力传感器模型辨识及动态补偿器设计

关键 词 ：力传 感器 ；动态 特性 ；动态 补偿 ；零极 点 配置 法 中图分类 号 ：ＴＰ２１２ 文献标 识 码 ：Ａ ＤｏＩ：１０．１９２８７／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５—２４０２．２０１８．０７．０１５
Ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｍ ｏｄｅｌ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｃｏｍ ｐｅｎｓａｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ
Ｗ ＡＮＧ Ｊｉｎｇｓｅｎ，ＣＡＯ Ｊｉａｙｏｎｇ，ＹＡＯ Ｃｈｕｎｚｈｅ，Ｗ Ｕ ＹｕｅｈБайду номын сангаасｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１４１８，ＣＨＮ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｆｏｒｅｆｒｏｎｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｙｓｔｅｍ ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎａ— ｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｉｍｐａｃｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｓ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒｓ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ Ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｚｅｒｏ—ｐｏｌｅ ｃｏｎｆ ｉｇ— ｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍ ｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｓ— ｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｚｅｒｏ —ｐｏｌｅ ｃｏｎｆ ｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ．
的方 法包括 零极 点配 置法 、系统 辨识法 、神 经 网络 算法 等 ¨ ］。其 中零 极点 配置 法原理 简单 ，较易 实现 。
建立 准确可 靠 的传感 器模 型对研 究传感 器动 态特 性 至关 重要 。 目前 国 内外 对建 立传感 器数 学模 型 的研 究 已 经 比 较 成 熟 ．常 用 的模 型 辨 识 方 法 主 要 有 两 种 ｌ９ｊ：一 种是 根据传 感 器 的结 构 特 性 与工 作原 理推 导 出传感 器 系统 的数学 模 型 ：另 一 种 方法 是 通 过 实验 采 集 传感 器输 人输 出 的数 据并 进行 系统辨 识建模 。文献 ［１０］介绍 了一种传统的即通过手工描点法绘 图，然后 手 工量 取相 关量 进行计 算 的方法 。这种 分析 方法 显然 工 作量 巨大 ，而且 计算 精度 差 ，所 得模 型误差 较大 。文
２０１ ８年第７期
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ设 计与研究
力传 感 器 模 型 辨 识 及 动 态 补 偿 器 设 计 冰
王 镜 森 曹 家 勇 姚 淳哲 吴 玉春
（上 海应 用技术 大 学机械 工 程 学院 ，上 海 ２０１４１８）
摘 要 ：力传 感器 作 为测控 系统 的最 前端 ，其 动态 特 性对 测 控 系统特 性 有本 质 影 响 。为 建 立有 效 改善 力传 感 器动态 特性 的补 偿器 方法 ，根 据非 线性最 小 二乘 法建 立 了力传感 器 的动态 数学 模 型 ，基 于零 极 点 配 置法设 计 了力传 感器 的动 态补 偿环 节 。针对 以上 方法 进行 了 系统 辨识 实验 与动 态 补偿 环节 仿 真 设计 。实验 与仿真 结 果表 明 ，非 线性 最小 二乘 法能够 切合 实 际地建 立非线 性 系统 的 辨识 模型 ，零 极 点 配置法 所设 计 的动态 补偿 环节 极大 地 改善 了传 感器 的 动 态特 性 ，可 以 将该 补 偿 方法 应 用于 工 程 实 际 当中。
Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｄｙｎａｍ ｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ； ｚｅｒｏ ｐｏｌｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
近 年来 ，随着我 国制造 业 的飞快 发展 ，自动化 生产 线 与智 能制 造技 术不 断 完 善 ．对 力 检 测 系 统 的动 态 特 性 的要 求也 随之 不 断提高 。力 传感 器作 为力 检测 系统 的最前 端 ，如果 动态性 能 不能达 到使 用要 求 ，也就不 能 快速 、无 失真 地反 应 随时 间变化 的动 态力信 号 ，使力 检 测 系统 拥有 较大 的动态 误差 。例 如在 机床 检测 与故 障 诊 断过 程切 削检 测 的应 用场 合 ，切 削力 变化 频 率快 、成 分复 杂 ，检测精 度 要求 高 。需 要在 现有 传感 器基 础上 ， 利用 数 字化 动态 补偿 技 术 。有 效 改 善检 测 系统 的频 响 特性 。在 这种 背 景下 ，对 力 传 感 器进 行 动态 补 偿 是 改 善力 传感 器动 态特 性 的一条 有效 途径 。动 态补偿 常 用