CN105182737A - 扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法，所述电路包括自适应前馈控制器串联组与自适应前馈控制器并联组，所述自适应前馈控制器串联组包括m个以串联形式实现的自适应前馈控制器，所述自适应前馈控制器并联组包括n-m个以并联形式实现的自适应前馈控制器，所述自适应前馈控制器串联组的输出信号为所述自适应前馈控制器并联组的输入信号,本发明通过采用串并联混合的AFC结构，可以更灵活的处理不同环境下的谐波扰动，能有效减少不同频率谐波之间的相互干扰，极大减少自适应估计的过渡过程时间。

Description

扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及自适应前馈控制技术，特别是涉及一种扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法。

背景技术

自适应前馈控制(AFC，AdaptiveFeedforwardCancellation)已经广泛应用于工业设计中，主要用于消除机电产品中重复性的扰动。通常来说，这种重复性的扰动频率是已知的，但扰动的幅度跟相位是未知的。当系统中有两个或以上频率的重复性的扰动，最常用的方法是将n个自适应前馈控制(AFC)器串联起来消除n个不同频率的重复性的扰动，如图1所示。对扰动频率为ω_i的信号y_i－1(t)和y_i(t)，以y_i－1(t)做输入、y_i(t)做输出，输出y_i(t)经同相增益单元和正交增益单元后分别经同相乘法器MA_i和正交乘法器MB_i与同相载波sin(ω_it)和正交载波cos(ω_it)相乘，然后经加法器SUM_i对同相补偿子支路A_i(由同相增益单元串联同相乘法器MA_i组成)和正交补偿子支路B_i(由正交增益单元串联正交乘法器MB_i组成)的结果求和得到误差信号d_i(t)，即，同相补偿子支路A_i、正交补偿子支路B_i与加法器SUM_i组成自适应前馈控制器AFC_i，该误差信号d_i(t)再经减法器SUB_i和输入信号y_i－1(t)相减得到补偿后的信号y_i(t)。

具体地说，在t时刻，使用如下公式(2)来估算出系数，将估算出来的两个系数作为增益单元分别串联于同相补偿子支路A_i和正交补偿子单元B_i，然后分别和对应扰动频率的载波sin(ω_it)和cos(ω_it)相乘，然后将两路补偿子单元的输出相加得到误差信号d_i(t)，误差信号d_i(t)与输入信号y_i－1(t)做减法运算得到经过补偿的信号y_i(t)；依次串联n个这样的自适应前馈控制器AFC_i和减法器SUB_i，最终得到经过补偿的信号y_n(t)。

y₀(t)里包含n个频率已知幅度跟相位未知的正弦波信号，即

$y_0\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_i\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\φ}}_i)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[a_i\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)+b_i\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)\]---\left(1\right)$

其中ω_i已知，a_i和b_i未知。通过简单的自适应算法可以估算出未知参数：

${\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{a}}}_i\left(t\right)={\mathrm{\γ}}_i{y}_i\left(t\right)sin\left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)$

${\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{b}}}_i\left(t\right)={\mathrm{\γ}}_i{y}_i\left(t\right)cos\left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right),i=1,2,\mathrm{...},n---\left(2\right)$

其中，γ_i为已知系数。

然而上述方法却存在如下缺点：

(1)在信号y_i(t)中，第i+1到n的谐波没有被消减，所以应用公式(2)来估算a_i和b_i时计算出来的数值会有很大的波动，而不是近似常数；

(2)估算过程不收敛或收敛很慢。

以上缺点很容易在图2中看出来。在图2中用了3级串联AFC来消除90Hz，180Hz和270Hz三个频率的扰动信号。很明显，因为180HZ和270HZ扰动信号的干扰，a₁和b₁的估计值中有很大的波动；同样，由于270HZ扰动信号的干扰，a₂和b₂的估计值中也有很大的波动。同时可以看出在图2中，a₁和b₁以及a2和b2的估计值是不收敛的。

缺点(1)目前通常用另一种并联结构的AFC来解决，如图3所示，也就是把n个自适应前馈控制(AFC)器并联起来，将n个自适应前馈控制器AFC_i的误差信号d_i(t)在一加法器SUM中进行求和得到总误差信号d(t)，然后将总误差信号d(t)与输入信号y₀(t)在一减法器SUB进行求差运算得到输出信号y₁(t)。

从图4中可以看出在运用并联结构之后，图2中存在的a1和b1以及a2和b2的估计值不收敛问题得到了有效地解决，但是收敛速度很慢。在本例中参数收敛到一个近似常量大概要0.05秒以上。

由此，可以看出两种不同结构的AFC具有不同的特点：串联结构的AFC在处理某一频率的重复性扰动时会对周边频率范围产生严重影响，从而导致在其他频率点的参数估计不收敛；而并联结构AFC对周围频率影响相对较小，但参数估计收敛速度较慢。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法，其通过采用串并联混合的AFC实现方法，可以更灵活的处理不同环境下的谐波扰动，能有效减少不同频率谐波之间的相互干扰，极大减少自适应估计的过渡过程时间。

