一种用于动态迟滞系统建模与补偿的非线性自适应滤波器技术方案

本发明专利技术公开了一种用于动态迟滞非线性系统建模与补偿的非线性自适应滤波器。该滤波器包括多个延迟模块、多个具有不同阈值的广义play算子模块、多个自适应加权模块、加法器模块、误差计算模块；本发明专利技术能够实现动态迟滞非线性系统在宽频带下的高精度建模，基于该滤波器的自适应逆控制可以有效补偿压电陶瓷、磁致伸缩等执行器的动态迟滞非线性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于动态迟滞系统建模与补偿的非线性自适应滤波器
本专利技术涉及一种非线性自适应滤波器及其对动态迟滞非线性系统的建模与补偿方法，属于动态迟滞非线性系统建模与控制领域。
技术介绍
迟滞非线性特性广泛存在于磁致伸缩合金、压电陶瓷等系统，是一类特殊的非线性，表现为率无关记忆性。它的存在降低系统的控制精度和控制带宽，甚至造成系统振荡。在实际工程中迟滞系统常常处于热-力-电-磁等多场耦合作用下，形成了更为复杂的动态迟滞非线性。传统的迟滞非线性模型如Prandtl-Ishlinskii(PI)模型、Presiach模型、Bouc-Wen模型、Duhem模型、Jile-Atherton(JA)模型等都是静态迟滞非线性模型，描述动态迟滞非线性的精度较差。已有的一些动态迟滞非线性的建模方法是在静态迟滞模型的权函数或阈值中引入输入信号速率变量，这些动态迟滞建模方法大都实现复杂，无法在线实时建模，不利于工程应用。有限脉冲响应自适应滤波器(FIR自适应滤波器)被用于系统建模和自适应逆控制，具有结构简单、实时性好、精度高等优点。但线性的FIR自适应滤波器对动态迟滞非线性建模精度较差。工程中常用的二级Volterra非线性自适应滤波器提高动态迟滞非线性系统建模精度效果不大。有专利技术采用Backlash算子替代FIR滤波器中的延迟算子构成Backlash自适应滤波器，但它本质上仍然是一种静态迟滞模型，因此对动态迟滞非线性进行建模效果仍不好。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服FIR自适应滤波器、Backlash自适应滤波器以及Volterra自适应滤波器动态迟滞非线性系统建模精度较差的不足，提供一种精度高、实时性好、易于实现的非线性自适应滤波及其对动态迟滞非线性的建模与补偿的方法。本专利技术结合GPO迟滞建模的特点和自适应逆控制的横向滤波器结构简单适应性强的优点，提出一种GPO自适应滤波器及其对迟滞的建模与补偿方法。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于动态迟滞系统建模与补偿的非线性自适应滤波器，包括：多个延时算子模块、多个阈值均匀分布的GPO模块，多个自适应加权模块、加法器模块、误差计算模块、权值自适应调整模块；其中多个延时算子模块连接形成串联结构，滤波器的输入信号与第一个延时模块相连；相邻两个延时模块之间的信号被引出并输入到一个GPO模块；每个GPO模块的输出端与自适应加权模块的输入端相连；每个自适应加权模块的输出端连接加法器模块的输入端；加法器模块的输出为非线性自适应滤波器的输出；加法器的输出端与误差计算模块的一个输入端相连，期望输出信号与误差计算模块的另一个输入端相连，误差计算模块的输出与自适应加权模块连接。其中，加法器模块的功能为将各个GPO模块的输出加权叠加得到整个滤波器的输出:其中x(k)表示第k时刻滤波器的输入信号，x(k-i)表示串联延时算子结构中第i个延时算子模块的输出，Hi[x(k-i)]表示第i个GPO的输出，wi表示第i个加权模块的值，n+1为所选择的GPO的个数；其中，误差计算模块的功能为：计算期望输出d(k)与滤波器实际输出y(k)之差e(k)＝d(k)-y(k)，其结果供调整自适应加权模块的自适应权值使用。