一種艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的實時檢測與保護方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的實時檢測與保護方法，屬于交流伺服系統(tǒng)機 械諧振檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前艦載穩(wěn)定平臺一般采用減速器或絲桿作為電機和負載的傳動裝置，當傳動部 分的剛度低、負載慣量大時，穩(wěn)定平臺的機械諧振頻率就會較低，這時穩(wěn)定平臺更容易因傳 動裝置的彈性形變而產(chǎn)生機械諧振。機械諧振不僅會影響穩(wěn)定平臺的跟蹤精度，嚴重時還 會損害機械部件，降低其壽命。為了抑制或消除機械諧振，國內外學者進行了廣泛而深入的 研究，提出了許多解決方案。一些基于現(xiàn)代控制理論的控制算法對機械諧振的抑制效果好， 但是工程實現(xiàn)比較困難。目前工程上最常用的是針對諧振頻率點設計陷波濾波器的方法， 一般采用離線調試的方式而且參數(shù)調節(jié)過程復雜。
[0003] 現(xiàn)有對艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的研究主要考慮如何抑制諧振，但是機械諧振是一 個復雜的動態(tài)過程，諧振頻率點的位置和幅值會因外界環(huán)境、負載慣量以及系統(tǒng)自身特性 的變化而發(fā)生變化，很難保證穩(wěn)定平臺在運行過程中不發(fā)生機械諧振。因此，當機械諧振發(fā) 生時，研究其快速在線檢測與保護的方法顯得尤為重要，能夠保護機械部件不受損害，具有 重要的工程應用價值。目前對機械諧振的檢測，可以通過改進硬件的方式，一般包括增加諧 振傳感器，在電機側增加位置傳感器，在負載側增加加速度傳感器等方法，這些方法不僅會 增加硬件設計的難度，而且會增加成本，不易于廣泛推廣。也可以通過軟件算法編程的方 式，主要包括基于快速傅里葉變換、基于小波變換和基于神經(jīng)網(wǎng)絡檢測諧波信號的方法，這 些方法能夠進行機械諧振的諧波檢測，但是存在算法復雜、計算量大的問題，所以在實時性 要求高的系統(tǒng)中難以實現(xiàn)。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決艦載穩(wěn)定平臺存在會因機械諧振導致系統(tǒng)失穩(wěn)甚至機械結構 損壞的問題，提供一種艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的實時檢測與保護方法。
[0005] 本發(fā)明所述艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的實時檢測與保護方法，它包括以下步驟：
[0006] 步驟一：根據(jù)艦載穩(wěn)定平臺正常運行時位置信號的最大幅值Θd _、最大頻率c〇d _以及穩(wěn)定平臺機械諧振頻率的最小值ω^ιη設計一個無限沖激響應數(shù)字高通濾波器；
[0007] 步驟二：用數(shù)字高通濾波器對正弦位置信號進行濾波分析，確定判斷機械諧振的 濾波后位置信號的幅值門限值t:
[0008] 步驟三：用數(shù)字高通濾波器對艦載穩(wěn)定平臺的位置信號進行在線濾波，根據(jù)濾波 后位置信號的幅值與門限值r的關系判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了機械諧振，若發(fā)生機械諧振則進 入步驟四，否則繼續(xù)進行步驟三；
[0009] 步驟四：發(fā)出機械諧振報警并停止艦載穩(wěn)定平臺運行。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明在艦載穩(wěn)定平臺發(fā)生不可避免的機械諧振時，能夠快 速地在線檢測并進行保護，可以保證穩(wěn)定平臺不受損壞，提高艦載穩(wěn)定平臺的安全性和可 靠性。
[0011] 機械諧振頻率在運行過程中不是固定不變的，一般難以得到其準確值，而本發(fā)明 在設計數(shù)字高通濾波器過程中只需要知道系統(tǒng)機械諧振頻率的最小值ω^ιη，這在實際工 程中更容易實現(xiàn)。
[0012] 本發(fā)明在機械諧振的檢測過程中只需要對艦載穩(wěn)定平臺的位置信號這一個狀態(tài) 變量進行分析處理，而它是穩(wěn)定平臺位置控制必須的反饋值，所以無需改變系統(tǒng)的硬件設 計；而且所設計的數(shù)字高通濾波器為簡單的多項式結構，算法簡單易于實現(xiàn)，這些都便于其 在艦載穩(wěn)定平臺上廣泛應用。
【附圖說明】
[0013]圖1為【具體實施方式】一中所述的艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的實時檢測與保護方法 的流程示意圖。
[0014]圖2為巴特沃斯數(shù)字高通濾波器的幅頻特性曲線。
[0015] 圖3為對幅值為20°，頻率為0. 25Hz的位置信號濾波前后的曲線。
