制算法的系統(tǒng)參數(shù)延遲的問題，利用多步預(yù)測的方式對被控對象實施階躍響應(yīng)離散控制。同時動態(tài)矩陣控制算法在隔振器滯回動力控制方面，全面考慮到了系統(tǒng)輸出最小偏離量及控制變量增量問題，并利用滾動優(yōu)化模型對控制誤差進行校正。動態(tài)矩陣預(yù)測控制用來展示特定時間內(nèi)的隔振器滯回動力的變化行為，從而準(zhǔn)確地得出控制變量的數(shù)值變化區(qū)間。動態(tài)矩陣預(yù)測控制模型的主要功能在于基于現(xiàn)有滯回動力變化信息，來預(yù)測電磁信號脈沖響應(yīng)。用于隔振器滯回動力自動控制的動態(tài)矩陣預(yù)測控制基本流程，如圖3所示。

圖3 動態(tài)矩陣預(yù)測控制的基本流程

電磁控制信號進入軌跡數(shù)值系統(tǒng)后，如果不存在異常情況直接進入優(yōu)化技術(shù)階段；如果系統(tǒng)識別出異常則予以在線修正，并進入優(yōu)化計算階段，優(yōu)化計算是采用動態(tài)矩陣的計算方法，控制彈性元件與阻尼元件的型變量以實現(xiàn)對隔振器滯回動力的過程控制，最后以數(shù)值模擬的形態(tài)控制滯回動力的變化。在優(yōu)化控制計算中以隔振器的滯回動力為控制對象，并按照滯回動力的階躍響應(yīng)特征，來求解控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)值。令τ1、τ2、τ3、……、τk為一組階躍響應(yīng)值，常數(shù)k模擬系統(tǒng)控制中時域的長度，其中k越大則表明階躍響應(yīng)值的穩(wěn)定性越好。由于階躍響應(yīng)值模型的非線性特征，且具有疊加性和同比例變化特征，可以得到被控制對象的階躍響應(yīng)控制模型y(k)：

y(k)=τ1Δf(k-1)+τ2Δf(k-2)+…+

τnΔf(k-n)

(1)

其中:f(k-i)為控制系統(tǒng)在第i個時刻的動態(tài)矩陣控制增量，此時可以求解出在未來時間段內(nèi)隔振器滯回動力自動控制預(yù)測模型的輸出值：

(2)

為降低自動控制算法的復(fù)雜度對公式(2)的自動控制模型進行降維處理，將階躍響應(yīng)值τi改寫成為m×n階的動態(tài)矩陣：

(3)

而隔振器滯回動力自動控制模型的動態(tài)矩陣控制增量，也可以采用動態(tài)矩陣的方式來表示：

(4)

隔振器自動預(yù)測模型的動態(tài)矩陣表達(dá)如果被加以多個限定幅值的脈沖向量，那么就可以按照脈沖信號的相位變化，預(yù)測出在未來一段區(qū)間內(nèi)的隔振器滯回動力輸出向量的變化趨勢。但預(yù)測結(jié)果可能出現(xiàn)多個相關(guān)的期望輸出，為提高滯回動力控制的準(zhǔn)確性，對多個期望輸出進行加權(quán)處理，以降低系統(tǒng)輸出與理論參考值之間的偏差。由于預(yù)測的動力輸出值偏差與真實的輸出值在數(shù)量級上存在差異，因此要對二項表達(dá)式的輸出值求解中引入懲罰函數(shù)，降低參考軌跡與滯回動力控制輸出增量之間的相互干擾，并保護伺服電機控制器與動態(tài)控制中心不受破壞?；趧討B(tài)矩陣控制算法的隔振器滯回動力控制過程還包括一個滾動優(yōu)化的過程，動態(tài)滾動優(yōu)化的過程，如圖4所示。

圖4 動態(tài)矩陣控制算法滾動優(yōu)化示意圖

滾動控制算法示意圖顯示期望的輸出結(jié)果與實際值存在偏差，而滾動優(yōu)化算法以系數(shù)相乘的方式得到未來k+n-1個時刻控制量，在獲取增量的最優(yōu)值。動態(tài)矩陣算法針對對象的增量控制只是在控制時域范圍內(nèi)有效，而在全部的預(yù)測時域內(nèi)可能會出現(xiàn)失效的風(fēng)險，因此這種增量控制必須是接續(xù)性的控制，及全程的動態(tài)控制，即以當(dāng)前時刻結(jié)束時的輸出量作為下一時刻的輸入量，實現(xiàn)隔振器整個運動控制過程的全過程控制。從ki到ki+1的每一個時間段都會出現(xiàn)控制的偏差，動態(tài)矩陣控制的關(guān)鍵是針對偏差與增量之間的變化關(guān)系，在對滯回動力調(diào)整控制的過程中調(diào)整動力控制增量的積分變化，實現(xiàn)一種穩(wěn)定的全過程動態(tài)控制。反饋校正的環(huán)節(jié)也是隔振器滯回動力自動控制的關(guān)鍵步驟之一，反饋校正與前饋控制工作相配合，對有錯誤的輸入項進行補償控制和錯誤預(yù)警，保證隔振器滯回動力的平穩(wěn)輸出。

3 系統(tǒng)功能與性能測試

3.1 測試平臺搭建

搭建仿真實驗平臺驗證基于動態(tài)控制矩陣的自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能與測試性能，平臺系統(tǒng)主要包括10 kV的高壓開關(guān)柜、高性能傳感器、示波器、具有隔離性能的變壓器、及特種的工裝卡具?；趧討B(tài)論域Fuzzy控制裝置進行仿真測試，以驗證提出自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能與控制誤差變化情況，測試平臺現(xiàn)場環(huán)境如圖5所示。

