基于動態矩陣的隔振器滯回動力自動控制系統設計

(山東科技大學濟南校區，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中，物體的振動都廣泛地存在。隨著工業產業、制造業和精密儀器加工產業的發展，高頻率、無規則的劇烈振動現象會給車船、設備等機械結構造成損壞，同時也會損害車船駕駛者、設備操作者的身體健康。對于車船等大型的機械動力結構而言，設備運轉、動力輸出乃至氣流、海水壓力等外界環境因素的作用，都極易產生共振現象，進而導致車船設備產生振動[1-2]。同時振動現象也是導致系統噪聲、機械噪聲產生的一個主要來源，隨著車船聲吶探測技術及無線信息傳輸技術重要性的持續提高，抑制系統共振，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]。在現代工程控制領域中，各種避振器、隔振器被廣泛地應用，其主要原理是通過彈性元件與阻尼元件配合，避免剛性結構的直接連接，并通過軟件控制算法適時調整阻尼力的控制范圍。當前隔振器已經被廣泛地應用于船舶、飛機、車輛及精密儀器加工制造領域，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。隔振控制中對于設備滯回動力的控制十分關鍵，而傳統控制系統對于隔振器滯回動力的調整多采用基于PLC技術的控制方式[8-9]，該類系統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。而本文利用動態矩陣控制算法針對隔振器滯回動力的變化曲線，設計了系統的硬件結構與控制算法實現流程，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硬件設計

對隔振器的滯回動力系統進行實時控制，是一種有效的系統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構之間，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構組成，被動隔振器具有可靠性強、結構簡單、成本低廉的優點，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計完成之后，其特性及參數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控制時，也無法通過控制系統參數的模式調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參數與滯回動力，在被動控制系統的基礎上加入了慣性元件，使隔振被動控制裝置與主控控制器并聯，并在隔振器裝置中加入了激擾源，以提高控制系統隔振效果。由于主動隔振裝置的控制效果更好，適應性更強，而且還能夠主動調整滯回動力，為此本文設計了基于動態矩陣控制算法的自動控制系統，并強化了阻尼零件參數控制與彈性元件參數控制效果控制方面，因此整體的控制效果要優于傳統的PLC控制算法，并且能夠提供更為準確的控制值輸出。基于動態矩陣控制算法的滯回動力自動控制系統硬件部分，由動態控制中心、伺服電機、動力傳感器、前置信號放大器、及數據計算單元等主要模塊組成，隔振器滯回動力自動控制系統硬件結構設計，如圖1所示。

圖1 隔振器滯回動力控制系統硬件結構

基于動態矩陣控制算法的隔振器滯回動力控制系統的各個硬件模塊，采用串級控制連接模式，以動態控制中心為核心模塊，并利用電磁感應信號控制的方式原理，通過參數調整與動態矩陣算法控制相結合的方法實現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。動態矩陣控制中心前端與信號放大器連接和伺服電機系統連接，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。由于整個硬件系統結構采用了串聯接口的連接方式，因此可以將動態矩陣的邏輯運算控制結果循環輸入動態控制中心，以獲得不同的滯回動力輸出值。參數的設定與調整采用電磁信號調制的方式，為減少電信號的誤差在系統指令輸入動態控制中心之前，利用信號放大器將電磁信號放大，并減少外界因素對系統信號的干擾。與電磁信號處理相關信號放大器型號為QQ55-FHD-11A、轉矩傳感器的型號為JN338-V、位移傳感器的型號為RDP2536-W。

動態控制中心的邏輯運算結果是基于動態控制矩陣系統的輸入項，并以電信號的方式驅動伺服電機模塊和轉矩傳感器的工作。伺服電機模塊的內部內置了STM32524A型號的單片機控制器，用于調節自動控制系統的電流大小、電路結構兩端的電壓分布，及伺服電機的旋轉速度。

