一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器的製作方法

2023-05-16 10:03:11 2

專利名稱：一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器，涉及生物發酵反應模型的參數辨識，同也可用於生物醫學、通信、勘探、化工過程、航空航天等多種領域和技術中估計系統模型參數辨識。
技術背景雙率採樣的系統是一類極其普遍的系統，廣泛存在於各種工業過程中，得到了許多學者的研究，並取得了一定的成果(丁鋒，陳通文，蕭德雲。一般雙率隨機系統狀態空間模型及其辨識。自動化學報，2004 30(5) :652-663).生物發酵反應是極其複雜的生化過程，為了進一步優化發酵過程，人們在改進發酵工藝和設備的同時，不斷注重發酵過程的監測和控制，並取得了一定的成果(王斌，王孫安，劉曙.一類生物發酵過程的非線系統建模方法。紡織高校基礎科學學報，2005，18 (I)78-82)。由於對生化反應過程參數(如菌體濃度、代謝產物濃度和菌體比生長速率等)的測量困難，且數據經常不可得，所以現階段一般使用發酵過程的溫度、PH值和溶氧值來表徵發酵過程狀態，並通過它們來獲得較好的發酵效果。溫度是影響生化反應過程的一個重要變量，溫度過高將導致生物發酵菌種死亡，影響產品的質量；溫度過低則發酵速度慢，生產周期長，生產效率低，同時溫度對PH值和溶氧值也會產生一定影響。所以，在發酵過程中對溫度的監測顯得相當重要。同時由於發酵過程是一個具有非線性的複雜生化反應，影響發酵溫度的因素很多，如微生物發酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度變化以及周圍環境溫度的改變等，因此一般的單率採樣線性系統不能刻畫整個系統的特性，此時就需要建立雙採樣率哈馬斯坦模型描述整個生物發酵反應的溫度和反應產物非線性關係，並對雙率採樣哈馬斯坦模型的參數進行辨識。
發明內容本實用新型的目的是提出了一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器。針對生物發酵反應的溫度和反應產物非線性關係建立雙採樣率哈馬斯坦非線性模型，並對採用雙率採樣哈馬斯坦模型的參數進行辨識。為了實現上述目的，本實用新型通過多項式變換技術重構了不同頻率的輸入輸出信號，使之成為能用於辨識的輸入輸出信號，並用遞推最小算法對雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型進行參數辨識。本實用新型的估計模型和原理如下對於輸入溫度米樣信號序列u (k),經過未知參數系統P = b (z)/a (Z)後,其反應產物輸出採樣信號序列I (k)。假設系統噪聲為V (k)，則有哈馬斯坦模型a{z)y{kq) = b(z)u(k) + v(kq)，其中 ^)ΚΑ:) + ￥2(Α) + ··· + ^ Α)是對輸入溫度採樣信號序列u(k)的非線性表達。由於輸入溫度信號序列u (k)和反應產物輸出信號序列y(kq)的米樣頻率不同,系統參數不可辨識，所以需要對哈馬斯坦模型進行雙率提升，得到雙率哈馬斯坦模型y(kq) = [I - a{z)]y{kq) + β(ζ) (k) + v(kq)，其中α (ζ) = a(z) Φ,, β (ζ) = b (ζ) Φ5, Φ q 為提升因子。對雙率哈馬斯坦模型的參數用遞推最小二乘算法進行辨識，估計系統參數S(kq) = 9{kq-q) + P{kq)φ(kq)[y{kq)-ψτ(kq)3(kq-g)]，P-1 (kq) = P-1 (kq—q) + ΦT (kq) Φ (kq)。本實用新型適用於生物發酵過程建模。同時本專利的思想可用於採用雙率採樣哈馬斯坦模型的生物醫學、通信、勘探、化工過程、航空航天等多種領域用於估計其它未知系統模型參數。

