CN110012401A - 适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法 - Google Patents

适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法 Download PDF

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罗安
魏新伟
王康梁
郝任一凡
王�锋
吴公平
宁倩
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/128—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using magnetostrictive driving means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R15/00—Magnetostrictive transducers

Abstract

本发明公开了一种适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法，磁致伸缩型水声换能器本质上为复杂的机电耦合体，可视为阻感性负载，其声阻在深水中受水深、流速、密度以及粘度影响较大，使其等效电感和电阻在大范围内快速变化而不易测量。本发明将磁致伸缩型水声换能器的端电压VO和工作电流iO满足的微分方程离散化后，通过矩阵求逆运算得到等效电感和电阻的初步辨识结果LOm(n)和ROm(n)；进一步地，通过加入一阶低通滤波器降低测量噪声对参数辨识结果的影响，得到最终辨识结果LO(n)和RO(n)。本发明优点在于：方法简单，可在线识别磁致伸缩型水声换能器实时等效电感和电阻，提高电声换能系统电流闭环控制的精确性、稳定性、鲁棒性。

Description

适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法
技术领域
本发明涉及海洋通信、导航以及海底成像领域的电声换能系统，特别是一种适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法。
背景技术
海底电声换能系统由数字功率放大器和水声换能器两部分构成，水声换能器可视为数字功率放大器的负载。但长期运行经验表明当前水声换能系统仍需改进，许多应用场合需要具有恒定参数的声源，且要求在宽频带范围内声源振幅变化较小。为了达到此目的，一种可行、有效的方案是对水声换能器的工作电流或电压进行闭环控制。
目前水声换能领域常用的水声换能器主要包括压电陶瓷和磁致伸缩两种类型，磁致伸缩型水声换能器本质上为复杂的机电耦合体，可视为阻感性负载，其等效电感和电阻随工作条件变化而变化，不易测量。已有阻抗测量装备所测仅为小信号正弦波激励下的静态等效阻抗，由此计算出的等效电感和电阻并不等于工作电流条件下换能器的等效电感和电阻。此外，换能器声阻在深水中受水深、流速、密度以及粘度影响较大，使其等效电感和电阻在大范围内快速变化，使得其实际等效电感和电阻更难获得。而采用磁致伸缩型水声换能器的电声换能系统对该类型换能器电流进行闭环控制时，必须较为精确地获得换能器的实际运行等效电感和电阻。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于磁致伸缩型换能器的等效阻抗在线识别方法，在线识别磁致伸缩型水声换能器实时等效阻抗，提高电声换能系统电流闭环控制的精确性、稳定性、鲁棒性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于磁致伸缩型换能器的等效电感和电阻在线辨识方法，包括以下步骤：
1)采集磁致伸缩型水声换能器连续三个采样周期端电压VO在第n 个采样周期和输入电流iO在第n个采样周期的测量值 其中表示当前采样周期测量值，表示相邻前两个采样周期测量值；
2)假设磁致伸缩型水声换能器连续两个采样周期内等效电感和电阻保持不变，将换能器端电压VO和输入电流iO满足的微分方程采用隐式梯形积分法按照采样周期TD离散化，然后将测量值代入离散后的微分方程；
3)将测量值代入的离散微分方程改写为矩阵形式，并进行求逆运算，得到初步辨识结果LOm(n)和ROm(n)；
4)通过一阶低通滤波器对初步识别结果进行滤波，得到最终辨识结果LO(n)和RO(n)。
磁致伸缩型水声换能器端电压VO和输入电流iO满足的微分方程为其中LO和RO分别表示水声换能器等效电感和等效电阻；
初步辨识结果LOm(n)和ROm(n)通过计算矩阵求逆公式得到。
最终辨识结果LO(n)和RO(n)的计算公式为LO(n)＝aLOm(n)+(1-a)LO(n-1)和 RO(n)＝aROm(n)+(1-a)RO(n-1)，其中f表示所采用低通滤波器的截止频率。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明将磁致伸缩型水声换能器的端电压VO和工作电流iO满足的微分方程离散化后，通过矩阵求逆运算得到等效电感和电阻的初步辨识结果LOm(n)和ROm(n)；进一步地，通过加入一阶低通滤波器降低测量噪声对参数辨识结果的影响，得到最终辨识结果LO(n)和RO(n)。本发明公开的等效电感和电阻在线辨识算法优点在于：算法简单，可在线辨识磁致伸缩型水声换能器实时等效电感和电阻，提高电声换能系统电流闭环控制的精确性、稳定性、鲁棒性。
附图说明
图1为电声换能系统结构图；
图2为某弯张型磁致伸缩水声换能器机械结构图；
图3为某弯张型磁致伸缩水声换能器的静态阻抗曲线。
具体实施方式
电声换能系统结构如图1所示，包括数字功率放大器和水声换能器等三部分。在该系统中，水声换能器可视为数字功率放大器的负载。
本发明仅涉及在各类低频、大功率水下声源、探索声呐和水声通信领域被广泛应用的磁致伸缩型水声换能器。
水声换能器是指在水下可实现电能和声能相互转换的器件，包括发送声信号的发射器和接收声信号的水听器两类，本文特指第一种将电信号变为声能实现水下远距离通信和测距的发射器。目前水声领域常用的水声换能器包括压电陶瓷和磁致伸缩两种类型，但由于超磁致伸缩材料Terfenol-D显著的高能量密度和大应变系数等优点使得超磁致伸缩型换能器在各类低频、大功率水下声源、探索声呐和水声通信领域被广泛应用。
某弯张型超磁致伸缩水声换能器机械结构如图2所示，基本工作原理为交变电流通过线圈产生交变磁场，与偏置磁场叠加后共同作用使磁致伸缩棒产生形变，并引起相关机械系统谐振向外辐射声能。将水声换能器应用于海底电声换能系统进行可靠通信和测距时工作于低频段，水声换能器可视为阻感负载，但必须对其输入电流进行闭环控制，否则可能由于复杂的水下工况使交流线圈过流而烧坏换能器，工程上一般先测得其等效阻抗再进行建模和设计控制算法。
但水声换能器本质上为复杂的机电耦合体，其等效阻抗随工作条件变化而发生较大变化，图3即为阻抗测量仪测得的阻抗曲线；同时，已有阻抗测量装备所测仅为小信号正弦波激励下的静态等效阻抗，并不等于工作于额定电流下换能器的实际等效阻抗，且其声阻在深水中受水深、流速、密度以及粘度影响较大，使其等效阻抗大范围内瞬时地、随机地变化。因此在宽频带内对水声换能器的输入电流进行稳定闭环控制和实时跟踪非常困难，且对控制系统的鲁棒性要求较高。
为了提高系统鲁棒性，改善电流控制器闭环控制效果，有必要对水声换能器的等效电感和电阻进行在线辨识以检测其瞬时变化从而可以及时地更新控制指令。已有文献通过最小二乘法、构建负载观测器和卡尔曼滤波法对负载参数进行在线辨识，算法非常复杂，给控制器带来较大计算负担。本文对超磁致伸缩型水声换能器提出一种更为简单的参数在线辨识算法，原理如下：假设换能器端电压为VO，输入电流为iO，其等效电感和电阻分别用LO和RO表示，则
假设磁致伸缩型水声换能器连续两个采样周期内等效电感和电阻保持不变，将式(1)采用隐式梯形积分法按照采样周期TD离散化：
式(2)中VO(n)、VO(n-1)、VO(n-2)、iO(n)、iO(n-1)、iO(n-2)分别表示当前控制周期及相邻前两个控制周期换能器端电压VO、输入电流为iO的瞬时值，均可通过采样得到。但是，测量噪声总是存在的。因此，测量值以 表示，初步识别结果用LOm(n)和ROm(n)表示，则
为了减小测量噪声对辨识结果的影响，采用一阶低通滤波器对(3)的初步辨识结果进行改进。因此，最终的辨识结果LO(n)和RO(n)可按照(4)和(5)分别计算得到。
LO(n)＝aLOm(n)+(1-a)LO(n-1) (4)
RO(n)＝aROm(n)+(1-a)RO(n-1) (5)
在式(4)和式(5)中，f表示所采用低通滤波器的截止频率。

