基于数字滤波器的伺服系统谐振抑制方法

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1、2015年3月北京航空航天大学学报March2015第41卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．3http：／／bhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0218基于数字滤波器的伺服系统谐振抑制方法王建敏1”，吴云洁“”，刘佑民3，张武龙4(1．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191；2．北京航空航天大

2、学飞行器控制一体化技术重点实验室，北京100191；3．北京航天发射技术研究所，北京100076；4．北京仿真中心导弹控制系统仿真国防科技重点实验室，北京100854)摘要：针对飞行仿真伺服系统(转台)中存在的机械谐振问题，在分析传统陷波器及二阶低通滤波器谐振抑制原理的基础上，提出了一种双二次谐振抑制数字滤波器．该双二次型数字滤波器结合了传统陷波器和二阶低通滤波器的特点，能够将谐振点和反谐振点同时抑制．通过理论分析与仿真验证相结合的方式，阐述了该双二次型数字滤波器能够同时抑制正反谐振点的原理，并将该滤波器

3、加入到了转台系统中进行实验．实验结果表明，所设计的滤波器在提高跟踪精度的同时有效拓宽了系统的带宽．关键词：伺服系统；机械谐振；谐振抑制；陷波器；数字滤波器；双二次滤波器中图分类号：V416．8文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)03-0485-07在实际的机械伺服系统中，机械谐振模态普遍存在．原因是伺服系统的传动部分，比如传动轴、连接轴等，并非是完全刚性的，在受力后会发生弹性形变．机械谐振不仅会影响伺服系统的稳定性和跟踪精度，还会严重损害机械部件，降低其寿命．因此，在伺服系统中，机械谐振

4、的抑制一直是控制研究的重要问题，对此已有大量研究．机械谐振的产生原因复杂多样并且难以避免，因此只能针对已存在的机械谐振进行抑制或消除的研究．在众多对机械谐振抑制的研究中，大致可以将机械谐振抑制方法分为以下几类：1)通过改进硬件方法进行谐振抑制．文献[1]利用传感器直接测量电机端与负载端的位置和速度信号，根据两端信号估算出机械谐振的状态，然后进行抑制；而文献[2]是通过设计硬件陷波器电路并加人到伺服系统中来补偿机构谐振的幅频特性，进而消除机械谐振的．2)通过设计控制器，采用不同的控制方法实现谐振抑制．Slo

5、bodan和Milic¨1利用速度环反馈控制方式设计了伺服系统的谐振抑制方案；Krzysztof和TeresaHl在反馈控制的基础上加入增益-积分速度控制器在双质量体系统中实现了谐振的抑制；杨晓霞等”1利用加速度反馈方法设计了控制器，从而将谐振抑制到一定范围内；于晶等M1在加速度反馈的前提下设计了高阶滑模控制器，有效抑制了机械谐振，在保证动态响应性能的同时，增强了系统对于负载扰动的鲁棒性；文献[7．8]则利用扰动观测器和反馈补偿器对系统中的机械谐振进行了估计和补偿，达到了谐振抑制的效果．3)通过设计数字滤

6、波器来抑制或消除机械谐振的影响．在此类谐振抑制方法中，应用陷波器实现机械谐振抑制的研究是最多的∽。2

7、．xu收稿日期：2014-04-21；录用日期：2014-05-30；网络出版时间：2014-06-0915：20网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／doi／10．13700／j．bh．10013965．2014．0218．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(91216304)作者简介：王建敏(1986一)，男，河北石家庄人，博士生，wjml23121@126．corn+通讯作者：吴

8、云洁(1969一)，女，河北保定人，教授，wyjmip@buaa．edu．cn，主要研究方向为伺服控制、飞行器制导控制、系统仿真及评估等．引用格式：王建敏，吴云洁，刘佑民，等．基于数字滤波器的伺服系统谐振抑制方法ⅣJ．北京航空航天大学学报，2015，410)：485—491．WangJM，WuYJ，LiuYM，eta1．ResonancesuppressionmethodbasedondigitalfilterforservosystemfJJ．JournalofBe咖ngUniversityofAero

9、nauticsandAstronautics，2015，4J0)：485-491(inChinese)．486北京航空航天大学学报2015年等¨3’将自适应的低通滤波器加入到速度反馈回路中实现了对机械谐振的抑制．以上3种对机械谐振的抑制方法研究中，通过硬件改进的抑制方法花费的时间和成本相对比较多，实现难度也比较大，不易广泛推广；通过改善控制策略实现谐振抑制的方法虽然可以从整体系统上达到较好的控制效果，但控制器的设计过程相对繁琐