圖I為本專利參數辨識器技術框圖。如圖所示，本專利技術包括4個模塊，其中模塊2，3為該專利技術與常規技術不同之處。圖2在不同噪聲條件下雙率哈馬斯坦模型的參數估計誤差圖，誤差計算公式為5=|p-0||/||列，圖中實線表示在均方差。=0.50的噪聲條件下參數辨識的精度，虛線表示在均方差σ = 2.00的噪聲條件下參數辨識的精度。由圖2可知，本專利技術能得到雙率哈馬斯坦模型的參數估計，而且辨識精度跟
噪聲大小有關。
具體實施方式
下面通過具體的實施對本實用新型的技術方案做進一步的描述。具體步驟為I :通過採樣器採集溫度信號序列U (k)和反應產物輸出信號序列y (kq)。2 :對於輸入溫度採樣信號序列u(k)，經過未知參數系統P = b(z)/a(z)後，其反應產物輸出採樣信號序列y(kq)。假設系統噪聲為v(kq)，則有哈馬斯坦模型a(z)y(kq) = b(z)u(k) + v(kq)，其中 wW = cxu{k) + c2u2{k)A----- ·<^ζΛ(Α)是對輸入溫度米樣信
號序列u(k)非線性表達。3 :由於輸入溫度信號序列u (k)和反應產物輸出信號序列y(kq)的米樣頻率不同，系統參數不可辨識，所以需要對哈馬斯坦模型進行雙率提升，得到雙率哈馬斯坦模型y{kq) = [I - a{z)]y{kq) + p{z)u{k) + v{kq)，其中α (ζ) = a(z) Φ,, β (ζ) = b (ζ) Φ5, Φ,為提升因子。上式展開為
Cy{kq) = [ cJXu{kq)] + Α (^-1) + ··· + pnqu {kq - nq)
/=1-ccxy{kq-q)-a2y{kq -2q)-----any{kq - nq)，此時參數向量[0032]Θ [Cti，Q 2 j ···，n βι，β 2 ···，β 叫，Cl，。2，···，Cn]，信息向量φ{Μ) = [y(kq — q), y{kq - 2q), ···, y(kq - nq), f[u(kq — I)], f[u{kq -2)],···f[u(kq - nq)], cxu{kq), C2U2 (kq), · · ·, c eu"c {kq)]。4:對雙率哈馬斯坦模型的參數用遞推最小二乘算法進行辨識，估計系統參數0(kq),6{kq) = d(kq -q) + P(kq^(kq)[y(k) - φτ (kq)3(kq -《)]，P-1 (kq) = P_1 (kq-q) + ΦT (kq) Φ (kq)。
權利要求1.本發明涉及一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器，其特徵在於，獲取輸入米樣信號u(k)和反應產物輸出米樣信號y (kq),根據輸入輸出信號建立哈馬斯坦模型；構造雙率哈馬斯坦模型；對雙率哈馬斯坦模型的參數用遞推最小二乘算法進行辨識。
2.根據權利要求I所述的一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器，所述根據輸入輸出信號建立哈馬斯坦模型，具體為對於輸入米樣信號序列u(k)，經過未知參數系統P = ■^後，其反應產物輸出採樣信號序列y(kq)，q為輸出 a(z)採樣間隔，系統噪聲為v (kq)，則有哈馬斯坦模型a(z)y(kq) = b(z)u(k) + v(kq)，其中u(k) -C1U(IC) + C2U2(灸)+ …+ c」 ~(幻是對輸入溫度採樣信號序列U(k)非線性表達。
3.根據權利要求I所述的一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器，所述構造雙率哈馬斯坦模型，具體為由於輸入信號序列U(k)和反應產物輸出信號序列y(k)的採樣頻率不同，系統參數不可辨識，所以需要對哈馬斯坦模型進行雙率提升，得到雙率哈馬斯坦模型少(句) = P-句)+ #0)反(句)+ V(句)，其中 a (z) = a(z) q, 為提升因子。
專利摘要本實用新型提供了一種採用雙率採樣的哈馬斯坦非線性模型的參數辨識器。該參數辨識器通過多項式變換技術重構了不同採樣頻率的輸入輸出信號，使之成為能用於辨識的輸入輸出信號，並用過參數化技術和遞推最小算法對雙率採樣哈馬斯坦非線性模型進行參數辨識。本實用新型解決了不同採樣頻率下的哈馬斯坦非線性模型的參數不可辨識的問題。本實用新型可以應用於生物發酵過程建模。
文檔編號G06F17/50GK202758355SQ20122031968
公開日2013年2月27日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者潘豐, 周林成, 李向麗 申請人:江南大學