专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统及方法，该系统包括：误差计算模块、自适应算法模块、压电陶瓷执行器和滤波器；滤波器包括：第一加法器、多个延迟算子以及多个滤波单元Fi，滤波单元包括：第二加法器、多个自适应加权模块以及多个相同宽度的Backlash算子，各第二加法器的输出端均与第一加法器的输入端连接，第一加法器的输出作为整个滤波器的输出，误差计算模块用于根据两个输入信号确定误差信号，自适应算法模块用于根据误差信号对各自适应加权模块中的权值进行实时调整，利用调整后的滤波器对压电陶瓷执行器进行迟滞补偿，通过本发明中的滤波器降低迟滞特性对压电陶瓷执行器的影响，以提高压电陶瓷执行器的精度。

权利要求

1.一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统，其特征在于，所述迟滞控制系统包括：误差计算模块、自适应算法模块、压电陶瓷执行器和滤波器；

所述滤波器包括：第一加法器、多个延迟算子以及多个滤波单元Fi，其中i＝1,2,3...m；

所述滤波器的输入端分别经过i-1个延迟算子与第i个滤波单元的输入端连接，所述滤波器的输入端、i-1个延迟算子与第i个滤波单元构成一级；

所述滤波单元包括：第二加法器、多个自适应加权模块以及多个相同宽度的Backlash算子，多个相同宽度的Backlash算子形成串联结构，首部Backlash算子的输入端为滤波单元的输入端，首部Backlash算子的输入端信号、尾部Backlash算子的输出端信号以及相邻两个Backlash算子之间的信号被引出，分别连接到各自对应的自适应加权模块的输入端，每个自适应加权模块的输出端均与所述第二加法器的输入端连接；

各所述第二加法器的输出端均与所述第一加法器的输入端连接，所述第一加法器的输出作为整个滤波器的输出；

所述误差计算模块的输出和各所述自适应加权模块连接，所述误差计算模块的一个输入是所述滤波器的期望输出信号即参考信号，所述误差计算模块的另一个输入是实际输出信号，所述实际输出信号为滤波器输出信号或压电陶瓷执行器输出信号；所述误差计算模块用于根据两个输入信号确定误差信号，所述自适应算法模块用于根据所述误差信号对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整，利用调整后的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿；

所述整个滤波器的输出为：

其中W(k)表示k时刻的权值矩阵，O(k)表示k时刻的所述滤波器的各级输出，符号表示哈达玛积，表示将所述矩阵中所有元素进行相加；

其中，wi,j(k)表示第i个所述滤波单元，第j个的所述权值，初始权值设为零，Pi,j(k)为前一列的Pi,j-1(k)经过所述Backlash算子后的输出；

所述误差信号定义为：

其中，yd(k)为输入参考位移信号；

所述根据所述误差信号对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整，所述权值进行更新的表达式为：

其中

μ为更新步长。

2.根据权利要求1所述的矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统，其特征在于，自适应算法模块，根据所述误差，采用LMS算法对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整。

3.一种矩阵型自适应滤波器的迟滞控制方法，应用于如权利要求1-2中任意一项所述的矩阵型自适应滤波器的迟滞控制系统，其特征在于，所述控制方法包括：

将电压信号输入到所述压电陶瓷执行器中，得到第一输出信号；

将所述电压信号输入到所述滤波器中，通过调节所述滤波器中滤波单元个数和/或滤波单元中Backlash算子个数，得到多个第二输出信号；

根据所述第一输出信号和各所述第二输出信号，采用误差计算模块确定多个第一信号误差；

根据各所述第一信号误差，采用均方根误差RMSE准则确定第二信号误差，所述第二信号误差为第一信号误差中的一个；

采用所述第二信号误差对应的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿；

所述整个滤波器的输出为：

其中W(k)表示k时刻的权值矩阵，O(k)表示k时刻的所述滤波器的各级输出，符号表示哈达玛积，表示将所述矩阵中所有元素进行相加；

其中，wi,j(k)表示第i个所述滤波单元，第j个的所述权值，初始权值设为零，Pi,j(k)为前一列的Pi,j-1(k)经过所述Backlash算子后的输出；

所述误差信号定义为：

其中，yd(k)为输入参考位移信号；

所述根据所述误差信号对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整，所述权值进行更新的表达式为：

其中

μ为更新步长。

4.根据权利要求3所述的矩阵型自适应滤波器的迟滞控制方法，其特征在于，所述采用所述第二信号误差对应的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿，具体包括：