圖5 測試現(xiàn)場環(huán)境圖

3.2 自動控制系統(tǒng)的功能測試

為驗證隔振器滯回動力控制系統(tǒng)的基本控制功能和電路過載保護功能，并避免在批量實驗中出現(xiàn)系統(tǒng)故障，首先需要對自動化控制系統(tǒng)的功能性進行驗證，從本地控制和遠(yuǎn)程控制兩個視角獲取實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 隔振器自動控制系統(tǒng)的基本功能測試

測試數(shù)據(jù)顯示無論是遠(yuǎn)程控制還是本地控制，文中提出自動控制系統(tǒng)的伸張和壓縮基本動作，都可以全部成功地完成，這表明系統(tǒng)的機械功能良好。再驗證自動控制系統(tǒng)的電流過載保護性能，按照直流電機過載時電流與溫度的關(guān)系，確定出電流過載保護的閾值設(shè)定范圍。控制系統(tǒng)電路發(fā)生過載時，基于動態(tài)矩陣的隔振器滯回動力系統(tǒng)會主動切斷電流，以保護控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的安全，自動控制系統(tǒng)伺服電機的保護性特征曲線變化，如圖6所示。

圖6 隔振器自動控制系統(tǒng)過載保護特征曲線

由于隔振器自動控制系統(tǒng)具有過載保護性能，電流過載倍數(shù)最高不超過5倍，以保證自動控制系統(tǒng)伺服電機的穩(wěn)定工作。系統(tǒng)功能測試結(jié)果表明，基于動態(tài)矩陣的隔振器滯回動力系統(tǒng)的系統(tǒng)裝置功能和電路保護功能良好，可以保證實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

3.3 系統(tǒng)性能測試對比

對系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性進行對比測試，引入傳統(tǒng)的基于PLC的控制系統(tǒng)與本文基于動態(tài)矩陣的控制系統(tǒng)在不同穩(wěn)態(tài)值條件下的誤差控制水平進行對比，選取的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值與誤差波動幅值區(qū)間，如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能測試的穩(wěn)態(tài)值設(shè)定

對比三種穩(wěn)態(tài)值條件下，200 s仿真時間內(nèi)傳統(tǒng)基于PLC的控制系統(tǒng)，與文中基于動態(tài)矩陣控制方法的控制誤差變化情況。首先基于PLC控制系統(tǒng)三種穩(wěn)態(tài)值下的控制誤差，如圖7所示(a、b、c分別代表穩(wěn)態(tài)值為0、10和-10條件下的誤差水平)：

圖7 傳統(tǒng)控制方法三種穩(wěn)態(tài)值下控制誤差的變化情況

傳統(tǒng)PLC控制方法下選擇不同的問題值，在120 s的仿真時間下呈現(xiàn)出不同誤差輸出。其中穩(wěn)態(tài)值為零的條件下，誤差的波形輸出較為穩(wěn)定但控制誤差值總體偏高，超過了±0.1；當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為10的情況的，在20～30 s、60～70 s、100～110 s的時間段內(nèi)出現(xiàn)了誤差的突變升高狀況，表明穩(wěn)態(tài)值的改變會對控制誤差的變化產(chǎn)生不利的影響；當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為-10的條件下，控制誤差的總體走勢也呈現(xiàn)出了周期性的變化，但總體的誤差均值也超過了±0.1。

而在基于動態(tài)矩陣滯回動力自動控制系統(tǒng)下的誤差輸出值要明顯地降低。當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為零的條件下系統(tǒng)的誤差輸出與趨近于零；在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值為10的條件下，120 s仿真時間內(nèi)的控制誤差輸出低于±0.02；在穩(wěn)態(tài)值為-10的條件下，自動控制系統(tǒng)的誤差輸出有所提高，但仍然可以被控制在±0.05之內(nèi)，具體的誤差輸出波形變化情況，如圖8所示。

圖8 文中控制方法下三種穩(wěn)態(tài)值下控制誤差變化情況

從實驗分析結(jié)果可知，文中基于動態(tài)矩陣控制算法的隔振器滯回動力自動控制系統(tǒng)功能性穩(wěn)定，且在誤差控制性能方面也好于傳統(tǒng)的PLC控制方法。

4 結(jié)束語

機械共振和外界環(huán)境引起的高頻振動不僅會影響到車船及機械設(shè)備的性能，還會對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。為了追求更高的乘坐舒適度，及減少操控設(shè)備時對操作者所產(chǎn)生的不利影響，隔振器在飛機、車船等交通工具或精密機械設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。對隔振器的滯回動力系統(tǒng)進行自動化控制，是隔振器設(shè)計與應(yīng)用的重點工作之一，隨著機械自動化技術(shù)的發(fā)展和成熟，PLC控制技術(shù)在隔振器設(shè)計中得到了應(yīng)用，但PLC控制技術(shù)在系統(tǒng)精密控制方面，難以達(dá)到隔振器滯回動力控制的要求，為此本文基于動態(tài)控制矩陣算法設(shè)計了一種自動化控制系統(tǒng)。動態(tài)控制矩陣算法是一種全過程的滾動控制理念，在自動化控制過程中能夠自動修復(fù)系統(tǒng)產(chǎn)生控制誤差，改善和提高控制精度，使滯回動力輸出結(jié)果更加趨近于理論值。