Способ идентификации линейного объекта
Изобретение относится к технической кибернетике и предназначено для идентификации линейных динамических объектов со случайным стационарным или нестационарным входным воздействием. Технический результат заключается в повышении точности и надежности. Способ заключается в том, что измеряют значения вход-выходных сигналов объекта, вычисляют структурные функции сигналов, сглаживают значения структурных функций с помощью фильтра низких частот, аппроксимируют непрерывной дробью модели структурных функций вход-выходных сигналов и определяют с помощью полученных моделей стационарность каждого из сигналов, причем осуществляют стационаризацию вход-выходных сигналов в случае их нестационарности с помощью разностных преобразований, подают значения вход-выходных сигналов на идентификатор непрерывной дроби с последующим восстановлением прогнозирующей модели идентифицируемого объекта и определяют по ней модельные значения выходного сигнала объекта идентификации. 10 ил.
Изобретение относится к технической кибернетике и предназначено для идентификации линейных динамических объектов со случайным входным воздействием. Способ может быть применен для определения математической модели объекта на основе дискретной информации о сигналах на его входе и выходе и реализован с использованием ЭВМ в автоматическом режиме, в реальном масштабе времени.
Известен способ идентификации линейных объектов управления (патент RU 2079870, МПК G 05 В 23/02, опубл. 20.05.97) на основе рекуррентного оценивания в условиях неопределенности порядка модели объекта управления и при воздействии помех. Сущность аналога состоит в том, что переход от дифференциального уравнения, оценивающего динамику исследуемого объекта, к алгебраическому уравнению с непрерывно формируемыми коэффициентами осуществляется путем фильтрации входного и выходного контролируемых сигналов объекта системой линейных фильтров, причем множество сечений алгебраического уравнения образует систему линейных алгебраических уравнений, решением которой являются параметры, связанные с идентифицируемыми параметрами объекта линейным преобразованием. Недостатками такого способа идентификации являются: - невысокий порядок дифференциального уравнения, так как в данном способе нет правила или критерия оценки этого порядка; - наличие систем низкочастотных линейных фильтров экспоненциального сглаживания, которые изменяют контролируемые входной и выходной сигналы объекта и приводят к неидентифицируемости вещественных и комплексно сопряженных нулей и комплексно сопряженных полюсов модели объекта управления в форме передаточной функции; - формируемая система линейных алгебраических уравнений (так же, как и система нормальных уравнений в методе наименьших квадратов в случае переопределенности) может иметь неустойчивое решение в силу плохой их обусловленности. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ идентификации линейного объекта при стационарном входном воздействии (патент РФ 2146063, МПК G 05 В 17/02, опубл. 27.02.2000), сущность которого состоит в следующем: по результатам измерений входных и выходных сигналов в равноотстоящие промежутки времени с шагом дискретизации










где x(k



применяется только для стационарных случайных вход-выходных сигналов x(t) и у (t);
метод основан на использовании детерминированных характеристик корреляции, определение которых включает в себя предварительное оценивание постоянных уровней вход-выходных случайных сигналов объекта, что в случае нестационарности входного или выходного сигналов приведет к получению ошибочной модели объекта;
не предусмотрена процедура проверки стационарности вход-выходных сигналов x(t) и у(t), что может также привести к получению ошибочной модели объекта. Предлагаемым изобретением ставится задача структурно-параметрической идентификации линейного объекта со случайным стационарным или нестационарным сигналом на входе и (или) выходе, позволяющая ввести процедуру проверки вход-выходных сигналов на стационарность с помощью структурных функций, процедуру стационаризации этих сигналов в случае их нестационарности, исключая при этом визуальный анализ стационарности реализации вход-выходных случайных сигналов и, тем самым, расширяя область применения метода идентификации для различных типов вход-выходных сигналов, значительным образом повышая степень автоматизации, точность, достоверность и быстродействие процесса идентификации, что позволяет использовать данный метод как способ текущей идентификации в реальном масштабе времени, определять изменение структуры модели и, тем самым, повышать точность, надежность и качество результатов моделирования. Поставленная задача решается новым способом идентификации линейного объекта путем определения значений входного и выходного сигналов объекта, подачи их на идентификатор непрерывной дроби, в котором значения входного и выходного сигналов преобразуют в детерминированные характеристики корреляции значений входного и вход-выходного сигналов объекта с последующей их обработкой, и выполнением дальнейшего восстановления прогнозирующей модели объекта с определением модельных значений его выходного сигнала, что становится возможным за счет того, что перед подачей входного и выходного сигналов на идентификатор непрерывной дроби определяют стационарность каждого из этих сигналов в своем блоке определения стационарности, в котором сначала вычисляют структурную функцию сигнала, затем сглаживают ее значения с помощью фильтра низких частот и путем аппроксимации непрерывной дробью находят модель структурной функции, по которой определяют стационарность сигнала, и при наличии стационарности каждого из сигналов, входного и выходного, их направляют на идентификатор непрерывной дроби, а при отсутствии стационарности входного и/или выходного сигналов, значения каждого из них многократно подвергают разностным преобразованиям с последующим выполнением для каждого из преобразованных сигналов упомянутых операций в своем блоке определения стационарности до ее установления. Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ, изображена на фиг.1. Случайный входной сигнал x(k