为达上述及其它目的，本发明提出一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，所述电路包括自适应前馈控制器串联组与自适应前馈控制器并联组，所述自适应前馈控制器串联组包括m个以串联形式实现的自适应前馈控制器，所述自适应前馈控制器并联组包括n-m个以并联形式实现的自适应前馈控制器，所述自适应前馈控制器串联组的输出信号为所述自适应前馈控制器并联组的输入信号。

进一步地，所述自适应前馈控制器串联组的m个自适应前馈控制器与m个减法器依次串联得到所述自适应前馈控制器串联组的输出信号。

进一步地，所述自适应前馈控制器并联组的各自适应前馈控制器输出的误差信号利用一加法器进行求和运算得到总误差信号，将总误差信号与所述自适应前馈控制器串联组的输出信号利用一减法器进行求差运算得到所述自适应前馈控制器并联组的输出信号。

进一步地，所述自适应前馈控制器串联组的m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件：

(1)各自适应前馈控制器具有较宽的噪声抑制带宽以抑制附近其他扰动；

(2)该扰动相对其它频率的扰动幅度大。

进一步地，所述自适应前馈控制器并联组的n-m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件:

(1)各该自适应前馈控制器不需宽的噪声抑制带宽；

(2)该n-m个自适应前馈控制器扰动的幅度差异不明显，若用串联结构的话各自适应前馈控制器之间会有较大的相互干涉。

为达到上述目的，本发明还提供一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法，包括如下步骤：

步骤一，将m个自适应前馈控制器和m个减法器依次串联得到输出信号；

步骤二，将n-m个自适应前馈控制器输出的误差信号利用一加法器进行求和运算得到总误差信号；

步骤三，将该总误差信号与步骤一的输出信号利用一减法器进行求差运算，得到最终的输出信号。

进一步地，步骤一中，该m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件：

(1)各自适应前馈控制器具有较宽的噪声抑制带宽以抑制附近其他扰动；

(2)该扰动相对其它频率的扰动幅度大。

进一步地，步骤二中，该n-m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件：

(1)各该自适应前馈控制器不需宽的噪声抑制带宽；

(2)该n-m个自适应前馈控制器扰动的幅度差异不明显，如果用串联结构的话各自适应前馈控制器AFC之间会有较大的相互干涉。

与现有技术相比，本发明本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法通过采用串并联混合的AFC结构，可以更灵活的处理不同环境下的谐波扰动，有效地减少了不同频率谐波之间的相互干扰，并极大减少了自适应估计的过渡过程时间。

附图说明

图1为现有技术串联AFC结构的结构示意图；

图2为应用串联AFC结构的参数估计示意图；

图3为现有技术并联AFC结构的结构示意图；

图4为应用并联AFC结构的参数估计示意图；

图5为本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的电路结构图；

图6为本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法的步骤流程图；

图7为本发明与现有技术的AFC频率响应比较示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图5为本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的电路结构图。如图5所示，本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，至少包括：自适应前馈控制器串联组50以及自适应前馈控制器并联组51。

其中，自适应前馈控制器串联组50包括m个以串联形式实现的自适应前馈控制器AFC_i，i＝1,…m。即，自适应前馈控制器串联组50的各自适应前馈控制器AFC_i的输出分别在减法器SUB_i与输入信号y_i－1(t)进行求差运算，该差即是输出信号y_i(t)，m个自适应前馈控制器AFC_i和m个减法器SUB_i依次串联得到输出信号y_m(t)。该m个自适应前馈控制器AFC_i，i＝1,…m要处理的扰动应满足以下条件：

(1)该扰动频率附近有其他扰动，因此需要自适应前馈AFC控制器具有相对较宽的噪声抑制带宽来抑制其他扰动，自适应前馈AFC控制器的噪声抑制带宽由其他扰动的频率来决定。

(2)该扰动相对其它频率的扰动幅度要大，这样其他频率的扰动对该自适应前馈控制器AFC的运行影响较小。

自适应前馈控制器并联组51包括n-m个以并联形式实现的自适应前馈控制器AFC_i，i＝m+1,…n,自适应前馈控制器并联组51的各自适应前馈控制器AFC_i，i＝m+1,…n的输出利用一加法器SUM进行求和运算得到总误差信号d(t)，然后将总误差信号d(t)与输入信号y_m(t)(自适应前馈控制器串联组50的输出信号)利用一减法器SUB进行求差运算得到输出信号y(t)。该n-m个自适应前馈控制器AFC要处理的扰动应满足以下条件：

(1)该扰动频率附近没有其他较明显的扰动需要压制，因此该自适应前馈控制器AFC噪声抑制带宽不要很宽；

(2)这n-m个自适应前馈控制器AFC扰动的幅度差异不明显，如果用串联结构的话各自适应前馈控制器AFC之间会有较大的相互干涉。

图6为本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法的步骤流程图。如图6所示，本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法，包括如下步骤：