作為整個隔振器動力控制系統的動力來源，伺服電機系統的工作性能將決定自動控制系統的工作精度，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，以提高系統的抗干擾能力和動態響應速度。基于動態矩陣的隔振器滯回動力自動控制系統的動態控制中心，還具有輔助伺服驅動設備的功能，這部分結構相當于一個伺服驅動器，并根據控制中心的指令將三相交流電能轉換為機械能。本文設計基于動態矩陣的滯回動力控制系統，所選用伺服驅動器型號為SERT32AVC98型，該型號的驅動器針對隔振器動力控制系統的無刷電機結構設計，并集合了MOSFET與GTR等伺服控制器的優點，可以準確地控制電流脈沖序列長度與電壓脈沖的寬度，以達到精確控制隔振器滯回動力的目的。

2 基于動態矩陣的隔振器滯回動力系統軟件功能的實現

控制系統軟件的設計思路以滯回動力的時間變化為主線，并采用循環觸發的方式對各硬件模塊進行控制與觸發。首先對整個電控系統進行初始化，調整系統的輸入參數，然后檢測電磁信號控制模塊、動態控制中心模塊的電壓是否穩定、電流是否正常，如果存在問題及時反饋給系統的上位機修正。隔振器滯回動力系統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的半自動調節。動態矩陣控制方式更為靈活，由于隔振器的應用環境十分復雜，動態矩陣控制算法能夠根據不同的實際應用情況，而機動地調整滯回動力的大小，基于動態矩陣控制算法的系統主控程序，如圖2所示。

圖2 隔振器滯回動力控制系統主控程序

在設定完成系統參數并確定系統模塊、伺服電機系統及位移傳感器工作狀態正常后，可以依據動態矩陣控制算法，實現對隔振器自動控制的系統最優控制。動態矩陣控制算法實質上是一種基于增量的偽隨機控制方式，以調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的純滯后性能。動態矩陣控制算法的優勢在于，克服了傳統PLC控制算法的系統參數延遲的問題，利用多步預測的方式對被控對象實施階躍響應離散控制。同時動態矩陣控制算法在隔振器滯回動力控制方面，全面考慮到了系統輸出最小偏離量及控制變量增量問題，并利用滾動優化模型對控制誤差進行校正。動態矩陣預測控制用來展示特定時間內的隔振器滯回動力的變化行為，從而準確地得出控制變量的數值變化區間。動態矩陣預測控制模型的主要功能在于基于現有滯回動力變化信息，來預測電磁信號脈沖響應。用于隔振器滯回動力自動控制的動態矩陣預測控制基本流程，如圖3所示。

圖3 動態矩陣預測控制的基本流程

電磁控制信號進入軌跡數值系統后，如果不存在異常情況直接進入優化技術階段；如果系統識別出異常則予以在線修正，并進入優化計算階段，優化計算是采用動態矩陣的計算方法，控制彈性元件與阻尼元件的型變量以實現對隔振器滯回動力的過程控制，最后以數值模擬的形態控制滯回動力的變化。在優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特征，來求解控制系統的階躍響應值。令τ1、τ2、τ3、……、τk為一組階躍響應值，常數k模擬系統控制中時域的長度，其中k越大則表明階躍響應值的穩定性越好。由于階躍響應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)為控制系統在第i個時刻的動態矩陣控制增量，此時可以求解出在未來時間段內隔振器滯回動力自動控制預測模型的輸出值：

(2)

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

(3)

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

(4)

隔振器自動預測模型的動態矩陣表達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，預測出在未來一段區間內的隔振器滯回動力輸出向量的變化趨勢。但預測結果可能出現多個相關的期望輸出，為提高滯回動力控制的準確性，對多個期望輸出進行加權處理，以降低系統輸出與理論參考值之間的偏差。由于預測的動力輸出值偏差與真實的輸出值在數量級上存在差異，因此要對二項表達式的輸出值求解中引入懲罰函數，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控制中心不受破壞?；趧討B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化的過程，動態滾動優化的過程，如圖4所示。