其中，自适应加权模块有多个，各个加权模块的自适应权值根据期望输出与实际滤波器的输出的误差，即误差计算模块的输出进行实时调整。调整原则为最小均方(LMS)自适应算法，其具体过程为：计算滤波器的输出y(k)与期望输出d(k)的误差最小均方差ξ＝E[e2(k)]。LMS能利用性能曲面的梯度来寻找它的最小值，权向量的变化正比于梯度向量的负值：为梯度向量，标量参数μ是收敛因子，它控制稳定性和收敛速度，μ越大收敛速度越快。取ε2(k)作为均方误差E[ε2(k)]的估计值，可得此时权向量的递推表达式：W(k+1)＝W(k)+2·μ·e(k)·H(k)其中，W(k+1)，W(k)分别是(k+1)时刻与(k)时刻的权值向量。μ是收敛因子，H(k)是GPO结构输出向量，H(k)＝[H0(x(k)),H1(x(k-1)),…,Hn(x(k-n))]。本滤波器采用多个阈值均匀分布的GPO模块的输出Hi[x(k)]为：其中ri为第i个GPO的阈值，n+1个算子的阈值均匀分布i＝0,1,2,…n，γl(x(k))＝a1tanh(a2x(k)+a3)+a4为GPO的左包络函数，γr(x(k))＝b1tanh(b2x(k)+b3)+b4为GPO的右包络函数，||x||∞为滤波器输入信号的最大值。利用本专利技术的非线性自适应滤波器对动态迟滞建模的方法为：步骤1，搭建动态迟滞系统自适应建模系统：将建模激励信号同时连接到实际动态迟滞非线性系统的输入端和非线性自适应滤波器的输入端；实际动态迟滞非线性系统的输出端和非线性自适应滤波器的输出端分别输入减法器；步骤2，随机确定自适应加权模块的初始值W(0)＝[w0(0),w1(0),w2(0),…wn(0)]；根据系统先验知识确定GPO包络函数的参数a1,a2,a3,a4,b1,b2,b3,b4、非线性滤波器的阶数n+1和收敛因子μ；步骤3、将建模激励信号x(k)输入建模系统，非线性自适应滤波器的输出为GPO模块的输出为Hi[x(k-i)]；减法器的输出e(k)＝d(k)-y(k)，调整加权模块的权值为wi(k+1)＝wi(k)+2·μ·e(k)·Hi[x(k-i)]；步骤4、依次输入建模激励信号并重复步骤3，直到减法器输出的建模误差不再继续下降。利用本专利技术的非线性自适应滤波器对迟滞的补偿方法为：步骤1，搭建迟滞系统的自适应逆控制系统；指令输入信号与非线性自适应滤波器的滤波信号输入端相连，非线性自适应滤波器的输出端与实际迟滞非线性系统相连，将指令信号与实际迟滞非线性系统的输出信号分别输入减法器；减法器的输出经自适应算法后连接到非线性自适应滤波器的期望输出信号输入端；步骤2，在步骤1搭建的自适应逆控制系统的基础上，随机给定加权模块的值W(0)＝[w0(0),w1(0),w2(0),…wn(0)]，根据系统先验知识确定GPO的左右包络函数γl(x(k))＝a1(atanh(a2x(k)+a3))+a4，γr(x(k))＝b1(atanh(b2x(k)+b3))+b4，阈值r，非线性滤波器的阶数n+1和收敛因子μ；步骤3、将指令输入信号x(k)输入控制系统，非线性自适应滤波器的输出为GPO模块的输出为Hi[x(k-i)]；减法器的输出e(k)＝x(k)-x'(k)，其中x(k)和x'(k)分别是k时刻的指令输入信号和非线性系统输出信号，调整加权模块的权值为wi(k+1)＝wi(k)+2·μ·e(k)·Hi[x(k-i)]；步骤4、依次输入指令输入信号并重复步骤3，直到减法器输出的控制误差不再继续下降。