參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法
2023-05-08 12:50:21 3
專利名稱：參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法
技術領域：
本發明涉及一種參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，尤其涉及一 種基於自適應濾波控制最小均方算法的壓電智能結構振動主動控制方法。
背景技術：
智能結構代表著21世紀材料與結構發展的一個新方向，特別在振動主動控制領 域具有非常誘人的前景，目前已成為振動工程界的研究熱點。主動減振智能結構是智能材 料結構研究的重要內容之一，它利用埋入結構中的傳感器監測結構的振動狀況，根據一定 的控制規律去實時控制埋入結構中的驅動器以改變結構的振動狀態，達到自適應抑制結構 振動響應的目的，從而提高了結構的性能和安全性，延長了其使用壽命。壓電材料由於存 在正逆壓電效應，不僅能用作機敏傳感材料，而且可作為智能致動或驅動元件，並具有低功 耗、電操作、頻帶寬和力由自身內部產生的優異特性，因此非常適合航空航天結構監測與控 制的需要，例如在臨近空間飛行器結構振動主動控制中應用。基於壓電智能結構的振動主動控制方法幾乎涉及到現代控制理論的所有分支，並 在此基礎上發展了多種振動主動控制方法，其中模態控制、極點配置和最優控制方法都是 基於受控結構精確模型的振動控制方法，因此在應用上具有很大的局限性。目前，以基於最 小均方XLMS算法的自適應濾波控制方法研究獲得廣泛關注，並在實驗中取得了較好的控 制效果，其控制策略的實質為首先以濾波器的形式建立受控結構系統和控制器的數學模 型，確定受控結構系統模型參數，再用數位訊號處理技術求得最優控制器參數，實現的核心 是自適應控制算法，它根據測得的新信息實時調整控制器參數，保證控制效果始終趨於最 優。但該方法實施過程中存在一個嚴重的缺陷，即算法過程需要預知與外激擾信號相關的 參考信號；考慮到實際振動控制系統中，一般情況下很難預知外激擾信號並能夠有效提取 該信號作為參考信號進入控制器算法進程，由此導致常規的自適應濾波控制方法在實際適 用性和實用性上存在重大不足。如何在壓電智能結構振動控制過程中獲取準確的參考信 號，成為自適應濾波控制方法擴大使用領域和實用化的一個核心問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，尤 其是基於壓電機敏元件的自適應濾波前饋控制最小均方算法的振動主動控制方法，該方法 通過從壓電智能振動結構中直接提取振動響應殘差信號，進而基於控制器結構和算法過程 數據構造出參考信號，滿足與激擾信號的相關性並進入算法控制過程。解決了在實際壓電 智能結構振動主動控制系統中很難獲得準確的參考信號的難題，為自適應濾波控制方法工 程實用化提供了有益的技術方法思路。為達到上述目的，該發明採用如下技術方案
一種參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，其特徵是直接利用壓電智能結構振動實驗平臺，實現自適應濾波控制方法中參考信號自提取的方案；該方法以抵消外 擾引起的受控結構振動響應為出發點，控制器根據誤差傳感器的採集信號，輸出控制信號 給作動器，使其產生控制力作用於受控對象，使受控對象的振動響應與外擾響應相抵消，達 到消除或減小受控對象振動響應的目的，實現了多通道壓電智能振動主動控制方法；控制 器的輸出信號經過控制通道辨識模型的濾波與振動響應殘差信號合成，其合成後的信號就 是整個控制算法的參考信號，從而實現了參考信號的自提取目的；為實現上述技術特徵，該 方法具體操作步驟如下
(1)對控制通道進行模型辨識，求出模型辨識參數
成I 所述的對控制通道進行模型辨識包括以下步驟
①設置辨識模型濾波器階數、步長因子、辨識誤差臨界值，選取激振信號為參考信號。②設置激振頻率，開啟激振器，使壓電智能結構處於持續振動狀態。③利用最小均方誤差算法進行模型濾波器權值調整。(2)設置控制算法相應的參數和初始值控制結構濾波器階數、步長因子，參考信 號:m的初值選為隨機噪聲信號。(3)實時合成參考信號，並帶入控制算法，實現參考信號自提取目的濾波器的輸 出經過控制通道辨識模型鳥⑷，與結構振動響應信號合成得到參考信號樹約，
採用街約實時更新參考信號,具體詳細過程如下
根據^r濾波器特性，得控制器輸入/輸出關係 Y(k)=W(k)Z(k)(ι)
式(1)中,(幻為濾波器加權係數。
k時刻的估計函數為
+ 1) = 4(2)7(1) + 5(^)(2)
根據上述步驟(1)模型辨識參數
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式的進一步的展開式
非+ 1)
L
(λ· + ι)
權利要求
1.一種參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，尤其是基於自適應濾波控 制最小均方算法的壓電智能結構振動主動控制方法，其特徵在於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)設置控制算法相應的參數和初始值；(3)實時合成參考信號，並帶入控制算法，實現參考信號自提取目的；(4)依照最小均方算法對控制器加權係數進行修正，直至振動響應幅度被有效地抑制；(5)實時保存相關數據，為實驗分析做準備。
2.根據權利要求1所述的參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，其特徵 在於所述步驟(1)對控制通道進行模型辨識包括以下步驟①設置辨識模型濾波器階數、步長因子、辨識誤差臨界值，選取激振信號為參考信號；②設置激振頻率，開啟激振器，使壓電智能結構處於持續振動狀態；③利用最小均方誤差算法進行模型濾波器權值調整。
3.根據權利要求1所述的一種參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，其 特徵在於所述步驟(2)設置控制算法相應的參數和初始值為控制結構濾波器階數、步長因子，參考信號的初值選為隨機噪聲信號。
4.根據權利要求1所述的參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，其特徵 在於所述步驟(3)實時合成參考信號，並帶入控制算法，實現參考信號自提取目的濾波器的輸出ilt)經過控制通道辨識模型良⑷，與結構振動響應信號對均合成得到街λ)，採用所約實時更新參考信號IM。
5.根據權利要求1所述的參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，其特徵 在於所述步驟(4)依照最小均方算法對控制器加權係數進行修正，直至振動響應幅度被有 效地抑制控制器加權係數更新的為W(k +1) = W(k) - μΧ1 (k)E(k)其中rifc)、ir(t+i)分別為i、i +1時刻的加權係數，μ為步長因子，為的轉置，1它)為參考信號I⑷經象(ζ)得到，對.t)為振動響應信號。
6.根據權利要求1所述的參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，其特徵 在於所述步驟(5)實時保存相關數據，為實驗分析做準備採用二進位格式保存數據，將其 轉化為TXT文件，用Matlab進行實驗數據分析。
全文摘要
本發明的目的是提供一種參考信號自提取的壓電智能結構振動主動控制方法，尤其基於自適應濾波控制最小均方算法的壓電智能結構振動主動控制方法，它是直接利用壓電智能結構振動主動控制試驗平臺，實現參考信號自提取的自適應濾波振動主動控制；該方法通過從壓電智能振動結構中直接提取振動響應殘差信號，進而基於控制器結構和算法過程數據構造出參考信號，滿足與激擾信號的相關性並進入算法控制過程。解決了在實際壓電智能結構系統中很難獲得準確的參考信號的難題，為結構振動自適應濾波控制方法的實用化提供了有益的技術方法思路。
文檔編號H03H21/00GK102142830SQ20111003288
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月31日 優先權日2011年1月31日
發明者張合生, 易金聰, 曾祥強, 朱曉錦, 高守瑋, 高志遠, 黃全振 申請人:上海大學