本發(fā)明涉及主動磁補(bǔ)償系統(tǒng)控制，更具體的說是涉及一種基于相位補(bǔ)償觀測的高動態(tài)擾動抑制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、目前，極弱磁場由于其在基礎(chǔ)物理研究、生物磁場研究、慣性測量等領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢逐漸受到重視。在生物磁場測量領(lǐng)域，組成生命體的細(xì)胞、組織、器官攜帶各不相同的固有電磁能量信息，因此可以通過識別該磁場信息獲取生物組織的磁性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對生命科學(xué)的研究和探索。低頻磁場用于研究細(xì)胞的增殖、分化和活性，已成為遺傳學(xué)、免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的重要技術(shù)和方法，研究低頻極弱磁場對細(xì)胞的影響具有重要意義。
2、為了消除地磁場和外變磁場對細(xì)胞研究的影響，磁屏蔽技術(shù)是重要的技術(shù)手段。磁屏蔽技術(shù)的目標(biāo)是隔離外部磁場的干擾，創(chuàng)造一個內(nèi)部磁場穩(wěn)定且可以精確控制的環(huán)境，以滿足特定應(yīng)用的需求。主動磁補(bǔ)償技術(shù)通過給線圈通入電流信號，在磁屏蔽艙內(nèi)產(chǎn)生與干擾磁場大小相同、方向相反的磁場，從而實(shí)現(xiàn)對干擾磁場的抑制。
3、小型磁屏蔽艙的三軸主動磁補(bǔ)償系統(tǒng)是一個三輸入三輸出系統(tǒng)。由于磁屏蔽裝置的鐵磁材料會改變磁力線流向，造成磁場畸變，導(dǎo)致磁屏蔽艙與線圈之間存在耦合作用，導(dǎo)致擾動抑制響應(yīng)延遲和補(bǔ)償精度下降。
4、因此，如何實(shí)現(xiàn)擾動抑制提高磁屏蔽艙內(nèi)磁場穩(wěn)定性和磁場補(bǔ)償效果是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種基于相位補(bǔ)償觀測的高動態(tài)擾動抑制方法及系統(tǒng)，針對控制系統(tǒng)中帶寬限制與相位滯后導(dǎo)致的響應(yīng)延遲問題提出一種自適應(yīng)相位補(bǔ)償方法有效突破了傳統(tǒng)控制的帶寬限制，同步抵消了相位滯后效應(yīng)，顯著提升了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度及對復(fù)雜工況的適應(yīng)能力。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
3、一種基于相位補(bǔ)償觀測的高動態(tài)擾動抑制方法，包括以下步驟：
4、獲取擾動信號并提取擾動頻譜信息，根據(jù)所述擾動頻譜信息中各頻率分量的能量占比提取主干擾頻率集合，并確認(rèn)各個主干擾頻率點(diǎn)的通道權(quán)重；
5、針對各個主干擾頻率點(diǎn)，分別進(jìn)行相位超前補(bǔ)償，并通過所述通道權(quán)重進(jìn)行加權(quán)并聯(lián)，對控制器的輸出信號中相應(yīng)的頻率通道進(jìn)行相位校正后輸入至被控對象，得到系統(tǒng)輸出。
6、優(yōu)選的，所述提取擾動頻譜信息，步驟包括：
7、設(shè)置多個目標(biāo)擾動頻率點(diǎn)，針對各個所述目標(biāo)擾動頻率點(diǎn)，分別構(gòu)建獨(dú)立的二階lms濾波器，用于估計相應(yīng)的頻率分量干擾信號，計算能量強(qiáng)度；
8、根據(jù)所述擾動信號計算各個所述lms濾波器的估計誤差，并利用最小均方算法動態(tài)更新濾波器權(quán)值，使所述lms濾波器跟蹤鎖定對應(yīng)所述目標(biāo)干擾頻率點(diǎn)的干擾幅度和相位；根據(jù)干擾幅度和相位計算能量強(qiáng)度。
9、優(yōu)選的，所述lms濾波器的輸出為：
10、
11、其中，k表示第k個目標(biāo)干擾頻率點(diǎn)，n表示第n個采樣時刻；表示第k個目標(biāo)干擾頻率點(diǎn)第n個采樣時刻的濾波器輸出；和為第k個lms濾波器的可調(diào)權(quán)系數(shù)；表示第k個目標(biāo)干擾頻率點(diǎn)的角頻率，為采樣周期；
12、所述估計誤差為：
13、
14、其中，為第k個濾波器在時刻n的估計誤差，為第n時刻opm采集到的原始擾動信號。
15、所述利用最小均方算法動態(tài)更新濾波器權(quán)值包括：
16、
17、其中，是lms自適應(yīng)算法的調(diào)節(jié)參數(shù)；
18、第k個頻率點(diǎn)的瞬時能量強(qiáng)度為：
19、
20、其中，為第k個頻率點(diǎn)在時刻n的瞬時能量強(qiáng)度。
21、優(yōu)選的，根據(jù)所述擾動頻譜信息中各頻率分量的能量占比提取主干擾頻率集合，并確認(rèn)各個主干擾頻率點(diǎn)的通道權(quán)重，包括：
22、選擇能量最大的前n個頻率點(diǎn)（）構(gòu)成當(dāng)前主干擾頻率集合，第k個主干擾頻率點(diǎn)的通道權(quán)重為：
23、
24、其中，為所述通道權(quán)重，用于實(shí)時量化主頻率干擾在總干擾能量中的占比，j為主干擾頻率點(diǎn)的變量。
25、優(yōu)選的，針對各個主干擾頻率點(diǎn)，分別進(jìn)行相位超前補(bǔ)償，包括：
26、根據(jù)預(yù)設(shè)的增益約束條件和相位約束條件確認(rèn)補(bǔ)償參數(shù)：
27、通過聯(lián)立兩個約束，確認(rèn)補(bǔ)償參數(shù)，根據(jù)補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償：
28、
29、其中,為補(bǔ)償器函數(shù)，和為不同的補(bǔ)償參數(shù)，s為拉普拉斯變量。
