專利名稱：一種低頻展寬的非線性反饋控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種閉環(huán)控制裝置，尤其涉及一種低頻展寬的非線性反饋控制裝置。本發(fā)明也涉及一種低頻展寬的非線性反饋控制方法。
背景技術(shù)：
控制理論中兩種最基本的控制形式是開環(huán)控制和閉環(huán)控制。每種控制形式都有自身的特點(diǎn)，開環(huán)控制器與被控對(duì)象之間只有正向控制的作用，是無記憶系統(tǒng)，抗干擾能力差。閉環(huán)控制系統(tǒng)需要不斷地測量反饋信號(hào)，并把輸入和反饋信號(hào)做差，判斷系統(tǒng)輸出是否滿足期望要求，如不滿足則把差值反饋到控制器，繼續(xù)觀測系統(tǒng)輸出，獲得有關(guān)過程的狀態(tài)信息，根據(jù)設(shè)計(jì)要求不斷調(diào)節(jié)控制輸入使得系統(tǒng)輸出按期望變化，進(jìn)而獲得期望的結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)，在各種生物系統(tǒng)、物理系統(tǒng)及經(jīng)濟(jì)和商業(yè)等諸多領(lǐng)域常常存在這種現(xiàn)象，由此設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)更接近于實(shí)際應(yīng)用的物理模型。設(shè)計(jì)接近系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制過程相對(duì)簡單，相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中很關(guān)鍵的一步。當(dāng)確定了被控制的數(shù)學(xué)模型和輸出的控制指標(biāo)后，需要通過模擬和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其性能指標(biāo)，并不斷的調(diào)節(jié)可控參數(shù)，獲得符合性能標(biāo)準(zhǔn)的反饋控制器。反饋控制系統(tǒng)通過引入反饋來改善系統(tǒng)性能，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和元器件的個(gè)數(shù)，但它獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)是控制過程中會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)存在一定程度的不穩(wěn)定性、這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，可能使系統(tǒng)的工作性能大大轉(zhuǎn)變。線譜是現(xiàn)代被動(dòng)聲吶在水聲對(duì)抗中檢測、跟蹤和識(shí)別目標(biāo)的主要特征，是潛艇聲隱身性能的主要危害。為了提高艦船的隱蔽性，必須降低低頻線譜。近年來，各國都積極進(jìn)行減振降噪的研究，并取得了巨大的發(fā)展。通過采用吸隔振、多功能覆蓋層、低噪聲推進(jìn)器等技術(shù)，大大降低了艦船的輻射噪聲。若能把線譜轉(zhuǎn)換成連續(xù)譜，可以改變輻射噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)，并將原來集中的低頻能量分布到較寬的頻帶上，減小線譜峰值，降低可探測性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)低頻展寬，使得輸入線譜能量降低的低頻展寬的非線性反饋控制裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種低頻展寬的非線性反饋控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的、本發(fā)明的低頻展寬的非線性反饋控制裝置包括接收模塊、非線性控制模塊、參考輸出模塊和反饋控制模塊；接收模塊接收輸入信號(hào)，并將所述輸入信號(hào)傳遞至非線性控制模塊；非線性控制模塊，對(duì)接收模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至參考輸出模塊，非線性控制模塊結(jié)合反饋控制模塊輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至參考輸出模塊；參考輸出模塊，將調(diào)制后的信號(hào)與參考信號(hào)作差，判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求，如果滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)作為輸出信號(hào)輸出，如果不滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至反饋控制模塊。
本發(fā)明的低頻展寬的非線性反饋控制裝置還可以包括1、還包括外激勵(lì)注入模塊，所述激勵(lì)注入模塊將外激勵(lì)注入到控制系統(tǒng)中。2、還包括特征判斷模塊，所述特征判斷模塊判斷輸出信號(hào)是否處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則輸出，若不滿足則將系統(tǒng)輸出信號(hào)傳遞至反饋控制模塊。3、所述接收模塊，接收單頻輸入信號(hào)。4、所述非線性控制模塊，對(duì)接收模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，產(chǎn)生波幅受到調(diào)制的高階諧波信號(hào)，或者結(jié)合反饋控制模塊輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，產(chǎn)生波幅受到調(diào)制的高階諧波信號(hào)。本發(fā)明的低頻展寬的非線性反饋控制方法為步驟(1)接收輸入信號(hào)；步驟⑵對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并輸出調(diào)制后的信號(hào)；步驟(3)將調(diào)制后的信號(hào)與參考信號(hào)作差，判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要
