机械系统静态非线性特征辨识方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机械系统静态非线性特征辨识方法，方法包括以下步骤：静态的阶梯输入信号输入机械系统，并记录机械系统输出，基于所述输出统计计算样条插值点的坐标，对机械系统施加随机建模信号并记录系统输出，固定样条插值点的坐标，利用样条自适应滤波器对建模信号进行滤波，并得到误差信号，利用所述误差信号对滤波器FIR部分的参数进行自适应更新。

Identification method of static nonlinear characteristics of mechanical system

【技术实现步骤摘要】
机械系统静态非线性特征辨识方法
本专利技术属于机械控制
，特别是一种机械系统静态非线性特征辨识方法。
技术介绍
系统辨识是通过输入输出数据对实际系统进行建模的一种技术，相比于传统的机理模型，系统辨识可以更加准确、全面地描述系统特性。实际机械系统中存在大量的未建模特性和非线性特性，传统的线性辨识方法只能处理线性系统，无法描述实际系统中的非线性特性。而非线性系统辨识方法可以更加精确地描述实际系统的特性，建模效果也更加准确。样条自适应滤波是一种非线性特性辨识方法，由一个线性的FIR滤波器和一个非线性的样条插值器串联而成，利用样条插值器自适应地逼近非线性特性，可用于工程中一类广泛的非线性系统的辨识中。由于在样条自适应滤波方法中，FIR滤波器和样条插值器是串联的，二者之间存在很强的耦合关系，两者间任一者的偏差，均会导致另一者出现偏差，从而影响系统辨识效果。这一问题导致其在应用中难以设定合适的滤波器参数，难以收敛到实际的最优解，从而影响系统辨识效果。因此，如何在实际机械系统的辨识中对样条自适应滤波器中两个互相耦合的子系统进行解耦，得到准确的机械系统非线性特性，提高系统辨识的收敛速度，是一个很重要的问题。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
为了解决实际机械系统中，样条自适应滤波器两个子系统之间的强耦合问题，本专利技术提出了一种机械系统静态非线性特征辨识方法。利用机械系统非线性特性的静态特性，利用具有静态特性的阶梯输入信号激励系统，统计计算出机械系统的静态非线性特性，作为样条插值点的坐标。在此基础上，固定样条插值点坐标，利用建模信号对系统的线性FIR滤波器参数进行自适应，从而实现对自适应样条滤波器中两个子系统的解耦，提高收敛速度。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种机械系统静态非线性特征辨识方法包括以下步骤：第一步骤中，静态的阶梯输入信号输入机械系统，并记录机械系统输出，第二步骤中，基于所述输出统计计算样条插值点的坐标，第三步骤中，对机械系统施加随机建模信号并记录系统输出，第四步骤中，固定样条插值点的坐标，利用第三步骤的随机建模信号下的输出与此处的滤波输出之差得到误差信号，第五步骤中，利用所述误差信号对滤波器FIR部分的参数进行自适应更新。所述的方法中，第一步骤中，阶梯输入信号xs(n)表示为其中，s0是阶梯输入信号初始值，Δs是阶梯输入信号的增量，为阶梯输入中第i个阶梯的稳定值，Δn为一个阶梯的持续时间，且Δn为偶数，将xs(n)作用于系统中，记录机械系统输出ds(n)。所述的方法中，第二步骤中，基于所述输出，统计系统在每一个阶梯输入处的响应值，以每一个阶梯输入值作为样条插值点的横坐标，以系统对该阶梯输入值的响应作为插值点的纵坐标。所述的方法中，第二步骤中，统计系统在每一个阶梯输入的后半部分的响应值，计算后半部分响应的平均值作为插值点纵坐标，其中，为第i个阶梯响应的均值，作为样条插值点的纵坐标终，插值点横坐标为插值点纵坐标为所述的方法中，第四步骤中，以x(n)作为样条自适应滤波器输入，固定样条插值点坐标，进行滤波，其中，通过FIR滤波器，得到s(n)＝wT(n)·x(n)，其中w(n)＝[w0，w1，...，wM-1]T是FIR滤波器权值向量，x(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-M+1)]T是滤波器输入向量，然后在样条插值点中查表得到s(n)所在的插值区间索引i(n)和区间归一化坐标u(n)，区间索引通过求得，是向下取整运算符。区间归一化坐标通过求得，计算样条滤波器输出其中，u(n)＝[u3(n)，u2(n)，u(n)，1]T是归一化坐标向量，是区间插值点纵坐标向量，c表示样条插值基矩阵。所述的方法中，样条插值基矩阵C为，所述的方法中，第五步骤中，FIR滤波器权值向量进行自适应更新如下其中，μ为学习步长，所述的方法中，期望输出被白噪声干扰，信噪比为30dB。所述的方法中，滤波器参数初值设置为w(0)＝[1，0，0，0，0]T，学习步长为μ＝0.01。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术实现了利用样条自适应滤波器进行机械系统辨识过程中的静态非线性特性提取，实现了样条自适应滤波器线性部分和非线性部分的解耦，使二者的计算收敛独立进行，提高了系统辨识的速度和辨识精度。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：图1为本专利技术的一种机械系统静态非线性特征辨识方法的步骤示意图；图2为本专利技术的基于阶梯输入的样条自适应系统辨识方法的结构示意图；图3为本专利技术的一个实施例中，系统的阶梯输入信号及阶梯响应信号曲线图；图4为本专利技术的一个实施例中，样条自适应滤波器插值点的统计计算情况示意图；图5为本专利技术的一个实施例中，本专利技术方法与传统方法在收敛过程中的误差曲线对比图。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的解释。具体实施方式下面将参照附图1至附图5更详细地描述本专利技术的具体实施例。虽然附图中显示了本专利技术的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本专利技术，并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本专利技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本专利技术的范围。本专利技术的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。为便于对本专利技术实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本专利技术实施例的限定。为了更好地理解，一种机械系统静态非线性特征辨识方法包括以下步骤：第一步骤S1中，静态的阶梯输入信号输入机械系统，并记录机械系统输出，第二步骤S2中，基于所述输出统计计算样条插值点的坐标，第三步骤S3中，对机械系统施加随机建模信号并记录系统输出，第四步骤S4中，固定样条插值点的坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械系统静态非线性特征辨识方法，所述方法包括以下步骤：/n第一步骤(S1)中，静态的阶梯输入信号输入机械系统，并记录机械系统在所述阶梯输入信号下的输出，/n第二步骤(S2)中，基于所述阶梯输出统计计算样条插值点的坐标，/n第三步骤(S3)中，对机械系统施加随机建模信号并记录系统在所述随机建模信号下的输出，/n第四步骤(S4)中，固定所述样条插值点的坐标，利用样条自适应滤波器对建模信号进行滤波，利用第三步骤(S3)的随机建模信号下的输出与此处的滤波输出之差得到误差信号，/n第五步骤(S5)中，利用所述误差信号对滤波器FIR部分的参数进行自适应辨识。/n