将当前时刻指令信号输入到所述第二信号误差对应的滤波器的输入端，得到当前第一信号；

将所述当前第一信号输入到所述压电陶瓷执行器的输入端，得到当前第二信号；

根据所述当前时刻指令信号和所述当前第二信号，采用误差计算模块确定当前误差信号；

根据所述当前误差信号，采用所述自适应算法模块，对当前时刻所述第二信号误差对应的滤波器各所述自适应加权模块中的权值调整，得到调整后滤波器；

将下一时刻指令信号输入到调整后滤波器输入端，得到下一时刻第一信号，跳转至步骤“将所述当前第一信号输入到所述压电陶瓷执行器的输入端，得到当前第二信号”，从而对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

5.根据权利要求3所述的矩阵型自适应滤波器的迟滞控制方法，其特征在于，所述第二信号误差为第一信号误差中取值最小的一个。

说明书

技术领域

本发明涉及迟滞控制技术领域，特别是涉及一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统及方法。

背景技术

随着科技的发展，纳米定位技术和纳米传感技术逐渐应用于各种微纳操作中，其中压电陶瓷执行器由于其具有较高的精度，速度而被广泛应用。但是在实际应用，由于该类材料存在非线性、迟滞、蠕变等特性，造成系统的重复定位精度较差。其中迟滞非线性对系统的精度影响较为明显，其表现在于：记忆特性，输出信号取决于当前输入信号值和历史输入值，多值映射特性，相同的输入信号可能对应不同的输出信号。

为了降低迟滞特性对压电陶瓷执行器的影响，目前主要是通过使用直接逆控制，反馈控制，前馈-反馈控制三种，大部分使用的控制器是通过建立精确的迟滞非线性的模型，通过迟滞模型对压电陶瓷执行器进行迟滞补偿控制。现有迟滞非线性模型有基于输入输出现象解释的Preisach、Prandtl-Ishlinskii、Bouc-Wen、神经网络模型、支持向量机、段相似模型等，还有基于物理原理解释的MAXWELL等模型。其中Preisach模型使用迟滞算子，可以根据输入输出模拟迟滞结构，原理简单，有较好的拟合效果，被广泛应用。PI模型是将Preisach模型中的迟滞算子替换成Backlash迟滞元模型，由于Backlash算子具有记忆历史输入的特性，所以提高了建模精度，但是此类模型较为复杂。而神经网络和支持向量机等机器学习模型使用输入输出的数据作为训练集，然后来预测系统的输出，但是容易陷入局部最优和过拟合的问题。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统及方法，通过自适应滤波器降低迟滞特性对压电陶瓷执行器的影响，以提高压电陶瓷执行器的精度。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统，所述迟滞控制系统包括：误差计算模块、自适应算法模块、压电陶瓷执行器和滤波器；

所述滤波器包括：第一加法器、多个延迟算子以及多个滤波单元F_i，其中i＝1,2,3...m；

所述滤波器的输入端分别经过i-1个延迟算子与第i个滤波单元的输入端连接，所述滤波器的输入端、i-1个延迟算子与第i个滤波单元构成一级；

所述滤波单元包括：第二加法器、多个自适应加权模块以及多个相同宽度的Backlash算子，多个相同宽度的Backlash算子形成串联结构，首部Backlash算子的输入端为滤波单元的输入端，首部Backlash算子的输入端信号、尾部Backlash算子的输出端信号以及相邻两个Backlash算子之间的信号被引出，分别连接到各自对应的自适应加权模块的输入端，每个自适应加权模块的输出端均与所述第二加法器的输入端连接；