[0016]圖4為對幅值為0.5°，頻率為2Hz的位置信號濾波前后的曲線。
[0017]圖5為對圖4中濾波后的位置信號進行機械諧振判斷時1的曲線。
[0018] 圖6為包含不同幅值諧振信號的位置信號曲線。
[0019] 圖7為對圖6的位置信號進行濾波后的曲線。
[0020] 圖8為對圖7中濾波后的位置信號進行機械諧振判斷時1的曲線。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0021] 一：本實施方式所述艦載穩(wěn)定平臺機械諧振的實時檢測與保護方 法，它包括以下步驟：
[0022] 步驟一：根據(jù)艦載穩(wěn)定平臺正常運行時位置信號的最大幅值Θd _、最大頻率c〇d _以及穩(wěn)定平臺的機械諧振頻率的最小值ω^ιη設計一個無限沖激響應數(shù)字高通濾波器；
[0023] 步驟二：用數(shù)字高通濾波器對正弦位置信號進行濾波分析，確定判斷機械諧振的 濾波后位置信號的幅值門限值
[0024] 步驟三：用數(shù)字高通濾波器對艦載穩(wěn)定平臺的位置信號進行在線濾波，根據(jù)濾波 后位置信號的幅值與門限值r的關系判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了機械諧振，若發(fā)生機械諧振則進 入步驟四，否則繼續(xù)進行步驟三；
[0025] 步驟四：發(fā)出機械諧振報警并停止艦載穩(wěn)定平臺運行。
【具體實施方式】 [0026] 二：本實施方式是對一中所述艦載穩(wěn)定平臺機械諧振 的實時檢測與保護方法的進一步說明，本實施方式中，步驟一中根據(jù)艦載穩(wěn)定平臺正常運 行時位置信號的最大幅值Θd_、最大頻率cod_以及穩(wěn)定平臺的機械諧振頻率ωuin設計 一個無限沖激響應數(shù)字高通濾波器的過程為：
[0027]由于艦載穩(wěn)定平臺跟蹤的船體搖擺信號是低頻的位置信號，所以一般有cod 。設計的數(shù)字高通濾波器應該使平臺正常運行時低頻位置信號大幅衰減，而發(fā) 生機械諧振時的高頻位置信號的幅值衰減較小，具體滿足如下要求：
[0032] 上式中&"^和kd _分別為0彡ω彡ωd _時位置信號濾波后的最大幅值和濾 波器的最小衰減倍數(shù)，kg_為ω多ωuin時濾波器最大衰減倍數(shù)，Θg_為判斷機械諧振 的濾波前位置信號的幅值門限值，一般根據(jù)實際系統(tǒng)的需要來確定，其值越小則對機械諧 振的判斷越靈敏，但是更難設計滿足條件的濾波器ω多〇^_時幅值為Θg_的 位置信號濾波后的幅值最小值。
[0033] 典型的無限沖激響應數(shù)字濾波器包括巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾 波器等。巴特沃斯濾波器的特點是在通帶內的幅頻響應曲線最大限度平坦，而在阻帶內則 逐漸下降為零；切比雪夫濾波器的特點是幅頻響應在通帶內是等波紋的，它在過渡帶內比 巴特沃斯濾波器的衰減快，而且和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最??；橢圓濾波 器的特點是幅頻響應在通帶和阻帶內都是等波紋的，對于給定的階數(shù)和波紋要求，橢圓濾 波器能獲得較其它濾波器更窄的過渡帶寬。根據(jù)式（1)的要求，數(shù)字高通濾波器的幅頻響 應為單調遞增時更容易確定kd _和kg _的值，所以不希望所設計濾波器的幅頻響應在通 帶或阻帶內有波紋，因此本發(fā)明中采用巴特沃斯數(shù)字濾波器。
[0034] 設計巴特沃斯數(shù)字高通濾波器的步驟為：1)根據(jù)式（1)的要求確定巴特沃斯模 擬濾波器的技術指標，主要包括通帶截止頻率ω。、阻帶截止頻率cos、通帶最大衰減α。、阻 帶最小衰減as;2)根據(jù)以上四個技術指標確定巴特沃斯濾波器的最小階數(shù)Ν和固定頻率 ωη;3)利用最小階數(shù)N產(chǎn)生模擬巴特沃斯低通濾波原型；4)利用固有頻率ωn把模擬低通 濾波器原型轉換成模擬高通濾波器；5)利用沖激響應不變法或雙線性不變法把模擬濾波 器轉換成數(shù)字濾波器。所設計的巴特沃斯數(shù)字高通濾波器的傳遞函數(shù)為：
[0035；
[0036] 式中N為巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)的極點數(shù)，即濾波器的階數(shù);Μ為濾波器系統(tǒng)傳 遞函數(shù)的零點數(shù)；4和bk為濾波系數(shù)。其在數(shù)字系統(tǒng)中的差分方程表示為：
[0037]
[0038] 其中，y(n)分別為濾波前和濾波后的時域信號序列。
[0039] 本實施方案在將模擬高通濾波器數(shù)字化的過程中需要考慮數(shù)字信號處理器浮點 數(shù)運算的精度。
【具體實施方式】 [0040] 三：本實施方式是對一中所述艦載穩(wěn)定平臺機械諧振 的實時檢測與保護方法的進一步說明，本實施方式中，步驟二中用數(shù)字高通濾波器對正弦 位置信號進行濾波分析，確定判斷機械諧振的濾波后位置信號的幅值門限值妒的過程為：
[0041] 門限值r應該滿足關系P 定