求，如果滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)作為輸出信號(hào)輸出，流程結(jié)束；如果不滿足，則轉(zhuǎn)至步驟 ⑷；步驟(4)對(duì)不滿足期望要求的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)反饋處理獲得反饋信號(hào)，返回執(zhí)行步驟O)。本發(fā)明的低頻展寬的非線性反饋控制方法還可以包括1、在步驟( 和步驟C3)之間注入外激勵(lì)，并將外激勵(lì)與調(diào)制信號(hào)的混合信號(hào)作為新的調(diào)制信號(hào)。2、所述判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求是判斷輸出信號(hào)是否處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則輸出，若不滿足則，轉(zhuǎn)至步驟(4)。3、所述接收的采樣信號(hào)為單頻采樣信號(hào)。4、所述對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制為產(chǎn)生波幅受到調(diào)制的高階諧波信號(hào)。輸入信號(hào)通過非線性控制模塊，輸出增加了很多頻率成分，這些頻率成分的諧波經(jīng)反饋再次經(jīng)過非線性控制模塊的調(diào)制，輸出很有更多的頻率成分，如此往復(fù)，系統(tǒng)輸出為多種頻率成分的各階諧波，幅值受到調(diào)制、線譜展寬，在合適參數(shù)的作用下可實(shí)現(xiàn)輸入線譜能量的降低。


圖1是低頻展寬的非線性反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是低頻展寬的非線性反饋控制方法的流程圖；圖3(a)-圖3(b)是信號(hào)經(jīng)過非線性控制器后的系統(tǒng)輸出示意圖，其中，圖3 (a)為輸出幅值隨時(shí)間變化曲線圖，圖3(b)為輸出功率隨頻率變化曲線圖；圖4(a)-圖4(d)是實(shí)施例1的功率譜曲線圖，其中，圖4(a)為輸入信號(hào)自身功率譜曲線圖，圖4(b)為二階非線性諧波的功率譜曲線圖，圖4(c)為三階非線性諧波的功率譜曲線圖，圖4(d)為非線性控制模塊2輸出的功率譜曲線圖；圖5(a)-圖5(d)是實(shí)施例1中非線性控制模塊2輸出的相圖，其中，圖5 (a)為延遲時(shí)間為IOs時(shí)的相圖，圖5(b)為延遲時(shí)間為IOs時(shí)的相圖，圖5(c)為延遲時(shí)間為15s時(shí)的相圖，圖5(d)為延遲時(shí)間為20s時(shí)的相圖6(a)-圖6(d)是實(shí)施例2的無外激勵(lì)時(shí)反饋后的系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)圖，其中，圖 6(a)為時(shí)程圖，圖6(b)為功率譜圖，圖6(c)為相圖，圖6(d)為Lyapimov指數(shù)獲得點(diǎn)數(shù)i 與系統(tǒng)輸出的曲線圖；圖7(a)-圖7(d)是實(shí)施例3的存在外激勵(lì)時(shí)反饋后的系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)圖，圖7 (a) 為時(shí)程圖，圖7(b)為功率譜圖，圖7(c)為相圖，圖7(d)為Lyapimov指數(shù)獲得點(diǎn)數(shù)i與系統(tǒng)輸出的曲線圖；圖8(a)-圖8(d)是實(shí)施例4的存在外激勵(lì)時(shí)反饋后的系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)圖，圖8 (a) 為時(shí)程圖，圖8(b)為功率譜圖，圖8(c)為相圖，圖8(d)為Lyapimov指數(shù)獲得點(diǎn)數(shù)i與系統(tǒng)輸出的曲線圖；圖9(a)-圖9(d)是實(shí)施例5存在外激勵(lì)時(shí)反饋后的系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)圖，圖9 (a)為時(shí)程圖，圖9(b)為功率譜圖，圖9(c)為相圖，圖9(d)為Lyapimov指數(shù)獲得點(diǎn)數(shù)i與系統(tǒng)輸出的曲線圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。低頻展寬的非線性反饋控制系統(tǒng)，包括接收模塊1、非線性控制模塊2、參考輸出模塊3、反饋控制模塊4和外激勵(lì)注入模塊5，接收模塊1，用于接收輸入信號(hào)x(t)，并將所述輸入信號(hào)x(t)傳遞至非線性控制模塊2 ；非線性控制模塊2，用于對(duì)接收模塊1輸入的信號(hào)χ (t)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)ν (t)傳遞至參考輸出模塊3 ；還用于結(jié)合反饋控制模塊4輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)ζ (t)傳遞至參考輸出模塊3 ；參考輸出模塊3，用于將調(diào)制后的信號(hào)ν (t)或者z(t)與參考信號(hào)e(t)作差，判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求，如果滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)作為系統(tǒng)輸出信號(hào)y(t)輸出，如果不滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至反饋控制模塊4 ；反饋控制模塊4，用于對(duì)不滿足期望要求的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行……，并將反饋信號(hào)f(t) 傳遞至非線性控制模塊2。外激勵(lì)注入模塊5用于將外激勵(lì)信號(hào)u (t)注入到控制系統(tǒng)中。 其中外激勵(lì)注入模塊5是可選的，并且外激勵(lì)信號(hào)u (t)注入系統(tǒng)中的位置也是可選的，可以設(shè)置在非線性控制模塊2和參考輸出模塊3之間，外激勵(lì)信號(hào)u (t)與調(diào)制后的信號(hào)v(t)或者z(t)的混合信號(hào)輸入到參考輸出模塊3 ；或者設(shè)置在參考輸出模塊3和反饋控制模塊4之間，外激勵(lì)信號(hào)u (t)與與不滿足期望要求的調(diào)制后的信號(hào)ν (t)或者z(t)的混合信號(hào)輸入到反饋控制模塊4 ；或者設(shè)置在反饋控制模塊4和非線性控制模塊2之間，外激勵(lì)信號(hào)u (t)與反饋信號(hào)f(t)的混合信號(hào)輸入到非線性控制模塊2。具體說明本發(fā)明的實(shí)施過程
