1.本发明涉及数字信号处理技术领域，特别是涉及一种用于振动台的数字滤波装置、方法、设备及介质。
背景技术：
2.目前用于单轴振动台的传感器有：作动器上的直线位移传感器(lvdt)、作动器上的压差传感器、振动台台面上的加速度传感器。传统的由位移传感器测得位移需要经积分得到速度，而由加速度传感器测得的加速度需要经积分才能速度；需要设计两种数字滤波器才能实现纯积分和纯微分功能。同时，纯微分数字滤波器存在着高频增益过高问题，纯积分数字滤器在有静态偏移的情况下会存在积分误差问题。
3.因此，在传统技术中，积分数字滤波器和微分数字滤波器需要单独设计，同时纯微分数字滤波器存在着高频增益过高问题，纯积分数字滤波器在有静态偏移的情况下会有积分误差问题，从而无法得到振动台更丰富和更准确的物理量。
技术实现要素：
4.本发明的目的是提供一种用于振动台的数字滤波装置、方法、设备及介质，能够解决至少一个上述问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种用于振动台的数字滤波装置，包括：
7.上位机和与所述上位机连接的振动台加载装置；
8.所述上位机用于：
9.根据滤波处理的滤波类型确定滤波参数；所述滤波类型包括低通滤波处理、纯积分处理、带高通滤波的积分处理和带低通滤波的微分处理；所述滤波参数包括放大系数k
hpf
、下降系数droop、归一化值scale；
10.所述振动台加载装置用于：
11.确定振动控制指令；
12.根据所述振动控制指令和所述滤波参数采集振动台加载数据；所述振动台加载数据包括作动器位移、振动台台面加速度和作动器油腔压差；
13.对所述振动台加载数据进行对应的滤波处理，得到滤波结果；所述滤波结果包括滤波后得到的位移d
filter
、滤波后得到的速度v
filter
、滤波后得到的加速度a
filter
、滤波后得到的压差δp
filter
；
14.所述上位机还用于：
15.接收并显示所述振动台加载数据和所述滤波结果。
16.可选地，所述振动台加载装置采用单自由度振动台加载装置。
17.可选地，所述振动台加载装置，具体包括：控制器、作动器、振动台、位移传感器、加速度传感器和压差传感器；
18.所述振动台与所述作动器的推杆连接；所述加速度传感器设置于所述振动台上；所述位移传感器设置于所述作动器的推杆上；所述压差传感器设置于所述作动器的油腔上；所述作动器的电子伺服阀、所述位移传感器、所述加速度传感器和所述压差传感器均与所述控制器连接；所述控制器还与所述上位机连接；
19.所述控制器用于确定振动控制指令，并根据所述振动控制指令控制与所述电子伺服阀连接的作动器进行振动；
20.所述位移传感器用于测量所述作动器的推杆伸缩量，得到作动器位移；
21.所述加速度传感器用于测量振动台台面加速度；
22.所述压差传感器用于测量作动器油腔压差；
23.所述控制还用于：
24.对所述作动器位移、所述振动台台面加速度和所述作动器油腔压差进行对应的滤波处理，得到滤波结果；
25.将所述作动器位移、所述振动台台面加速度、所述作动器油腔压差和所述滤波结果传输至所述上位机中。
26.本发明还提供了一种用于振动台的数字滤波方法，包括：
27.根据滤波处理的滤波类型确定滤波参数；所述滤波类型包括低通滤波处理、纯积分处理、带高通滤波的积分处理和带低通滤波的微分处理；所述滤波参数包括放大系数k
hpf
、下降系数droop、归一化值scale；
28.确定振动控制指令；
29.根据所述振动控制指令和所述滤波参数采集振动台加载数据；所述振动台加载数据包括作动器位移、振动台台面加速度和作动器油腔压差；
30.对所述振动台加载数据进行对应的滤波处理，得到滤波结果；所述滤波结果包括滤波后得到的位移d
filter
、滤波后得到的速度v
filter
、滤波后得到的加速度a
filter
、滤波后得到的压差δp
filter
；
31.接收并显示所述振动台加载数据和所述滤波结果。
32.可选地，根据滤波处理的滤波类型确定滤波参数，具体包括：
33.确定预设参数；所述预设参数为所述滤波类型对应的滤波处理的算法参数中直接输入的参数；
34.根据所述预设参数和预设参数计算方法确定其他参数；所述其他参数为所述滤波类型对应的滤波处理的算法参数中，除所述预设参数以外的参数；
35.在所述预设参数和所述其他参数中选取滤波参数。
36.可选地，在对所述振动台加载数据进行对应的滤波处理，得到滤波结果之前，还包括：
