CN113495485B - 一种主动控制系统的抗饱和控制方法和主动控制系统 - Google Patents

一种主动控制系统的抗饱和控制方法和主动控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种主动控制系统的抗饱和控制方法和主动控制系统，主动控制系统的抗饱和控制方法包括如下步骤：拾取误差信号e(n)；输出重构参考信号x(n)；根据输出重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，计算得出输出信号y(n+1)；更新误差信号e(n+1)为：
Figure DDA0003175773590000011
根据重构参考信号x(n)和误差信号e(n+1)计算得出输出信号y(n+2)。通过更新误差信号e(n+1)，使得输出信号y(n+2)不会超过饱和输出信号，整体计算量小，且输出稳定。

Description

一种主动控制系统的抗饱和控制方法和主动控制系统
技术领域
本申请涉及主动控制技术领域，尤其涉及一种主动控制系统的抗饱和控制方法和主动控制系统。
背景技术
船舶振动与噪声的控制技术一直是船舶界研究的热点与重点，针对低频振动的控制传统被动式控制措施难以满足要求，主动控制技术对低频振动的控制具有更大的灵活性和适应性，也是目前业内公认解决低频振动问题的有效方法。主动控制策略是主动控制技术的核心研究内容之一，基于自适应交叉耦合的FX-LMS算法控制系统被广泛应用于振动主动控制中，并在工程应用中证明是稳定有效的。自适应控制系统根据自身控制策略的设计，在控制过程中能够对被控对象和环境的变化自动地调整系统自身的参数，使系统实时产生次级振动与被控对象的干扰振动相叠加，达到对低频振动控制的目的。
在主动控制技术工程实际使用过程中，一直有1个难点难以克服：被控对象振动能量较大或目标频率谱线数较多，故欲对被控对象进行最优控制需要主动控制系统输出较大的功率；主动控制系统在对被控对象进行最优控制的过程中，由于主动控制机理的数学模型原因，主动控制系统的输出会持续增加，导致控制输出达到饱和，致使控制系统发生非线性，影响主动控制效果，甚至导致控制系统发散。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种主动控制系统的抗饱和控制方法，避免控制输出达到饱和，致使控制系统发生非线性，影响主动控制效果。
为实现上述目的，本发明提供一种主动控制系统的抗饱和控制方法，包括
如下步骤：
拾取误差信号e(n)；
输出重构参考信号x(n)；
根据所述重构参考信号x(n)和所述误差信号e(n)，计算得出滤波器权值w(n+1)；
根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出输出信号y(n+1)；
更新误差信号e(n+1)为：
Figure GDA0003778635880000021
其中
Figure GDA0003778635880000022
为预设因子；
根据重构参考信号x(n)和误差信号e(n+1)计算得出输出信号y(n+2)。
进一步地，步骤：根据重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，计算得出滤波器权值w(n+1)中：
w(n+1)＝w(n)+x(n)*e(n)。
进一步地，还包括如下步骤：
设滤波器权值的最优解为Wopt检测滤波器权值的当前值为Wp；
得出Wopt与Wp的关系为：
Wp＝-Wopt/(1+γ)
其中γ为输出抗饱和约束因子；
W(k+1)与W(k)之间的关系为：
W(k+1)＝γW(k)+μXs(n)e(k)
更新e(k)，使所述滤波器权值的当前值Wp小于最大权值Wm。
进一步地，步骤：根据滤波器权值w(n+1)和参考重构信号x(n)计算得出输出信号y(n+1)具体包括：
根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出控制系统输出信号u(n+1)；
u(n+1)＝w(n+1)*x(n)
根据所述控制系统输出信号u(n)和物理传递通道系数H(n)，计得出y(n+1)；
y(n+1)＝u(n+1)*H(n)。
进一步地，在步骤：计算得出滤波器权值w(n+1)中具体包括如下步骤：
计算各输出通道的滤波器权值信号wj(n)，
wj(n)＝[wj1(n)，wj2(n)，.....wji(n)]T
其中j为输出通道序号，所述j大于或等于2，i为误差通道数，所述i大于2；
通过wj(n)得出各输出通道的滤波器权值信号wj(n+1)。
进一步地，在步骤：通过wj(n)得出各输出通道的滤波器权值信号wj(n+1)
中，具体包括如下步骤：
计算一输出通道的滤波器权值
Figure GDA0003778635880000031
其中su为预设因数，
Figure GDA0003778635880000032
Figure GDA0003778635880000033
一通道的重构参考信号xij(n)为定值。
进一步地，所述一通道的重构参考信号xij(n)由一通道的控制系统参考信号Ri(n)和次级通道辨识参数
Figure GDA0003778635880000034
得出：