本专利技术与现有技术相比的优点：本专利技术的非线性自适应滤波器在横向线性滤波器的结构上进行改进，加入了GPO。与横向滤波器和Backlash自适应滤波器相比能更好地描述非对称迟滞非线性系统，并且具有更高的建模精度和更宽的带宽。基于GPO的自适应滤波器的自适应逆控制可以有效的补偿超磁致伸缩执行器的迟滞非线性。附图说明图1为本专利技术的一种用于动态迟滞系统建模与补偿的非线性自适应滤波器的结构框图；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于动态迟滞非线性系统建模与补偿的非线性自适应滤波器，其特征在于包括：多个延时算子模块、多个阈值均匀分布的广义Play算子(GPO)模块，多个自适应加权模块、加法器模块、误差计算模块、权值自适应调整模块；其中多个延时算子模块连接形成串联结构，滤波器的输入信号与第一个延时模块相连；相邻两个延时模块之间的信号被引出并输入到一个GPO模块；每个GPO模块的输出端与自适应加权模块的输入端相连；每个自适应加权模块的输出端连接加法器模块的输入端；加法器模块的输出为非线性自适应滤波器的输出；加法器的输出端与误差计算模块的一个输入端相连，期望输出信号与误差计算模块的另一个输入端相连，误差计算模块的输出与自适应加权模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于动态迟滞非线性系统建模与补偿的非线性自适应滤波器，其特征在于包括：多个延时算子模块、多个广义Play算子模块，多个自适应加权模块、加法器模块、误差计算模块、权值自适应调整模块；其中，广义Play算子模块简称GPO模块，广义Play算子模块阈值均匀分布，其中多个延时算子模块连接形成串联结构，滤波器的输入信号与第一个延时模块相连；相邻两个延时模块之间的信号被引出并输入到一个GPO模块；每个GPO模块的输出端与自适应加权模块的输入端相连；每个自适应加权模块的输出端连接加法器模块的输入端；加法器模块的输出为非线性自适应滤波器的输出；加法器的输出端与误差计算模块的一个输入端相连，期望输出信号与误差计算模块的另一个输入端相连，误差计算模块的输出与自适应加权模块连接。2.根据权利要求1所述的非线性自适应滤波器，其特征在于：所述的加法器模块将各个GPO模块的输出加权叠加得到整个滤波器的输出：其中x(k)表示第k时刻滤波器的输入信号，x(k-i)表示串联延时算子结构中第i个延时算子模块的输出，Hi[x(k-i)]表示第i个GPO的输出，wi表示第i个加权模块的值，n+1为所选择的GPO的个数。3.根据权利要求1所述的非线性自适应滤波器，其特征在于：所述的误差计算模块的输出e(k)为期望输出d(k)与滤波器输出y(k)之差e(k)＝d(k)-y(k)。4.根据权利要求1所述的非线性自适应滤波器，其特征在于：多个阈值均匀分布的GPO模块的输出Hi[x(k)]为：其中ri为第i个GPO的阈值，n+1个算子的阈值均匀分布i＝0,1,2,…n，γl(x(k))＝a1tanh(a2x(k)+a3)+a4为GPO的左包络函数，γr(x(k))＝b1tanh(b2x(k)+b3)+b4为GPO的右包络函数，||x||∞为滤波器输入信号的最大值。5.根据权利要求1所述的非线性自适应滤波器，其特征在于：利用非线性自适应滤波器进行动态迟滞建模的方法为：步骤1，搭建动态迟滞系统自适应建模系统：将建模激励信号同时连接到实际动态迟滞非线性系统的输入端和非...

【专利技术属性】
技术研发人员：张臻，马耀鹏，毛剑琴，郭咏新，庞文涛，卢经纬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11