37.构建多功能数字滤波器；所述多功能数字滤波器用于进行各所述滤波类型对应的滤波处理；所述多功能数字滤波器包括依次连接的滤波输入端、滤波处理模块和滤波输出端；所述滤波输入端的数量为一个；所述滤波输出端的数量为三个，分别为低通输出端、高通输出端和最终输出端；
38.所述滤波处理模块包括第一低通滤波器单元、高通滤波器单元和第二低通滤波器单元；其中，所述滤波输入端、所述第一低通滤波器单元和所述低通输出端依次连接；所述
滤波输入端、所述高通滤波器单元和所述高通输出端依次连接；所述滤波输入端、所述高通滤波器单元、所述第二低通滤波器单元和所述最终输出端依次连接。
39.本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的用于振动台的数字滤波方法。
40.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的用于振动台的数字滤波方法。
41.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
42.本发明公开了一种用于振动台的数字滤波装置、方法、设备及介质，所述装置包括上位机和与所述上位机连接的振动台加载装置，其中，上位机用于确定滤波参数，便于应用时调参，并将该滤波参数输入到振动台加载装置中，以选定的滤波类型对采集的振动台加载数据进行滤波处理，得到对应的滤波结果。通过将上位机的滤波参数传输至振动台加载装置中，以选定的滤波类型对振动台加载数据进行滤波处理，实现多功能滤波。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明用于振动台的数字滤波装置的结构框图；
45.图2为本实施例中用于振动台的数字滤波装置的连接示意图；
46.图3为本发明用于振动台的数字滤波方法的流程示意图；
47.图4为本实施例中数字滤波方法的逻辑示意图；
48.图5为本实施例中的多功能数字滤波器结构示意图；
49.图6为本实施例中的一种低通滤波器结构示意图；
50.图7为本实施例中的一种纯积分滤波器结构示意图；
51.图8(a)为本实施例中的另一种低通滤波器结构示意图；
52.图8(b)为本实施例中经变形后的低通滤波器结构示意图；
53.图9(a)为本实施例中一种0.1hz-200hz的正弦扫频信号图；
54.图9(b)为本实施例中图8(a)结构应用时对应的功率谱密度图；
55.图10(a)为本实施例中一种数字滤波器输入和低通输出的时域对比图；
56.图10(b)为本实施例中一种数字滤波器低通输出与输入传递函数频响的幅值特性曲线图；
57.图11(a)为本实施例中一种数字滤波器输出与纯积分滤波器输出的时域对比图；
58.图11(b)为本实施例中一种数字滤波器输出与纯积分滤波器输出传递函数频响的幅值特性曲线图；
59.图12(a)为本实施例中一种数字滤波器输出与纯微分滤波器输出的时域对比图；
60.图12(b)为本实施例中一种数字滤波器输出与纯微分滤波器输出传递函数频响的幅值特性曲线图；
61.图12(c)为本实施例中滤波器输出与纯微分滤波器输出传递函数频响的幅值特性曲线。
62.附图标记：
63.1-上位机；2-振动台加载装置；3-控制器；4-振动台；5-作动器；6-加速度传感器；7-位移传感器；8-压差传感器。
具体实施方式
64.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.本发明的目的是提供一种用于振动台的数字滤波装置、方法、设备及介质，能够解决至少一个背景技术中所提及的问题。
66.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
67.如图1所示，本发明提供了一种用于振动台的数字滤波装置，包括：
68.上位机1和与所述上位机1连接的振动台加载装置2。
69.其中，所述上位机1用于：
70.根据滤波处理的滤波类型确定滤波参数；所述滤波类型包括低通滤波处理、纯积分处理、带高通滤波的积分处理和带低通滤波的微分处理；所述滤波参数包括放大系数k
hpf
、下降系数droop、归一化值scale。
71.所述振动台加载装置2用于：
72.确定振动控制指令；根据所述振动控制指令和所述滤波参数采集振动台加载数据；所述振动台加载数据包括作动器位移、振动台台面加速度和作动器油腔压差；对所述振动台加载数据进行对应的滤波处理，得到滤波结果；所述滤波结果包括滤波后得到的位移d
filter