Claims (4)

1.一种适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采集磁致伸缩型水声换能器连续三个采样周期端电压VO在第n个采样周期的测量值和输入电流iO的测量值其中表示当前采样周期测量值，表示相邻前两个采样周期测量值；
2)设磁致伸缩型水声换能器连续两个采样周期内等效电感和电阻保持不变，将换能器端电压VO和输入电流iO满足的微分方程采用隐式梯形积分法按照采样周期TD离散化，然后将测量值代入离散后的微分方程，得到离散微分方程；
3)将上述离散微分方程改写为矩阵形式，并进行求逆运算，得到等效电感、电阻的初步辨识结果LOm(n)和ROm(n)；
4)通过一阶低通滤波器对初步辨识结果进行滤波，得到最终辨识结果LO(n)和RO(n)。
2.根据权利要求1所述的适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法，其特征在于，磁致伸缩型水声换能器端电压VO和输入电流iO满足的微分方程为其中LO和RO分别表示磁致伸缩型水声换能器实时等效电感和等效电阻。
3.根据权利要求1所述的适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法，其特征在于，初步辨识结果LOm(n)和ROm(n)通过矩阵求逆公式得到。
4.根据权利要求1所述的适用于磁致伸缩型换能器等效电感和电阻的在线辨识方法，其特征在于，最终辨识结果LO(n)和RO(n)的计算公式为LO(n)＝aLOm(n)+(1-a)LO(n-1)和RO(n)＝aROm(n)+(1-a)RO(n-1)，其中f表示所述一阶低通滤波器的截止频率。
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