Figure GDA0003778635880000035
进一步地，一通道的控制系统参考信号Ri(n)由下述公式得到：
Figure GDA0003778635880000041
进一步地，步骤：根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出控制系统输出信号u(n)具体包括：
Figure GDA0003778635880000042
为实现上述目的，本实施例还提供了一种主动控制系统，能够实施上述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其包括控制器模块和执行模块，所述控制器模块用于拾取并更新误差信号e(n)，所述控制器模块用于输出重构参考信号x(n)，通过所述误差信号e(n)和所述重构参考信号x(n)得出控制输出信号，所述执行模块用于接触所述控制输出信号。
进一步地，所述控制器模块和所述执行模块之间连接有功率放大器。
本发明的技术效果在于，通过在每一个时刻都根据误差信号e(n)和公式更新误差信号e(n+1)，使得输出信号y(n+2)不会超过饱和输出信号，本实施例中更新误差信号的方法为在计算过程中进行了更新，而非在结果上判定是否合理，再反馈到计算中，整体计算量小，且输出稳定。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例1提供的主动控制系统的模块图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
本申请的第一实施例涉及一种主动控制系统的抗饱和控制方法，用于主动控制系统，主动控制系统可以应用于船舶振动与噪声控制，当然也可以用于其他领域的控制，本实施例中仅以用于船舶振动与噪声控制为例做说明，不做具体限定。传播振动噪声控制的流程如下：拾取外部振动信号，为误差信号e(n)，输出信号y(n)，通过输出信号控制y(n)控制执行模块振动，通过执行模块带来的振动与外部振动的误差信号e(n)抵消，消除振动的噪声。但由于整体设备的大小限制，执行模块的大小有限，其输出的功率有限，控制系统会根据误差信号e(n)来提高输出信号y(n)，提升执行模块的振动功率，但执行模块的功率有限，容易出现输出信号y(n)所输出的要求超过了执行模块的最大功率即输出阈值，出现超饱和情况，导致系统发生非线性的情况，严重影响控制效果，降低控制系统稳定性。
本实施例中的主动控制系统的抗饱和控制方法目的在于避免输出信号y(n)输出值大于执行模块的输出阈值，避免其超过阈值，出现超饱和的情况，保证控制效果。具体包括如下步骤：
拾取误差信号e(n)；检测外部的振动信号，生成误差信号。
输出重构参考信号x(n)；重构参考信号x(n)为系统内预设的信号，其具体为一个正弦信号，在后续步骤中几乎不会改变。
根据输出重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，计算得出输出信号y(n+1)；n代表一时刻的信号，输出信号通过重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，可知输出信号在不同时刻均重构，再输出进行控制更新误差信号e(n+1)为：
Figure GDA0003778635880000061
其中
Figure GDA0003778635880000062
为预设因子；
根据重构参考信号x(n)和误差信号e(n+1)计算得出输出信号y(n+2)。误差信号e(n+1)相较于误差信号e(n)进行了一个更新，具体通过上一个输出信号和常数进行更新，通过更新误差信号来重构输出信号y(n)。
现有技术中，可以通过在输出信号y(n)的结果上进行限制，在每个输出信号y(n)输出后，计算执行机构的功率在饱和临界值所对应的饱和输出信号，在输出信号y(n)大于饱和输出信号后，将该输出信号y(n)返回重新进行计算，或直接降低输出信号y(n)以反馈到重构信号，重新进行计算输出，直至输出信号y(n)小于饱和输出信号为止，整体计算量大，效果也较差。
本实施例中，通过在每一个时刻都根据误差信号e(n)和公式更新误差信号e(n+1)，使得输出信号y(n+2)不会超过饱和输出信号，本实施例中更新误差信号的方法为在计算过程中进行了更新，而非在结果上判定是否合理，再反馈到计算中，整体计算量小，且输出稳定。
步骤：根据输出重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，计算得出输出信号y(n+1)具体包括如下步骤：
根据重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，计算得出滤波器权值w(n+1)；滤波器权值w(n+1)为控制系统中的一个重要指标，会直接影响到输出信号y(n+1)。
根据滤波器权值w(n+1)和参考重构信号x(n)计算得出输出信号y(n+1)。
由于参考重构信号x(n)为一正弦信号，因此输出信号y(n+1)与滤波器权值w(n+1)直接正相关，而滤波器权值w(n+1)又是通过重构参考信号x(n)和误差信号e(n)得来，因此，更新的误差信号e(n+1)是通过影响滤波器权值w(n+1)，进而影响输出信号y(n+1)的。