、滤波后得到的速度v
filter
、滤波后得到的加速度a
filter
、滤波后得到的压差δp
filter
。
73.所述上位机1还用于：
74.接收并显示所述振动台加载数据和所述滤波结果。
75.作为一种具体的实施方式，所述振动台加载装置2，具体包括：控制器3、作动器5、振动台4、位移传感器7、加速度传感器6和压差传感器8。
76.其中，所述振动台4与所述作动器5的推杆连接；所述加速度传感器6设置于所述振动台4上；所述位移传感器7设置于所述作动器5的推杆上；所述压差传感器8设置于所述作动器5的油腔上；所述作动器5的电子伺服阀、所述位移传感器7、所述加速度传感器6和所述压差传感器8均与所述控制器3连接；所述控制器3还与所述上位机1连接。
77.具体地，所述控制器3用于确定振动控制指令，并根据所述振动控制指令控制与所述电子伺服阀连接的作动器5进行振动；所述位移传感器7用于测量所述作动器5的推杆伸缩量，得到作动器位移；所述加速度传感器6用于测量振动台台面加速度；所述压差传感器8用于测量作动器油腔压差；所述控制还用于对所述作动器位移、所述振动台台面加速度和所述作动器油腔压差进行对应的滤波处理，得到滤波结果；将所述作动器位移、所述振动台
台面加速度、所述作动器油腔压差和所述滤波结果传输至所述上位机1中。
78.在本实施例中，所述振动台加载装置2采用单自由度振动台加载装置。
79.在上述方案的基础上，提供如图2所示的实施例：
80.上位机1：完成数据的收发和用户设置的多种功能数字滤波器参数计算。下位的控制器3：完成数字滤波器写入并接收上位机1传来的数字滤波器参数；接收位移传感器7测得实际的作动器位移、接收加速度传感器6测得实际的振动台台面加速度、接收压差传感器8测得实际的作动器油腔压差；将传感器的测得信号作为数字滤波器输入，经处理得到：滤波后得到的位移d
filter
、滤波后得到的速度v
filter
、滤波后得到的加速度a
filter
、滤波后得到的压差δp
filter
，将作动器位移、振动台台面加速度、作动器油腔压差、滤波后得到的位移d
filter
、滤波后得到的速度v
filter
、滤波后得到的加速度a
filter
、滤波后得到的压差δp
filter
发送给上位机1。
81.如图3所示，本发明还提供了一种用于振动台的数字滤波方法，包括：
82.步骤100：根据滤波处理的滤波类型确定滤波参数；所述滤波类型包括低通滤波处理、纯积分处理、带高通滤波的积分处理和带低通滤波的微分处理；所述滤波参数包括放大系数k
hpf
、下降系数droop、归一化值scale。
83.步骤200：确定振动控制指令。
84.步骤300：根据所述振动控制指令和所述滤波参数采集振动台加载数据；所述振动台加载数据包括作动器位移、振动台台面加速度和作动器油腔压差。
85.步骤400：对所述振动台加载数据进行对应的滤波处理，得到滤波结果；所述滤波结果包括滤波后得到的位移d
filter
、滤波后得到的速度v
filter
、滤波后得到的加速度a
filter
、滤波后得到的压差δp
filter
。
86.步骤500：接收并显示所述振动台加载数据和所述滤波结果。
87.其中，步骤100的具体处理过程，包括以下步骤：
88.第一步，确定预设参数；所述预设参数为所述滤波类型对应的滤波处理的算法参数中直接输入的参数。
89.第二步，根据所述预设参数和预设参数计算方法确定其他参数；所述其他参数为所述滤波类型对应的滤波处理的算法参数中，除所述预设参数以外的参数。
90.第三步，在所述预设参数和所述其他参数中选取滤波参数。
91.在步骤400之前，还包括：
92.构建多功能数字滤波器；所述多功能数字滤波器用于进行各所述滤波类型对应的滤波处理；所述多功能数字滤波器包括依次连接的滤波输入端、滤波处理模块和滤波输出端；所述滤波输入端的数量为一个；所述滤波输出端的数量为三个，分别为低通输出端、高通输出端和最终输出端。
93.其中，所述滤波处理模块包括第一低通滤波器单元、高通滤波器单元和第二低通滤波器单元；其中，所述滤波输入端、所述第一低通滤波器单元和所述低通输出端依次连接；所述滤波输入端、所述高通滤波器单元和所述高通输出端依次连接；所述滤波输入端、所述高通滤波器单元、所述第二低通滤波器单元和所述最终输出端依次连接。
94.在上述方案的基础上，提供如图4所示的实施例：
95.图4中，fs为采样频率；k
hpf
为放大系数；f
low
为低通频率；f
high
为高通频率；droop为
