一種用于動態(tài)遲滯系統(tǒng)建模與補償?shù)姆蔷€性自適應(yīng)濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非線性自適應(yīng)濾波器及其對動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)的建模與補償 方法，屬于動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)建模與控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 遲滯非線性特性廣泛存在于磁致伸縮合金、壓電陶瓷等系統(tǒng)，是一類特殊的非線 性，表現(xiàn)為率無關(guān)記憶性。它的存在降低系統(tǒng)的控制精度和控制帶寬，甚至造成系統(tǒng)振蕩。 在實際工程中遲滯系統(tǒng)常常處于熱-力-電-磁等多場耦合作用下，形成了更為復(fù)雜的動 態(tài)遲滯非線性。
[0003] 傳統(tǒng)的遲滯非線性模型如Prandtl-Ishlinskii (PI)模型、Presiach模型、 Bouc-Wen模型、Duhem模型、Jile-Atherton(JA)模型等都是靜態(tài)遲滯非線性模型，描述動 態(tài)遲滯非線性的精度較差。已有的一些動態(tài)遲滯非線性的建模方法是在靜態(tài)遲滯模型的權(quán) 函數(shù)或閾值中引入輸入信號速率變量，這些動態(tài)遲滯建模方法大都實現(xiàn)復(fù)雜，無法在線實 時建模，不利于工程應(yīng)用。
[0004] 有限脈沖響應(yīng)自適應(yīng)濾波器（FIR自適應(yīng)濾波器）被用于系統(tǒng)建模和自適應(yīng)逆控 制，具有結(jié)構(gòu)簡單、實時性好、精度高等優(yōu)點。但線性的FIR自適應(yīng)濾波器對動態(tài)遲滯非線 性建模精度較差。工程中常用的二級Volterra非線性自適應(yīng)濾波器提高動態(tài)遲滯非線性 系統(tǒng)建模精度效果不大。有發(fā)明采用Backlash算子替代FIR濾波器中的延遲算子構(gòu)成 Backlash自適應(yīng)濾波器，但它本質(zhì)上仍然是一種靜態(tài)遲滯模型，因此對動態(tài)遲滯非線性進 行建模效果仍不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服FIR自適應(yīng)濾波器、Backlash自適應(yīng)濾波器以 及Volterra自適應(yīng)濾波器動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)建模精度較差的不足，提供一種精度高、實 時性好、易于實現(xiàn)的非線性自適應(yīng)濾波及其對動態(tài)遲滯非線性的建模與補償?shù)姆椒?。本發(fā) 明結(jié)合GPO遲滯建模的特點和自適應(yīng)逆控制的橫向濾波器結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)性強的優(yōu)點，提出 一種GPO自適應(yīng)濾波器及其對遲滯的建模與補償方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種用于動態(tài)遲滯系統(tǒng)建模與補償 的非線性自適應(yīng)濾波器，包括：多個延時算子模塊、多個閾值均勻分布的GPO模塊，多個自 適應(yīng)加權(quán)模塊、加法器模塊、誤差計算模塊、權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整模塊；其中多個延時算子模塊 連接形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，濾波器的輸入信號與第一個延時模塊相連；相鄰兩個延時模塊之間的 信號被引出并輸入到一個GPO模塊；每個GPO模塊的輸出端與自適應(yīng)加權(quán)模塊的輸入端相 連；每個自適應(yīng)加權(quán)模塊的輸出端連接加法器模塊的輸入端；加法器模塊的輸出為非線性 自適應(yīng)濾波器的輸出；加法器的輸出端與誤差計算模塊的一個輸入端相連，期望輸出信號 與誤差計算模塊的另一個輸入端相連，誤差計算模塊的輸出與自適應(yīng)加權(quán)模塊連接。
[0007] 其中，加法器模塊的功能為將各個GPO模塊的輸出加權(quán)疊加得到整個濾波器的輸 出：
【主權(quán)項】
1. 一種用于動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)建模與補償?shù)姆蔷€性自適應(yīng)濾波器，其特征在于包 括；多個延時算子模塊、多個闊值均勻分布的廣義Play算子佑P0)模塊，多個自適應(yīng)加權(quán)模 塊、加法器模塊、誤差計算模塊、權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整模塊；其中多個延時算子模塊連接形成串 聯(lián)結(jié)構(gòu)，濾波器的輸入信號與第一個延時模塊相連；相鄰兩個延時模塊之間的信號被引出 并輸入到一個GPO模塊；每個GPO模塊的輸出端與自適應(yīng)加權(quán)模塊的輸入端相連；每個自 適應(yīng)加權(quán)模塊的輸出端連接加法器模塊的輸入端；加法器模塊的輸出為非線性自適應(yīng)濾波 器的輸出；加法器的輸出端與誤差計算模塊的一個輸入端相連，期望輸出信號與誤差計算 模塊的另一個輸入端相連，誤差計算模塊的輸出與自適應(yīng)加權(quán)模塊連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性自適應(yīng)濾波器，其特征在于；所述的加法器模塊將 各個GPO模塊的輸出加權(quán)疊加得到整個濾波器的輸出：
