專利名稱：參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，尤其涉及一 種基于自適應(yīng)濾波控制最小均方算法的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
智能結(jié)構(gòu)代表著21世紀(jì)材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)新方向，特別在振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng) 域具有非常誘人的前景，目前已成為振動(dòng)工程界的研究熱點(diǎn)。主動(dòng)減振智能結(jié)構(gòu)是智能材 料結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容之一，它利用埋入結(jié)構(gòu)中的傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，根據(jù)一定 的控制規(guī)律去實(shí)時(shí)控制埋入結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)器以改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到自適應(yīng)抑制結(jié)構(gòu) 振動(dòng)響應(yīng)的目的，從而提高了結(jié)構(gòu)的性能和安全性，延長(zhǎng)了其使用壽命。壓電材料由于存 在正逆壓電效應(yīng)，不僅能用作機(jī)敏傳感材料，而且可作為智能致動(dòng)或驅(qū)動(dòng)元件，并具有低功 耗、電操作、頻帶寬和力由自身內(nèi)部產(chǎn)生的優(yōu)異特性，因此非常適合航空航天結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控 制的需要，例如在臨近空間飛行器結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制中應(yīng)用?；趬弘娭悄芙Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制方法幾乎涉及到現(xiàn)代控制理論的所有分支，并 在此基礎(chǔ)上發(fā)展了多種振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其中模態(tài)控制、極點(diǎn)配置和最優(yōu)控制方法都是 基于受控結(jié)構(gòu)精確模型的振動(dòng)控制方法，因此在應(yīng)用上具有很大的局限性。目前，以基于最 小均方XLMS算法的自適應(yīng)濾波控制方法研究獲得廣泛關(guān)注，并在實(shí)驗(yàn)中取得了較好的控 制效果，其控制策略的實(shí)質(zhì)為首先以濾波器的形式建立受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制器的數(shù)學(xué)模 型，確定受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型參數(shù)，再用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)求得最優(yōu)控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)的核心 是自適應(yīng)控制算法，它根據(jù)測(cè)得的新信息實(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)，保證控制效果始終趨于最 優(yōu)。但該方法實(shí)施過(guò)程中存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，即算法過(guò)程需要預(yù)知與外激擾信號(hào)相關(guān)的 參考信號(hào)；考慮到實(shí)際振動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般情況下很難預(yù)知外激擾信號(hào)并能夠有效提取 該信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)入控制器算法進(jìn)程，由此導(dǎo)致常規(guī)的自適應(yīng)濾波控制方法在實(shí)際適 用性和實(shí)用性上存在重大不足。如何在壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制過(guò)程中獲取準(zhǔn)確的參考信 號(hào)，成為自適應(yīng)濾波控制方法擴(kuò)大使用領(lǐng)域和實(shí)用化的一個(gè)核心問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，尤 其是基于壓電機(jī)敏元件的自適應(yīng)濾波前饋控制最小均方算法的振動(dòng)主動(dòng)控制方法，該方法 通過(guò)從壓電智能振動(dòng)結(jié)構(gòu)中直接提取振動(dòng)響應(yīng)殘差信號(hào)，進(jìn)而基于控制器結(jié)構(gòu)和算法過(guò)程 數(shù)據(jù)構(gòu)造出參考信號(hào)，滿足與激擾信號(hào)的相關(guān)性并進(jìn)入算法控制過(guò)程。解決了在實(shí)際壓電 智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)中很難獲得準(zhǔn)確的參考信號(hào)的難題，為自適應(yīng)濾波控制方法工 程實(shí)用化提供了有益的技術(shù)方法思路。為達(dá)到上述目的，該發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其特征是直接利用壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波控制方法中參考信號(hào)自提取的方案；該方法以抵消外 擾引起的受控結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，控制器根據(jù)誤差傳感器的采集信號(hào)，輸出控制信號(hào) 給作動(dòng)器，使其產(chǎn)生控制力作用于受控對(duì)象，使受控對(duì)象的振動(dòng)響應(yīng)與外擾響應(yīng)相抵消，達(dá) 到消除或減小受控對(duì)象振動(dòng)響應(yīng)的目的，實(shí)現(xiàn)了多通道壓電智能振動(dòng)主動(dòng)控制方法；控制 器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)控制通道辨識(shí)模型的濾波與振動(dòng)響應(yīng)殘差信號(hào)合成，其合成后的信號(hào)就 是整個(gè)控制算法的參考信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了參考信號(hào)的自提取目的；為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)特征，該 方法具體操作步驟如下
(1)對(duì)控制通道進(jìn)行模型辨識(shí)，求出模型辨識(shí)參數(shù)
成I 所述的對(duì)控制通道進(jìn)行模型辨識(shí)包括以下步驟