下降系数；scale为归一化值。根据图4所示的流程，主要包括：用户应在数字滤波器可能提供的4种功能：纯积分、纯微分、带低通滤波的微分和带高通滤波积分处理中选择一种；用户对需要设置的参数进行设置；上位机程序自动计算得到剩余参数；将传给下位控制器；数字滤波器由输入计算得到输出；输出传给上位机。
96.可实现多功能数字滤波器结构如图5所示，该滤波器有1个输入，三个输出：低通输出、高通输出、最终输出；该滤波器可以看做是由3个滤波器组成：第一个低通滤波器、高通滤波器、第二个低通滤波器。接下来给出实现每种功能的具体方法：
97.p1：低通滤波器
98.首先，求取惯性环节传递函数：
[0099][0100]
其中，τ为惯性时间常数。
[0101]
使用后向差分法将s形式传递函数转为z形式传递函数：
[0102][0103]
其中，ts为采样时间。
[0104]
带入惯性环节传递函数有：
[0105][0106]
而本实施例的一阶低通数字滤波器的结构如图6所示。
[0107]
数字滤波器对应的差分方程为：
[0108]
y(n)＝k
hpf
x(n) (1-k
hpf
)y(n-1)
[0109]
其中，k
hpf
为放大系数；n为离散采样点。
[0110]
上式转换成z形式传递函数的形式为：
[0111][0112]
联立惯性环节的z传递函数与上述z传递函数有：
[0113][0114]
其中，fc为低通截止频率。
[0115]
设置不同的k
hpf
，即可对应低通滤波器低通截止频率，进而对输入信号起到低通滤波作用。
[0116]
p2：纯积分
[0117]
为了使数字滤波器实现积分功能，有k
hpf
＝0，droop＝1，因而此时的数字滤波器结构如图7所示：
[0118]
数字滤波器对应的差分方程为：
[0119]
y(n)＝y(n-1) x(n)*scale
[0120]
其中，scale为归一化值。
[0121]
差分方程对应的z形式传递函数为：
[0122][0123]
其中，x(z)为z形式传函的分母；y(z)为z形式传函的分子。
[0124]
标准积分环节的z形式传递函数为：
[0125][0126]
因而有：
[0127][0128]
其中，fs为采样时间。
[0129]
根据上式可知，本实施例提出的数字滤波器在实现积分功能时，仅根据控制器的迭代频率，计算得到scale，传给控制器即可完成积分作用。
[0130]
p3：带高通滤波的积分
[0131]
为了解决当输入信号存在一个静态的偏移而不希望输出持续积分输出的情况下，通过设置一个截止频率相对较低高通的滤波器后再进行积分是比较稳妥的选择。
[0132]
一阶低通滤波器的z形式传递函数为：
[0133][0134]
因而其对应的一阶高通滤波器的z形式传递函数为：
[0135][0136]
第二个滤波器为了实现绝对积分的功能，信号走向及滤波方式进行了微调。本发明一开始设计的第二个滤波器如图8(a)所示，对上述滤波器的结构进行微调后其结构变为图8(b)。
[0137]
对比图8(b)的数字滤波器结构与图6的一阶低通数字滤波器结构可知，图8(b)依然是一个低通滤波器，只不过在滤波器输出时乘了一个系数。
[0138]
图8(b)对应的差分方程为：
[0139]
y(n)＝(y(n-1) x(n))droop
[0140]
其中，droop为下降系数。
[0141]
对应的z形式传递函数为：
[0142][0143]
因而第一个高通滤波器和第二个低通滤波器串联后得到总的z形式传递函数为：
[0144][0145]
当k
hpf
＝0，droop＝1时，上式的z形式传递函数变为：
[0146][0147]
同时，scale的计算公式为：
[0148][0149]
p4：带低通滤波微分
[0150]
对z形式传递函数进行变换得到：
[0151][0152]
该数字滤波器可以看做由3部分组成：系数、1个纯微分环节、2个低通滤波器组成。由一阶低通滤波器的频率特性可知，当f≤0.2f
cutoff
时，幅值在低频下基本不衰减，也就是说低通滤波器的z形式传递函数可近似看做是1，即：
[0153][0154][0155]
其中，f
cutoff
为低通截止频率。
[0156]
将上述两式代入对z形式传递函数进行变换得到的公式，可以得到：
[0157][0158]
对比纯微分环节的z形式传递函数：
[0159][0160]
因而，scale的计算公式为：
[0161][0162]