各所述第二加法器的输出端均与所述第一加法器的输入端连接，所述第一加法器的输出作为整个滤波器的输出；

所述误差计算模块的输出和各所述自适应加权模块连接，所述误差计算模块的一个输入是所述滤波器的期望输出信号即参考信号，所述误差计算模块的另一个输入是实际输出信号，所述实际输出信号为滤波器输出信号或压电陶瓷执行器输出信号；所述误差计算模块用于根据两个输入信号确定误差信号，所述自适应算法模块用于根据所述误差信号对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整，利用调整后的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

可选的，所述整个滤波器的输出为y(k)＝sum(W(k)οO_k)，其中W(k)表示k时刻的权值矩阵，O(k)表示k时刻的滤波器的各级输出，符号ο表示哈达玛积。

可选的，所述计算误差模块用于计算期望输出信号y_d(k)与实际输出信号y(k)的误差，即e(k)＝y_d(k)-y(k)。

可选的，自适应算法模块，根据所述误差，采用LMS算法对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整。

一种矩阵型自适应滤波器的迟滞控制方法，所述控制方法包括：

将电压信号输入到所述压电陶瓷执行器中，得到第一输出信号；

将所述电压信号输入到所述滤波器中，通过调节所述滤波器中滤波单元个数和/或滤波单元中Backlash算子个数，得到多个第二输出信号；

根据所述第一输出信号和各所述第二输出信号，采用误差计算模块确定多个第一信号误差；

根据各所述第一信号误差，采用均方根误差RMSE准则确定第二信号误差，所述第二信号误差为第一信号误差中的一个；

采用所述第二信号误差对应的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

可选的，所述采用所述第二信号误差对应的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿，具体包括：

将当前时刻指令信号输入到所述第二信号误差对应的滤波器的输入端，得到当前第一信号；

将所述当前第一信号输入到所述压电陶瓷执行器的输入端，得到当前第二信号；

根据所述当前时刻指令信号和所述当前第二信号，采用误差计算模块确定当前误差信号；

根据所述当前误差信号，采用所述自适应算法模块，对当前时刻所述第二信号误差对应的滤波器各所述自适应加权模块中的权值调整，得到调整后滤波器；

将下一时刻指令信号输入到调整后滤波器输入端，得到下一时刻第一信号，跳转至步骤“将所述当前第一信号输入到所述压电陶瓷执行器的输入端，得到当前第二信号”，从而对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

可选的，所述第二信号误差为第一信号误差中取值最小的一个。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统及方法，该系统包括：误差计算模块、自适应算法模块、压电陶瓷执行器和滤波器；滤波器包括：第一加法器、多个延迟算子以及多个滤波单元F_i，滤波单元包括：第二加法器、多个自适应加权模块以及多个相同宽度的Backlash算子，各第二加法器的输出端均与第一加法器的输入端连接，第一加法器的输出作为整个滤波器的输出，误差计算模块用于根据两个输入信号确定误差信号，自适应算法模块用于根据误差信号对各自适应加权模块中的权值进行实时调整，利用调整后的滤波器对压电陶瓷执行器进行迟滞补偿，通过本发明中的滤波器降低迟滞特性对压电陶瓷执行器的影响，以提高压电陶瓷执行器的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例Backlash算子的传输特性图；

图2为本发明实施例自适应矩阵型滤波器及误差计算模块的结构示意图；

图3为本发明实施例采用自适应矩阵型滤波器的建模框图；

图4为本发明实施例采用自适应矩阵型滤波器补偿框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统及方法，通过自适应滤波器降低迟滞特性对压电陶瓷执行器的影响，以提高压电陶瓷执行器的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例Backlash算子的传输特性图，图2为本发明实施例自适应矩阵型滤波器及误差计算模块的结构示意图，如图1-图2所示，一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统，所述迟滞控制系统包括：误差计算模块、自适应算法模块、压电陶瓷执行器和滤波器；所述滤波器包括：第一加法器、多个延迟算子以及多个滤波单元F_i，其中i＝1,2,3...m；