30、優(yōu)選的，步驟還包括：
31、通過掃頻確認(rèn)所述被控對象的傳遞函數(shù)；
32、根據(jù)當(dāng)前時刻的系統(tǒng)輸出信號和相應(yīng)的控制器輸出信號進(jìn)行觀測，結(jié)合所述傳遞函數(shù)，估計系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和集總擾動參數(shù)；
33、構(gòu)建滑模控制器并根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和所述集總擾動參數(shù)結(jié)合預(yù)測的參考輸入輸出下一時刻的控制信號。
34、優(yōu)選的，根據(jù)當(dāng)前時刻的所述擾動信號和相應(yīng)的控制器輸出信號進(jìn)行觀測，估計系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和集總擾動參數(shù)，包括：
35、根據(jù)前時刻的所述擾動信號和相應(yīng)的控制器輸出信號確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)：
36、
37、其中，、和表示不同的系統(tǒng)狀態(tài)變量，x表示三個狀態(tài)變量的集合；，，，為控制驅(qū)動項，為標(biāo)稱增益參數(shù)，u為控制器輸出的控制信號，為當(dāng)前時刻的系統(tǒng)輸出，為綜合擾動項，d為集總擾動；
38、根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)估計。
39、優(yōu)選的，采用復(fù)合擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行所述狀態(tài)估計。
40、優(yōu)選的，構(gòu)建滑模控制器并根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和所述集總擾動參數(shù)結(jié)合預(yù)測的參考輸入輸出下一時刻的控制信號，包括：
41、根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和所述集總擾動參數(shù)確認(rèn)觀測誤差，并分別采用不同的收斂參數(shù)調(diào)控不同觀誤差的收斂速率，并引入切換項增益后得到控制驅(qū)動項；
42、結(jié)合所述標(biāo)稱增益系數(shù)得到下一時刻的控制信號。
43、一種基于相位補(bǔ)償觀測的高動態(tài)擾動抑制系統(tǒng)，采用了上述的高動態(tài)擾動抑制方法，包括系統(tǒng)建模模塊、相位補(bǔ)償模塊、觀測器和滑模控制器。
44、所述系統(tǒng)建模模塊用于根據(jù)被控對象進(jìn)行建模，并確認(rèn)傳遞函數(shù)模型；
45、所述觀測器用于采集系統(tǒng)輸出信號和相應(yīng)的控制器輸出信號進(jìn)行觀測，結(jié)合所述傳遞函數(shù)，估計系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和集總擾動參數(shù)。
46、所述滑模控制器用于根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和所述集總擾動參數(shù)結(jié)合預(yù)測的參考輸入輸出下一時刻的控制信號。
47、所述相位補(bǔ)償模塊用于根據(jù)擾動信息生成相位補(bǔ)償項，并結(jié)合控制信號輸入至被控對象。
48、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開提供了一種基于相位補(bǔ)償觀測的高動態(tài)擾動抑制方法及系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢：
49、1、針對控制系統(tǒng)中帶寬限制與相位滯后導(dǎo)致的響應(yīng)延遲問題提出一種自適應(yīng)相位補(bǔ)償方法。該方法基于lms算法實(shí)時估計擾動頻譜，識別并提取最主要的兩個干擾頻率成分，隨后根據(jù)識別出的干擾頻率下系統(tǒng)的相位裕度與動態(tài)響應(yīng)需求自適應(yīng)調(diào)整相位補(bǔ)償器的參數(shù)，最終構(gòu)成一個加權(quán)并聯(lián)多頻補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。通過動態(tài)分析擾動頻譜特征并調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)，該方法有效突破了傳統(tǒng)控制的帶寬限制，同步抵消了相位滯后效應(yīng)，顯著提升了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度及對復(fù)雜工況的適應(yīng)能力。
50、2、針對系統(tǒng)多軸耦合效應(yīng)、非線性誤差及多源擾動共同作用導(dǎo)致系統(tǒng)建模困難的問題，通過復(fù)合控制架構(gòu)將上述復(fù)雜干擾統(tǒng)一建模為集總擾動項，結(jié)合降階擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ceso）的擾動估計能力與積分滑模控制（ismc）的強(qiáng)魯棒性，在無需精確系統(tǒng)模型的前提下實(shí)現(xiàn)擾動動態(tài)補(bǔ)償，顯著提升控制容錯性。
51、3、針對引入自適應(yīng)相位校正后的階數(shù)增高，狀態(tài)觀測器需嚴(yán)格匹配系統(tǒng)動態(tài)特性且參數(shù)關(guān)聯(lián)性復(fù)雜的缺陷，因此采用ceso，在保留擾動估計精度的同時復(fù)用成熟的二階觀測器調(diào)參規(guī)則，大幅降低工程實(shí)現(xiàn)難度。