线性系统辨识经典方法.ppt

第三章 线性系统辨识经典方法,3-1 基本思路 实验求得系统阶跃响应、脉冲响应、频率特性等 建立系统的非参数模型 进而求取系统的参数模型 3-2 阶跃响应法 3-3 频率特性法 3-4 相关分析法,3-2 阶跃响应法,阶跃响应法 在被辨识对象上施加确定的瞬变扰动测取阶跃响应曲线 允许阶跃输入：阶跃扰动 不允许阶跃输入：矩形脉冲扰动 试验往往不允许大幅度扰动，所测信号的信噪比一般比较小，测得的曲线混有干扰，难以分辨 实际过程的辨识中，阶跃响应法通常能够提供对所辨识对象的初始估计,3-2 阶跃响应法,阶跃响应曲线的测取 方波输入：u(t) u(t)=u1(t)+u2(t) u1(t)：阶跃输入 u2(t)=-u1(t-) 方波输出：y*(t) y(t)：阶跃输出 y(t)=y*(t) t y(t)=y*t+y(t-) t,3-2 阶跃响应法,由阶跃响应确定系统的传递函数 假设传递函数的结构已知 利用少量特征参数确定传递函数的参数 试探法 阶跃曲线形状分析：一阶惯性环节、二阶惯性环节、具有纯滞后的一阶惯性环节 确定传递函数的参数，并检查数据拟合情况 如拟合不理想，则重新试探,3-2 阶跃响应法,一阶惯性环节 对T的检验,y(t),y0,u0,u(t),0.63y0,T 2T 3T,3-2 阶跃响应法,带纯滞后的一阶惯性环节,3-2 阶跃响应法,二阶环节 阶跃响应：,3-3 频率特性法,频率特性是描述动态系统的非参数模型 频率特性的测取 正弦波法 矩形波法 从频率特性得到系统传递函数 幅相特性 对数频率特性,3-3 频率特性法,单一正弦波法 在待测系统输入端加上某个频率的正弦信号，记录输出达到稳态后输出的振荡波形 对于线性系统，得到的是一个与输入同频率的、但幅值与相位发生变化的正弦波，根据幅值比和相位移，可得到线性系统的频率特性 使用正弦波法可测出系统的带宽，当增加输入正弦信号频率至max时，系统输出幅值将趋近于零 此法对缓慢响应过程非常费时，此时可利用线性系统符合叠加原理的特点，采用组合正弦信号,3-3 频率特性法,组合正弦波法 在待测系统输入端加上频率、幅值均已知的组合正弦波 在稳态下测取输出组合波，再利用傅氏变换对输出组合波作分解,3-3 频率特性法,矩形波法 若难以产生正弦波，则可以使用矩形波输入信号 输入信号的傅立叶级数分解：高次谐波可以忽略,3-3 频率特性法,幅相特性求传递函数 一阶惯性环节,3-3 频率特性法,幅相特性求传递函数 二阶环节 幅相特性分布在两个象限 =/2, r(w)r(0)/2,3-3 频率特性法,幅相特性求传递函数 带纯滞后的一阶惯性环节,3-3 频率特性法,幅相特性求传递函数 带纯滞后的二阶环节，阻尼系数为1,3-3 频率特性法,对数频率特性求传递函数 一阶环节或一阶滞后环节,3-3 频率特性法,对数频率特性求传递函数 二阶环节或二阶滞后环节,3-4 相关分析法,阶跃响应法、频率特性法 对于高信噪比情况比较有效，而工程实际中噪声不可避免 采用阶跃输入、矩形脉冲输入、正弦波输入、矩形波输入 得到阶跃响应、频率特性 相关分析法 具有抗干扰性 采用伪随机输入 得到脉冲响应,3-4 相关分析法,相关分析法的基本原理 辨识要解决的问题是：从u(t)，y(t)估计g(t),可测输入,过程噪声,可测输出,3-4 相关分析法,相关分析法的基本原理 假设u(t)为具有各态历经性的平稳随机过程，则因为系统为线性定常系统，故u(t)的响应y(t)在过渡过程结束后也是平稳随机过程。 若噪声(t)与u(t)统计独立，且有：,3-4 相关分析法,那么有： 则u(t)与y(t)的互相关函数为：,3-4 相关分析法,因为g()为确定性的，故： 称为Wiener-Hopf方程。因u(t)与(t)统计独立，故有Ruy()=Ruz()，以此为基础的方法具有抗扰性 若输入u(t)为白噪声信号，那么： 白噪声输入信号的优良特性：激发所有频段；通常与过程噪声无关,3-4 相关分析法,伪随机二位式序列 通常不希望系统输入为白噪声 实际系统均为有限频谱，故构造在有限频段内满足白噪声要求的信号即可 伪随机二位式序列：离散、周期、准白噪声 序列只取值a，-a，故称为二位式；出现次数近似相等，可以满足均值为零的要求 自相关函数在原点最大，离开原点迅速下降，可以近似为冲击函数 典型实例：M序列和逆重复M序列,3-4 相关分析法,利用伪随机二位式序列辨识的步骤 估计辨识对象的频率宽度、过渡过程时间、线性工作范围，用于设计测试信号 设计所需的伪随机二位式序列，如M序列或逆重复M序列 测试若干个随机二位式序列 理论上系统的输出为输入信号的平均功率谱密度乘以系统的脉冲响应函数。由此估计系统的脉冲响应函数 利用系统的脉冲响应函数计算传递函数,3-5 小结,经典的线性系统辨识方法 阶跃响应法、频率响应法、相关分析