所述滤波器的输入端分别经过i-1个延迟算子与第i个滤波单元的输入端连接，所述滤波器的输入端、i-1个延迟算子与第i个滤波单元构成一级；

所述滤波单元包括：第二加法器、多个自适应加权模块以及多个相同宽度的Backlash算子，多个相同宽度的Backlash算子形成串联结构，首部Backlash算子的输入端为滤波单元的输入端，首部Backlash算子的输入端信号、尾部Backlash算子的输出端信号以及相邻两个Backlash算子之间的信号被引出，分别连接到各自对应的自适应加权模块的输入端，每个自适应加权模块的输出端均与所述第二加法器的输入端连接；

各所述第二加法器的输出端均与所述第一加法器的输入端连接，所述第一加法器的输出作为整个滤波器的输出；

所述误差计算模块的输出和各所述自适应加权模块连接，所述误差计算模块的一个输入是所述滤波器的期望输出信号即参考信号，所述误差计算模块的另一个输入是实际输出信号，所述实际输出信号为滤波器输出信号或压电陶瓷执行器输出信号；所述误差计算模块用于根据两个输入信号确定误差信号，所述自适应算法模块用于根据所述误差信号对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整，利用调整后的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

作为本发明的一种实施例，本发明所述整个滤波器的输出为y(k)＝sum(W(k)οO_k)，其中W(k)表示k时刻的权值矩阵，O(k)表示k时刻的滤波器的各级输出，符号ο表示哈达玛积。

作为本发明的一种实施例，本发明所述计算误差模块用于计算期望输出信号y_d(k)与实际输出信号y(k)的误差，即e(k)＝y_d(k)-y(k)。

作为本发明的一种实施例，本发明自适应算法模块，根据所述误差，采用LMS算法对各所述自适应加权模块中的权值进行实时调整。

一种矩阵型自适应滤波器的迟滞控制方法，所述控制方法包括：

将电压信号输入到所述压电陶瓷执行器中，得到第一输出信号；

将所述电压信号输入到所述滤波器中，通过调节所述滤波器中滤波单元个数和/或滤波单元中Backlash算子个数，得到多个第二输出信号；

根据所述第一输出信号和各所述第二输出信号，采用误差计算模块确定多个第一信号误差；

根据各所述第一信号误差，采用均方根误差RMSE准则确定第二信号误差，所述第二信号误差为第一信号误差中的一个；

采用所述第二信号误差对应的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

作为本发明的一种实施例，本发明所述采用所述第二信号误差对应的滤波器对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿，具体包括：

将当前时刻指令信号输入到所述第二信号误差对应的滤波器的输入端，得到当前第一信号；

将所述当前第一信号输入到所述压电陶瓷执行器的输入端，得到当前第二信号；

根据所述当前时刻指令信号和所述当前第二信号，采用误差计算模块确定当前误差信号；

根据所述当前误差信号，采用所述自适应算法模块，对当前时刻所述第二信号误差对应的滤波器各所述自适应加权模块中的权值调整，得到调整后滤波器；

将下一时刻指令信号输入到调整后滤波器输入端，得到下一时刻第一信号，跳转至步骤“将所述当前第一信号输入到所述压电陶瓷执行器的输入端，得到当前第二信号”，从而对所述压电陶瓷执行器进行迟滞补偿。

作为本发明的一种实施例，本发明所述第二信号误差为第一信号误差中取值最小的一个。

下面对各部分进行详细介绍：

本发明解决的技术问题是：对于压电陶瓷执行器存在迟滞特性造成的重复定位精度较差的问题，需要一种迟滞控制系统提高压电陶瓷执行器的精度。如果对于一输入的参考位移信号y_d，控制器可以给出相应的控制信号u，使得压电陶瓷执行器的输出与参考的位移信号相等，即y＝y_d，从而使得系统输出可以精确跟踪参考位移信号。

首先对Backlash算子进行说明，如图1所示为Backlash算子的传输特性图，Backlash算子的输出满足下式：

其中u(t)是t时间的输入，r是Backlash算子的阈值，p_r[u(t-)]表示Backlash算子的输出信号与上一时刻的输出信号相同，Backlash算子的输出可以写成以下离散形式：