步骤601，将m个自适应前馈控制器AFC_i，i＝1,…m的输出分别在减法器SUB_i与输入信号y_i－1(t)进行求差运算，m个自适应前馈控制器AFC_i和m个减法器SUB_i依次串联得到输出信号y_m(t)；

步骤602，将n-m个自适应前馈控制器AFC_i，i＝m+1,…n输出的误差信号d_i(t)利用一加法器SUM进行求和运算得到总误差信号d(t)；

步骤603，将总误差信号d(t)与步骤601的输出信号y_m(t)利用一减法器SUB进行求差运算，得到输出信号y(t)。

在步骤601中，该m个自适应前馈控制器AFC_i，i＝1,…m要处理的扰动应满足以下条件：

(1)该扰动频率附近有其他扰动，因此需要自适应前馈AFC控制器具有相对较宽的噪声抑制带宽来抑制其他扰动，自适应前馈AFC控制器的噪声抑制带宽由其他扰动的频率来决定；

(2)该扰动相对其它频率的扰动幅度要大，这样其他频率的扰动对该自适应前馈控制器AFC的运行影响较小。

在步骤602中，该n-m个自适应前馈控制器AFC要处理的扰动应满足以下条件：

(1)该扰动频率附近没有其他较明显的扰动需要压制因此该自适应前馈控制器AFC噪声抑制带宽不要很宽；

(2)这n-m个自适应前馈控制器AFC扰动的幅度差异不明显，如果用串联结构的话各自适应前馈控制器AFC之间会有较大的相互干涉。

仍以上述三个AFC来处理三个频率的扰动信号为例，本发明串并联结构AFC与背景技术中串联结构AFC、并联结构AFC三种结构的AFC的频率响应如图7所示。在本发明提出的串并联结构中第一个频率点的AFC用的串联结构而其他两个用并联结构，因为90HZ的扰动幅度明显大于180Hz和270Hz的扰动，而且本发明希望90HZ的AFC能够对信号中的DC信号有所抑制。由图7可见，串联AFC对周遭频率范围有明显的抑制作用而并联结构对周遭频率的抑制作用相对较轻。本发明提出的串并联结构则兼具了串联结构和并联结构二者的特性，90HZ的AFC特性与串联结构相似，而在其他两个频率点上的AFC特性则与并联结构相似。

综上所述，本发明一种扰动谐波自适应估计与补偿电路及其实现方法通过采用串并联混合的AFC结构，可以更灵活的处理不同环境下的谐波扰动，有效地减少了不同频率谐波之间的相互干扰，并极大减少了自适应估计的过渡过程时间。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，其特征在于：所述电路包括自适应前馈控制器串联组与自适应前馈控制器并联组，所述自适应前馈控制器串联组包括m个以串联形式实现的自适应前馈控制器，所述自适应前馈控制器并联组包括n-m个以并联形式实现的自适应前馈控制器，所述自适应前馈控制器串联组的输出信号为所述自适应前馈控制器并联组的输入信号。

2.如权利要求1所述的一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，其特征在于：所述自适应前馈控制器串联组的m个自适应前馈控制器与m个减法器依次串联得到所述自适应前馈控制器串联组的输出信号。

3.如权利要求2所述的一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，其特征在于：所述自适应前馈控制器并联组的各自适应前馈控制器输出的误差信号利用一加法器进行求和运算得到总误差信号，将总误差信号与所述自适应前馈控制器串联组的输出信号利用一减法器进行求差运算得到所述自适应前馈控制器并联组的输出信号。

4.如权利要求1所述的一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，其特征在于，所述自适应前馈控制器串联组的m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件：

(1)各自适应前馈控制器具有较宽的噪声抑制带宽以抑制附近其他扰动；

(2)该扰动相对其它频率的扰动幅度大。

5.如权利要求1所述的一种扰动谐波自适应估计与补偿电路，其特征在于，所述自适应前馈控制器并联组的n-m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件:

(1)各自适应前馈控制器不需宽的噪声抑制带宽；

(2)该n-m个自适应前馈控制器扰动的幅度差异不明显，若用串联结构的话各自适应前馈控制器之间有较大的相互干涉。

6.一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法，包括如下步骤：

步骤一，将m个自适应前馈控制器和m个减法器依次串联得到输出信号；

步骤二，将n-m个自适应前馈控制器输出的误差信号利用一加法器进行求和运算得到总误差信号；

步骤三，将该总误差信号与步骤一的输出信号利用一减法器进行求差运算，得到最终的输出信号。

7.如权利要求6所述的一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法，其特征在于，步骤一中，该m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件：

(1)各自适应前馈控制器具有较宽的噪声抑制带宽以抑制附近其他扰动；

(2)该扰动相对其它频率的扰动幅度大。

8.如权利要求6所述的一种扰动谐波自适应估计与补偿电路的实现方法，其特征在于，步骤二中，该n-m个自适应前馈控制器要处理的扰动应满足以下条件：

(1)各该自适应前馈控制器不需宽的噪声抑制带宽；

(2)该n-m个自适应前馈控制器扰动的幅度差异不明显，如果用串联结构的话各自适应前馈控制器之间有较大的相互干涉。