在步骤：根据重构参考信号x(n)和误差信号e(n)，计算得出滤波器权值w(n+1)中：
w(n+1)＝w(n)+x(n)*e(n)。
其中w(n)为n时刻的滤波器权值，w(n+1)为n+1时刻的滤波器权值，可知，滤波器权值是在上一时刻的基础上，加上重构信号和误差信号的积，在误差信号更新后，滤波器权值也会随之更新，且滤波器权值的变化趋势为非线性的，不会线性增加至超过饱和输出信号，导致控制失效的情况。
还包括如下步骤：
设滤波器权值的最优解为Wopt；Wopt为理论上的最优解，控制系统的滤波器权值向着Wopt变化。但Wopt的可能超过执行机构所能达到的最大功率，滤波器权值在更新的过程，是在逐渐向Wopt逼近的过程。
检测滤波器权值的当前值为Wp；
得出Wopt与Wp的关系为：
Wp＝-Wopt/(1+γ)
其中γ为输出抗饱和约束因子；在误差的更新的过程中，Wopt与Wp的关系会不断变化，γ也不断改变，而使Wp不会超过滤波器权值的最大值，即饱和值。避免Wp过饱和，影响控制。
W(k+1)与W(k)之间的关系为：
W(k+1)＝γW(k)+μXS(n)e(k)
更新e(k)，使所述滤波器权值的当前值Wp小于最大权值Wm。
步骤：根据滤波器权值w(n+1)和参考重构信号x(n)计算得出输出信号y(n+1)具体包括：
根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出控制系统输出信号u(n+1)；
u(n+1)＝w(n+1)*x(n)
根据所述控制系统输出信号u(n)和物理传递通道系数H(n)，计得出y(n+1)；
y(n+1)＝u(n+1)*H(n)。
控制输出信号u(n)为滤波器权值w(n+1)和参考重构信号x(n)计算得出的输出值，而u(n)信号传递给执行机构时，需要通过物理传递通道进行传输，物理传递通道为导线、光纤等，其传递时会出现一定损耗，所以实际输出的信号y(n+1)为控制输出信号u(n+1)乘以物理传递通道系数H(n)。
在步骤：计算得出滤波器权值w(n+1)中具体包括如下步骤：
计算各输出通道的滤波器权值信号wj(n)，
wj(n)＝[wj1(n)，wj2(n)，.....wji(n)]T
其中j为输出通道序号，所述j大于或等于2，i为误差通道数，所述i大于2；
控制系统采用了多输入多输出控制系统，本实施例中具体为2输入2输出控制系统，通过自适应交叉耦合的FX-LMS算法进行控制，其中wj(n)为第j路输出对应的滤波器权值wj(n)公式。滤波器权值w(n+1)通过多个通道输出并耦合。
通过wj(n)得出各输出通道的滤波器权值信号wj(n+1)。其中wj(n+1)为第j路输出对应的滤波器权值更新公式。
在步骤：通过wj(n)得出各输出通道的滤波器权值信号wj(n+1)中，具体包括如下步骤：
计算一输出通道的滤波器权值
Figure GDA0003778635880000081
其中su为预设因数，
Figure GDA0003778635880000082
Figure GDA0003778635880000083
Zj(n)为归一化公式，
一通道的重构参考信号Xij(n)为定值。
所述一通道的重构参考信号xij(n)由一通道的控制系统参考信号Ri(n)和次级通道辨识参数
Figure GDA0003778635880000091
得出：
Figure GDA0003778635880000092
其中控制系统参考信号Ri(n)通过次级通道传输，因此最后得到的重构参考信号xij(n)收次级通道辨识参数
Figure GDA0003778635880000093
影响。
一通道的控制系统参考信号Ri(n)由下述公式得到：
Figure GDA0003778635880000094
控制系统参考信号Ri(n)影响这重构信号，收到误差以及输出信号影响。
步骤：根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出控制系统输出信号u(n)具体包括：
Figure GDA0003778635880000095
Ri(n)由两个通道传递，与wji(n)耦合形成uj(n)，得到uj(n)。本实施例中由于j＝2，因此会得到u1(n)和u2(n)，通过物理通道得到y1(n)和y2(n)，环境所产生的干扰信号为d1(n)和d2(n)，d1(n)和d2(n)分别与y1(n)和y2(n)作用，形成e1(n)和e2(n)，即误差信号。e1(n)和e2(n)分别通过
Figure GDA0003778635880000096
进行更新。
本实施例中的主动控制系统的饱和控制方法，通过公式更新误差信号，使得输出信号y(n+2)不会超过饱和输出信号，本实施例中更新误差信号的方法为在计算过程中进行了更新，而非在结果上判定是否合理，再反馈到计算中，整体计算量小，且输出稳定。
实施例2
本申请的第二实施例公开了一种主动控制系统，可以采用如第一实施例中的主动控制系统的饱和控制方法。
控制器模块和执行模块，所述控制器模块用于拾取并更新误差信号e(n)，所述控制器模块用于输出重构参考信号x(n)，通过所述误差信号e(n)和所述重构参考信号x(n)得出控制输出信号，所述执行模块用于接触所述控制输出信号。