其中，Δu(k)表示k时刻与k-1时刻的差值。由于Backlash算子具有记忆输入的特性，所以可以用来组成自适应滤波器来对压电陶瓷执行器进行建模。

如图2所示，首先n个Backlash算子首尾相连，得到基于Backlash算子的FIR滤波器，然后使用延迟算子Z^-1将对应的滤波单元进行连接，来提高对非局部记忆特性的建模能力，其中，u(k)表示k时刻的输入信号，u(k-1)表示k-1时刻的输入信号，即采用一个延迟算子得到的信号，u(k-m)表示k-m时刻的输入，即采用m个延迟算子得到的信号。

所述整个滤波器的输出为：

y(k)＝sum(W(k)οO_k)

其中W(k)表示k时刻的权值矩阵，O(k)表示k时刻的滤波器的各级输出，符号ο表示哈达玛积即两矩阵对应元素进行相乘，sum(ο)表示将矩阵所有元素进行相加。

其中，w_i,j(k)表示第i个滤波单元，第j个的权值，初始权值设为零， 为前一列的 经过Backlash算子后的输出，若j＝2,则为u(k-i+1)经过Backlash算子的输出。

k时刻的系统误差定义为：

e(k)＝y_d(k)-y(k)＝y_d(k)-sum(W(k)οO(k))

可将权重矩阵和滤波器输出矩阵写为以下向量形式：

则误差可写为以下形式：

图3为本发明实施例采用自适应矩阵型滤波器的建模框图，如图3所示，其步骤为：

将电压信号输入到所述压电陶瓷执行器中，得到第一输出信号即实际的位移信号。

将得到的压电陶瓷执行器的实际输入输出信号通过自适应滤波器进行对压电陶瓷执行器的迟滞建模，如图3所示，将实验中的电压作为输入信号，然后使用滤波器的输出信号与实际的压电陶瓷输出信号的误差来对权值进行更新。LMS算法是自适应滤波器更新的常用算法，其核心是利用瞬时误差值e(k)来得到对权值的梯度向量 其表示为：

权值更新的表达式为：

其中μ为更新步长，其决定了LMS算法对权值的收敛速度和稳定性，若μ较大，则更新速度快，但是容易出现震荡导致不能收敛，反之若μ较小，则收敛速度较慢，使得系统需要很长时间进行过渡，所以需要综合收敛速度和稳定性选择合适的更新步长。

使用不同滤波单元个数、不同Backlash算子个数，更新步长不同的矩阵型滤波器来对压电陶瓷执行器进行迟滞建模，综合建模效果和滤波器的复杂度选择最优结构，一般建模和控制效果选择均方根误差RMSE作为判别准则，其计算公式为：

其中，l表示控制或建模时间，一般而言，使用较多的滤波单元和Backlash算子可以获得较高的控制精度，但是如果模型太过复杂会造成过拟合现象，从而使得控制效果变差，本发明中选择误差最小值、建模时间短的滤波器作为最优滤波器结构。

通过上述方法中得到的最优迟滞建模的滤波器结构作为自适应控制器对压电陶瓷执行器进行迟滞补偿控制。图4为本发明实施例采用自适应矩阵型滤波器补偿框图，如图4所示，使用参考输入位移信号y_d(k)作为滤波器的输入信号，滤波器的输出信号作为控制电压信号u(k)，将参考位移信号y_d(k)和压电陶瓷实际位移信号y(k)的误差来自适应更新权值。

本发明通过使用Backlash算子和延迟算子来组成矩阵型滤波器，并通过误差信号来动态更新输出权重，在压电陶瓷驱动的工作过程中自适应地进行精确的建模和控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：解决了现有基于Backlash算子的自适应FIR滤波器不能处理非局部记忆特性的缺点，通过使用延迟算子将多个自适应FIR滤波器进行连接，提高建模精度及控制效果。

由于自适应滤波器控制可以根据系统的实际运行情况，自适应调整控制器的参数，相比于静态控制器有较高的适应性和控制性能，而Backlash算子有记忆历史输入的特性，所以使用一种基于Backlash算子和延迟算子的矩阵型自适应滤波器对压电执行器进行高精度控制。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

一种矩阵型自适应滤波器迟滞控制系统及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。