为了评估本实施例提出的数字滤波器效果，现选取0.1hz-200hz幅值为1的正弦扫频作为输入，数字滤波器的迭代频率设置为2000hz，输入信号的时域如图9(a)所示，其功率谱密度如图9(b)所示，接下来对数字滤波器分别有低通滤波、带高通滤波积分、带低通滤波的微分功能时，对其滤波效果进行说明：
[0163]
r1：低通滤波
[0164]
处于这种模式时，用户设置k
hpf
＝0.2，代入上述相应公式可知，低通截止频率f
low
＝79.6hz，图10(a)给出了数字滤波器低通输出，图10(b)给出了低通输出与输入传递函数频响的幅值特性曲线，在80hz处频响幅值为0.67。
[0165]
r2：带高通滤波积分
[0166]
处于这种模式时，用户设置k
hpf
＝0.00037685和droop＝0.99962，由公式6计算得到高通截止频率f
high
＝0.12hz，由上述相应公式计算得到scale＝0.0005。图11(a)给出了数字滤波器输出与纯积分滤波器输出时域对比；图11(b)给出了滤波器输出与纯积分滤波器输出传递函数频响的幅值特性曲线；图11(c)给出了滤波器输出与纯积分滤波器输出传递函数频响的相位特性曲线。由图11(b)可知高通部分幅值基本没有衰减，而在1hz附近衰减幅度超过了-20db/10oct，导致幅值略小于纯积分时的幅值，因而带高通滤波的积分基本可消除静态偏移带来的积分误差，图11(a)亦可以证明这一点。
[0167]
r3：带低通滤波微分
[0168]
处于这种模式时，用户设置k
hpf
＝0.2和droop＝0.8，由上述相应公式计算的低通截止频率f
low
＝79.6hz，以及计算得到scale＝125。图12(a)给出了纯微分滤波器输出；图12(b)给出了带低通滤波的微分输出；图12(c)给出了滤波器输出与纯微分滤波器输出传递函数频响的幅值特性曲线，80hz处对应的幅值为0.44，可知该滤波器可以起到很好的低通滤波效果，对于高频成分有效消除，避免高频噪声微分值过大的负面作用。
[0169]
由此可知，本实施例第一方面，本发明提供了一种振动台加载装置，该装置由控制器、作动器、振动台、位移传感器、加速度传感器、压差传感器构成。位移传感器测得作动器推杆的伸缩量，也是作动器位移；加速度传感器测得振动台台面的加速度。控制器可接收传感器测得的信号，可实现数字滤波器，同时接收上位机的数字滤波器参数。控制器可以将直接采集的数据和经过处理的数据发送给上位机。第二方面，本发明提供了一种可实现多功能数字滤波器方法，该方法首先设计了一种通用的可以实现低通滤波、纯积分、带高通滤波积分、带低通滤波的微分功能的数字滤波器结构，接下来针对每种功能单独设计滤波器，并给出了滤波参数的计算方法。
[0170]
因此，上述方案的有益效果为：
[0171]
本发明提出了一种可同时实现低通滤波、纯积分、带高通滤波积分和带低通滤波微分功能的数字滤波器，经过对数字滤波器的参数进行设置，即可在4个功能里进行切换，以对滤波器模块的输入进行处理，以获取期望的滤波结果；带高通滤波的积分数字滤波器对于低频成分有非常好的高通滤波效果，基本可以消除静态偏移带来的积分误差；带低通滤波的微分数字滤波器对于高频成分有非常好的低通滤波效果，避免高频噪声微分值过大的负面作用。当本发明的提出的多功能数字滤波器用于振动台加载装置，可以方便的由位移传感器测得的位移经处理后得到速度和加速度，由加速度传感器测得的加速度经处理后得到速度和位移。
[0172]
也即，提供了一种振动台加载装置，可方便的对传感器测得的物理量进行处理以获取更丰富的物理量；一种数字滤波器结构可实现4种功能，大幅减少了数字滤波器结构数量；可在上位机里对滤波参数进行修改，便于调参；带高通滤波积分器基本可消除静态偏移带来的积分误差；带低通滤波的微分器对高频有非常好的低通滤波效果，避免高频噪声微分值过大的负面作用。
[0173]
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的用于振动台的数字滤波方法。
[0174]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程
序被处理器执行时实现如上所述的用于振动台的数字滤波方法。
[0175]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0176]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。