圖4 動態矩陣控制算法滾動優化示意圖

滾動控制算法示意圖顯示期望的輸出結果與實際值存在偏差，而滾動優化算法以系數相乘的方式得到未來k+n-1個時刻控制量，在獲取增量的最優值。動態矩陣算法針對對象的增量控制只是在控制時域范圍內有效，而在全部的預測時域內可能會出現失效的風險，因此這種增量控制必須是接續性的控制，及全程的動態控制，即以當前時刻結束時的輸出量作為下一時刻的輸入量，實現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控制的偏差，動態矩陣控制的關鍵是針對偏差與增量之間的變化關系，在對滯回動力調整控制的過程中調整動力控制增量的積分變化，實現一種穩定的全過程動態控制。反饋校正的環節也是隔振器滯回動力自動控制的關鍵步驟之一，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警，保證隔振器滯回動力的平穩輸出。

3 系統功能與性能測試

3.1 測試平臺搭建

搭建仿真實驗平臺驗證基于動態控制矩陣的自動控制系統的系統功能與測試性能，平臺系統主要包括10 kV的高壓開關柜、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論域Fuzzy控制裝置進行仿真測試，以驗證提出自動控制系統的穩態性能與控制誤差變化情況，測試平臺現場環境如圖5所示。

圖5 測試現場環境圖

3.2 自動控制系統的功能測試

為驗證隔振器滯回動力控制系統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系統故障，首先需要對自動化控制系統的功能性進行驗證，從本地控制和遠程控制兩個視角獲取實驗數據，如表1所示。

表1 隔振器自動控制系統的基本功能測試

測試數據顯示無論是遠程控制還是本地控制，文中提出自動控制系統的伸張和壓縮基本動作，都可以全部成功地完成，這表明系統的機械功能良好。再驗證自動控制系統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系，確定出電流過載保護的閾值設定范圍。控制系統電路發生過載時，基于動態矩陣的隔振器滯回動力系統會主動切斷電流，以保護控制系統電路結構的安全，自動控制系統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過載保護特征曲線

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

3.3 系統性能測試對比

對系統工作的穩定性進行對比測試，引入傳統的基于PLC的控制系統與本文基于動態矩陣的控制系統在不同穩態值條件下的誤差控制水平進行對比，選取的系統穩態值與誤差波動幅值區間，如表2所示。

表2 系統性能測試的穩態值設定

對比三種穩態值條件下，200 s仿真時間內傳統基于PLC的控制系統，與文中基于動態矩陣控制方法的控制誤差變化情況。首先基于PLC控制系統三種穩態值下的控制誤差，如圖7所示(a、b、c分別代表穩態值為0、10和-10條件下的誤差水平)：

圖7 傳統控制方法三種穩態值下控制誤差的變化情況

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

而在基于動態矩陣滯回動力自動控制系統下的誤差輸出值要明顯地降低。當穩態值為零的條件下系統的誤差輸出與趨近于零；在系統的穩態值為10的條件下，120 s仿真時間內的控制誤差輸出低于±0.02；在穩態值為-10的條件下，自動控制系統的誤差輸出有所提高，但仍然可以被控制在±0.05之內，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態值下控制誤差變化情況

從實驗分析結果可知，文中基于動態矩陣控制算法的隔振器滯回動力自動控制系統功能性穩定，且在誤差控制性能方面也好于傳統的PLC控制方法。

4 結束語

機械共振和外界環境引起的高頻振動不僅會影響到車船及機械設備的性能，還會對人體健康產生嚴重危害。為了追求更高的乘坐舒適度，及減少操控設備時對操作者所產生的不利影響，隔振器在飛機、車船等交通工具或精密機械設備中有廣泛的應用。對隔振器的滯回動力系統進行自動化控制，是隔振器設計與應用的重點工作之一，隨著機械自動化技術的發展和成熟，PLC控制技術在隔振器設計中得到了應用，但PLC控制技術在系統精密控制方面，難以達到隔振器滯回動力控制的要求，為此本文基于動態控制矩陣算法設計了一種自動化控制系統。動態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系統產生控制誤差，改善和提高控制精度，使滯回動力輸出結果更加趨近于理論值。