接收模塊1的輸入信號(hào)為單頻信號(hào)
權(quán)利要求
1.一種低頻展寬的非線性反饋控制裝置，包括接收模塊、非線性控制模塊、參考輸出模塊和反饋控制模塊；其特征是接收模塊接收輸入信號(hào)，并將所述輸入信號(hào)傳遞至非線性控制模塊；非線性控制模塊，對(duì)接收模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至參考輸出模塊，非線性控制模塊結(jié)合反饋控制模塊輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制， 并將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至參考輸出模塊；參考輸出模塊，將調(diào)制后的信號(hào)與參考信號(hào)作差， 判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求，如果滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)作為輸出信號(hào)輸出，如果不滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至反饋控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻展寬的非線性反饋控制裝置，其特征是還包括外激勵(lì)注入模塊，所述激勵(lì)注入模塊將外激勵(lì)注入到控制系統(tǒng)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻展寬的非線性反饋控制裝置，其特征是還包括特征判斷模塊，所述特征判斷模塊判斷輸出信號(hào)是否處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則輸出，若不滿足則將系統(tǒng)輸出信號(hào)傳遞至反饋控制模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低頻展寬的非線性反饋控制裝置，其特征是所述接收模塊， 接收單頻輸入信號(hào)。
5.一種低頻展寬的非線性反饋控制方法，其特征是步驟(1)接收輸入信號(hào)；步驟(2)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并輸出調(diào)制后的信號(hào)；步驟(3)將調(diào)制后的信號(hào)與參考信號(hào)作差，判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求，如果滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)作為輸出信號(hào)輸出，流程結(jié)束；如果不滿足，則轉(zhuǎn)至步驟；步驟(4)對(duì)不滿足期望要求的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)反饋處理獲得反饋信號(hào)，返回執(zhí)行步驟(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低頻展寬的非線性反饋控制方法，其特征是在步驟(2)和步驟C3)之間注入外激勵(lì)，并將外激勵(lì)與調(diào)制信號(hào)的混合信號(hào)作為新的調(diào)制信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的低頻展寬的非線性反饋控制方法，其特征是所述判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求是判斷輸出信號(hào)是否處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低頻展寬的非線性反饋控制方法，其特征是所述接收的采樣信號(hào)為單頻采樣信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的低頻展寬的非線性反饋控制方法，其特征是所述對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制為產(chǎn)生波幅受到調(diào)制的高階諧波信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種低頻展寬的非線性反饋控制裝置及方法。接收模塊接收輸入信號(hào)，并將所述輸入信號(hào)傳遞至非線性控制模塊；非線性控制模塊，對(duì)接收模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至參考輸出模塊，非線性控制模塊結(jié)合反饋控制模塊輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至參考輸出模塊；參考輸出模塊，將調(diào)制后的信號(hào)與參考信號(hào)作差，判斷調(diào)制后的信號(hào)是否滿足期望要求，如果滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)作為輸出信號(hào)輸出，如果不滿足，則將調(diào)制后的信號(hào)傳遞至反饋控制模塊。輸入信號(hào)通過非線性控制模塊、反饋控制模塊，輸出多種頻率成分的各階諧波，幅值受到調(diào)制、線譜展寬，在合適參數(shù)的作用下可實(shí)現(xiàn)輸入線譜能量的降低。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102393640SQ20111032131
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者蘭朝鳳, 時(shí)勝國, 李思純, 楊德森 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)