【技术特征摘要】
1.一种机械系统静态非线性特征辨识方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，静态的阶梯输入信号输入机械系统，并记录机械系统在所述阶梯输入信号下的输出，
第二步骤(S2)中，基于所述阶梯输出统计计算样条插值点的坐标，
第三步骤(S3)中，对机械系统施加随机建模信号并记录系统在所述随机建模信号下的输出，
第四步骤(S4)中，固定所述样条插值点的坐标，利用样条自适应滤波器对建模信号进行滤波，利用第三步骤(S3)的随机建模信号下的输出与此处的滤波输出之差得到误差信号，
第五步骤(S5)中，利用所述误差信号对滤波器FIR部分的参数进行自适应辨识。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第一步骤(S1)中，阶梯输入信号xs(n)表示为



其中，s0是阶梯输入信号初始值，Δs是阶梯输入信号的增量，分别表示阶梯输入中第0，1，i，N个阶梯的稳定值，i为0到N之间的任一整数，Δn为一个阶梯的持续时间且Δn为偶数，n表示时刻，N为样条插值点个数，将xs(n)作为输入作用于系统中，记录机械系统输出ds(n)。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，基于所述输出，统计系统在每一个阶梯输入处的响应值，以每一个阶梯输入值作为样条插值点的横坐标，以系统对该阶梯输入值的响应作为插值点的纵坐标。


4.根据权利要求2所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，统计系统在每一个阶梯输入的后半部分的响应值，计算后半部分响应的平均值作为插值点纵坐标，



其中，为第i个阶梯响应的均值，并将其作为样条插值点的纵坐标，j为1到Δn/2之间的任一整数，i为0到N之间的任一整数，插值点横坐标qx为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金鑫，杨亮东，陈雪峰，乔百杰，严如强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61