其中 x(k)表示第k時刻濾波器的輸入信號，x(k-i)表示串聯(lián)延時算子結(jié)構(gòu)中第i個延時算子模 塊的輸出，Hi[x(k-U]表示第i個GPO的輸出，Wi表示第i個加權(quán)模塊的值，n+1為所選擇 的GPO的個數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性自適應(yīng)濾波器，其特征在于：所述的誤差計算模塊的 輸出e(k)為期望輸出d(k)與濾波器輸出y(k)之差e(k) =d(k)-y化)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性自適應(yīng)濾波器，其特征在于；多個闊值均勻分布的GPO 模塊的輸出Hi[x化)]為：
其中r;為第i個GPO的闊值，n+1個算子的闊值均勻分布=^max化.(||4j，<v,(|WL)h i= 0, 1, 2,…n, 丫1(X化)）=aitanh(agX化)+33) +34為GPO的左包絡(luò)函數(shù)，丫r(X化)）=bitanh(b2X似+b3)+b4為GP0的右包絡(luò)函數(shù)，I|x|Im為濾波器輸入信號的最大值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性自適應(yīng)濾波器，其特征在于：利用非線性自適應(yīng)濾波 器進行動態(tài)遲滯建模的方法為： 步驟1，搭建動態(tài)遲滯系統(tǒng)自適應(yīng)建模系統(tǒng)：將建模激勵信號同時連接到實際動態(tài)遲 滯非線性系統(tǒng)的輸入端和非線性自適應(yīng)濾波器的輸入端；實際動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)的輸出 端和非線性自適應(yīng)濾波器的輸出端分別輸入減法器； 步驟2，隨機確定自適應(yīng)加權(quán)模塊的初始值w(0) = [w。(0),Wl(0),W2(0)，…w。(0)];根 據(jù)系統(tǒng)先驗知識確定GP0包絡(luò)函數(shù)的參數(shù)a。32, 33, 34,bi，b2,bs，b4、非線性濾波器的階數(shù) n+1和收斂因子y; 步驟3、將建模激勵信號x(k)輸入建模系統(tǒng)，非線性自適應(yīng)濾波器的輸出為
，GP0模塊的輸出為Hi[x化-i)];減法器的輸出e(k)= (1似-7化)，調(diào)整加權(quán)模塊的權(quán)值為*1化+1)='\￥1似+2*^*6似*11也化-；〇]; 步驟4、依次輸入建模激勵信號并重復(fù)步驟3,直到減法器輸出的建模誤差不再繼續(xù)下 降。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性自適應(yīng)濾波器，其特征在于：利用非線性自適應(yīng)濾波 器對遲滯的補償方法為： 步驟1，搭建遲滯系統(tǒng)的自適應(yīng)逆控制系統(tǒng)；指令輸入信號與非線性自適應(yīng)濾波器的 輸入端相連，非線性自適應(yīng)濾波器的輸出端與實際遲滯非線性系統(tǒng)相連，將指令信號與實 際遲滯非線性系統(tǒng)的輸出信號分別輸入減法器；減法器的輸出經(jīng)自適應(yīng)算法后連接到非線 性自適應(yīng)濾波器的期望輸出信號輸入端； 步驟2,在步驟1搭建的自適應(yīng)逆控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，隨機給定加權(quán)模塊的值W(0)= [w〇(0)，Wi(0)，W2(0),…Wn(0)]，根據(jù)系統(tǒng)先驗知識確定GPO的左右包絡(luò)函數(shù)丫i(x(k))= ai(atanh(agX似 +33)) +a" 丫r(X化)）=bi(atanh化2義似 +bs)) +b"闊值r，非線性濾波器的 階數(shù)n+1和收斂因子y; 步驟3、將指令輸入信號x(k)輸入控制系統(tǒng)，非線性自適應(yīng)濾波器的輸出為
GPO模塊的輸出為Hi[x化-i)];減法器的輸出e(k)= X化)-x'化)，其中x(k)和X'（k)分別是k時刻的指令輸入信號和非線性系統(tǒng)輸出信號，調(diào) 整加權(quán)模塊的權(quán)值為Wi化+1) =Wi(k)+2 ?y?e(k) ?Hi[x化-i)]; 步驟4、依次輸入指令輸入信號并重復(fù)步驟3,直到減法器輸出的控制誤差不再繼續(xù)下 降。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)建模與補償?shù)姆蔷€性自適應(yīng)濾波器。該濾波器包括多個延遲模塊、多個具有不同閾值的廣義play算子模塊、多個自適應(yīng)加權(quán)模塊、加法器模塊、誤差計算模塊；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)遲滯非線性系統(tǒng)在寬頻帶下的高精度建模，基于該濾波器的自適應(yīng)逆控制可以有效補償壓電陶瓷、磁致伸縮等執(zhí)行器的動態(tài)遲滯非線性。
【IPC分類】H03H21-00
【公開號】CN104796111
【申請?zhí)枴緾N201510244505
【發(fā)明人】張臻, 馬耀鵬, 毛劍琴, 郭詠新, 龐文濤, 盧經(jīng)緯
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年5月14日