①設(shè)置辨識(shí)模型濾波器階數(shù)、步長(zhǎng)因子、辨識(shí)誤差臨界值，選取激振信號(hào)為參考信號(hào)。②設(shè)置激振頻率，開啟激振器，使壓電智能結(jié)構(gòu)處于持續(xù)振動(dòng)狀態(tài)。③利用最小均方誤差算法進(jìn)行模型濾波器權(quán)值調(diào)整。(2)設(shè)置控制算法相應(yīng)的參數(shù)和初始值控制結(jié)構(gòu)濾波器階數(shù)、步長(zhǎng)因子，參考信 號(hào):m的初值選為隨機(jī)噪聲信號(hào)。(3)實(shí)時(shí)合成參考信號(hào)，并帶入控制算法，實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)自提取目的濾波器的輸 出經(jīng)過(guò)控制通道辨識(shí)模型鳥⑷，與結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)合成得到參考信號(hào)樹約，
采用街約實(shí)時(shí)更新參考信號(hào),具體詳細(xì)過(guò)程如下
根據(jù)^r濾波器特性，得控制器輸入/輸出關(guān)系 Y(k)=W(k)Z(k)(ι)
式(1)中,(幻為濾波器加權(quán)系數(shù)。
k時(shí)刻的估計(jì)函數(shù)為
+ 1) = 4(2)7(1) + 5(^)(2)
根據(jù)上述步驟(1)模型辨識(shí)參數(shù)
sIl iz) Σ) L HieiZ)
ffm ⑷ Iim(Z) L Η^{ζ)
(3)式中， (z) = [WL， ，L -V' {m = \Jh M,p = Q.\,2h ,P) 將(3)式代入⑵式，⑵式的進(jìn)一步的展開式
非+ 1)
L
(λ· + ι)
權(quán)利要求
1.一種參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，尤其是基于自適應(yīng)濾波控 制最小均方算法的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其特征在于控制方法的具體操作步驟 如下(1)只棚 1 行酬·求出酬額_島W；(2)設(shè)置控制算法相應(yīng)的參數(shù)和初始值；(3)實(shí)時(shí)合成參考信號(hào)，并帶入控制算法，實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)自提取目的；(4)依照最小均方算法對(duì)控制器加權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正，直至振動(dòng)響應(yīng)幅度被有效地抑制；(5)實(shí)時(shí)保存相關(guān)數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)分析做準(zhǔn)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其特征 在于所述步驟(1)對(duì)控制通道進(jìn)行模型辨識(shí)包括以下步驟①設(shè)置辨識(shí)模型濾波器階數(shù)、步長(zhǎng)因子、辨識(shí)誤差臨界值，選取激振信號(hào)為參考信號(hào)；②設(shè)置激振頻率，開啟激振器，使壓電智能結(jié)構(gòu)處于持續(xù)振動(dòng)狀態(tài)；③利用最小均方誤差算法進(jìn)行模型濾波器權(quán)值調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其 特征在于所述步驟(2)設(shè)置控制算法相應(yīng)的參數(shù)和初始值為控制結(jié)構(gòu)濾波器階數(shù)、步長(zhǎng)因子，參考信號(hào)的初值選為隨機(jī)噪聲信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其特征 在于所述步驟(3)實(shí)時(shí)合成參考信號(hào)，并帶入控制算法，實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)自提取目的濾波器的輸出ilt)經(jīng)過(guò)控制通道辨識(shí)模型良⑷，與結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)對(duì)均合成得到街λ)，采用所約實(shí)時(shí)更新參考信號(hào)IM。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其特征 在于所述步驟(4)依照最小均方算法對(duì)控制器加權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正，直至振動(dòng)響應(yīng)幅度被有 效地抑制控制器加權(quán)系數(shù)更新的為W(k +1) = W(k) - μΧ1 (k)E(k)其中rifc)、ir(t+i)分別為i、i +1時(shí)刻的加權(quán)系數(shù)，μ為步長(zhǎng)因子，為的轉(zhuǎn)置，1它)為參考信號(hào)I⑷經(jīng)象(ζ)得到，對(duì).t)為振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，其特征 在于所述步驟(5)實(shí)時(shí)保存相關(guān)數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)分析做準(zhǔn)備采用二進(jìn)制格式保存數(shù)據(jù)，將其 轉(zhuǎn)化為TXT文件，用Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種參考信號(hào)自提取的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，尤其基于自適應(yīng)濾波控制最小均方算法的壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，它是直接利用壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)自提取的自適應(yīng)濾波振動(dòng)主動(dòng)控制；該方法通過(guò)從壓電智能振動(dòng)結(jié)構(gòu)中直接提取振動(dòng)響應(yīng)殘差信號(hào)，進(jìn)而基于控制器結(jié)構(gòu)和算法過(guò)程數(shù)據(jù)構(gòu)造出參考信號(hào)，滿足與激擾信號(hào)的相關(guān)性并進(jìn)入算法控制過(guò)程。解決了在實(shí)際壓電智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中很難獲得準(zhǔn)確的參考信號(hào)的難題，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)自適應(yīng)濾波控制方法的實(shí)用化提供了有益的技術(shù)方法思路。
文檔編號(hào)H03H21/00GK102142830SQ20111003288
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者張合生, 易金聰, 曾祥強(qiáng), 朱曉錦, 高守瑋, 高志遠(yuǎn), 黃全振 申請(qǐng)人:上海大學(xué)