但由于空间限制，执行模块一般占用空间较小，功率较低，难以达到预期的振动效果。本实施例中，所述控制器模块和所述执行模块之间连接有功率放大器，将执行模块的功率放大，使其可以达到预期效果。
以上对本申请实施例所提供的一种主动控制系统的饱和控制方法、主控可控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请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申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种主动控制系统的抗饱和控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
拾取误差信号e(n)；
输出重构参考信号x(n)；
根据所述重构参考信号x(n)和所述误差信号e(n)，计算得出滤波器权值w(n+1)；
根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出输出信号y(n+1)；
更新误差信号e(n+1)为：
Figure FDA0003778635870000011
其中
Figure FDA0003778635870000012
为预设因子；
根据所述重构参考信号x(n)和所述误差信号e(n+1)计算得出输出信号y(n+2)；
步骤：根据所述重构参考信号x(n)和所述误差信号e(n)，计算得出滤波器权值w(n+1)中：
w(n+1)＝w(n)+x(n)*e(n)；
还包括如下步骤：
设滤波器权值的最优解为Wopt检测滤波器权值的当前值为Wp；
得出Wopt与Wp的关系为：
Wp＝-Wopt/(1+γ)
其中所述γ为输出抗饱和约束因子；
W(k+1)与W(k)之间的关系为：
W(k+1)＝γW(k)+μXS(n)e(k)
更新e(k)，使所述滤波器权值的当前值Wp小于最大权值Wm；
步骤：根据滤波器权值w(n+1)和参考重构信号x(n)计算得出输出信号y(n+1)具体包括：
根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出控制系统输出信号u(n+1)；
u(n+1)＝w(n+1)*x(n)
根据所述控制系统输出信号u(n)和物理传递通道系数H(n)，计得出y(n+1)；
y(n+1)＝u(n+1)*H(n)。
2.根据权利要求1所述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其特征在于，
在步骤：计算得出滤波器权值w(n+1)中具体包括如下步骤：
计算各输出通道的滤波器权值信号wj(n)，
wj(n)＝[wj1(n)，wj2(n)，.....wji(n)]T
其中j为输出通道序号，所述j大于或等于2，i为误差通道数，所述i大于2；
通过所述wj(n)得出各输出通道的滤波器权值信号wj(n+1)。
3.根据权利要求2所述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其特征在于，
在步骤：通过wj(n)得出各输出通道的滤波器权值信号wj(n+1)中，具体包括如下步骤：
计算一输出通道的滤波器权值
Figure FDA0003778635870000021
其中所述su为预设因数，
Figure FDA0003778635870000022
Figure FDA0003778635870000023
一通道的重构参考信号xij(n)为定值。
4.根据权利要求3所述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其特征在于，所述一通道的重构参考信号xij(n)由一通道的控制系统参考信号Ri(n)和次级通道辨识参数
Figure FDA0003778635870000031
得出：
Figure FDA0003778635870000032
5.根据权利要求4所述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其特征在于，一通道的控制系统参考信号Ri(n)由下述公式得到：
Figure FDA0003778635870000033
6.根据权利要求5所述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其特征在于，步骤：根据所述滤波器权值w(n+1)和所述参考重构信号x(n)计算得出控制系统输出信号u(n)具体包括：
Figure FDA0003778635870000034
7.一种主动控制系统，其特征在于，能够实施如权利要求1-6任意一项所述的主动控制系统的抗饱和控制方法，其包括控制器模块和执行模块，所述控制器模块用于拾取并更新误差信号e(n)，所述控制器模块用于输出重构参考信号x(n)，通过所述误差信号e(n)和所述重构参考信号x(n)得出控制输出信号，所述执行模块用于接触所述控制输出信号。
8.根据权利要求7所述的一种主动控制系统，其特征在于，所述控制器模块和所述执行模块之间连接有功率放大器。
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