и структурную функцию выходного сигнала Cy(k


после чего пропускают значения Cх(k


для структурной функции входного сигнала

в которой (-1)-строка содержит значения единичной функции l(t), а (0)-строка - значения структурной функции входного сигнала Сх(k








для структурной функции выходного сигнала определяется аналогичная матрица, однако ее (0)-строка содержит значения структурной функции выходного сигнала Сy (k









для входного сигнала



для выходного сигнала



где



в которой (-l)-стpoкa и (0)-строка содержат значения корреляционной функции входного сигнала Rхх(k












При аппроксимации дробно-рациональной функции в матрице (10) наблюдается появление нулевой строки, номер которой позволяет идентифицировать порядок функции. Если в некоторой i-той строке (i=0,1,2,...) матрицы (10) конечное число ki, первых элементов равны нулю, а последующие элементы отличны от нуля, то необходимо осуществить сдвиг влево на ki, элементов до появления в нулевом столбце ненулевого элемента и далее продолжить определение других элементов матрицы (10) по правилу (2). Для i-той строки при восстановлении правильной С-дроби (11) элемент


Получив ДПФ преобразователя разностей, с помощью обратных разностных преобразований переходят к ДПФ объекта и далее к прогнозирующей модели в виде разностного уравнения (4), которая позволяет восстанавливать значения модельного сигнала yм(k


на вход которого подается случайный сигнал, дискретная модель которого имеет вид
x(k)=2a(k)+0.36788 x(k-l),
где a(k) - белый шум с математическим ожиданием Ма=0 и дисперсией Da=1, а на выходе имеется случайный сигнал, заданный разностным уравнением
y(k)=0.63212x(k-l)+y(k-l). (12)
На основании дискретных моделей входного и выходного сигналов моделировались реализации x(k







в которой 2-ую строку можно считать нулевой. На основании элементов первого столбца матрицы аппроксимируем непрерывной дробью модель структурной функции входного сигнала в форме ДПФ объекта преобразователя

ДПФ объекта-преобразователя имеет один полюс zn=032913, на основании значения которого можно сделать вывод об устойчивости объекта-преобразователя и, следовательно, о стационарности входного сигнала. На фиг. 3 непрерывной линией изображена структурная функция Сy(k


в которой 2-ую строку можно считать близкой к нулевой (при расчете элементов следующей строки их значения резко возрастают). Тогда модель структурной функции выходного сигнала в форме ДПФ объекта-преобразователя имеет вид

Так как полюс ДПФ объекта-преобразователя лежит вне единичной окружности, можно сделать вывод о неустойчивости объекта. Следовательно, выходной сигнал нестационарен. Применим процедуру стационаризации


после чего вновь вычислим и сгладим структурную функцию выходного сигнала (фиг.4). Матрица (7) будет иметь вид

ДПФ объекта-преобразователя имеет вид

zn=037453, следовательно, сигнал стационарен. По окончании процедуры стационаризации выходного сигнала находится модель идентифицируемого объекта. Для этого вычисляются детерминированные характеристики корреляции - взаимная корреляционная функция входного и выходного сигналов Rxy(k



в которой (-1)-строка и (0)-строка содержат значения корреляционной функции входного сигнала Rxx(k



а прогнозирующая модель в разностях:



и
ум(k)=0.63306x(k-1)+yм(k-1)
соответственно. Таким образом, по предлагаемому способу восстановлена прогнозирующая модель объекта, которая по структуре и параметрам совпадает (с точностью до погрешностей вычислений) с исходной моделью (12), что в конечном итоге позволяет получать достоверный прогноз значений выходного сигнала объекта. Пример 2. Объект идентификации - сильфонный датчик давления жидкости с непрерывной передаточной функцией

на вход которого подается давление, дискретная модель которого имеет вид
x(k)=2a(k)-0.59101 a(k-l)+ 0.59101 x(k-l)-0.08208 x(k-2),
где a(k) - белый шум с математическим ожиданием Ма=0 и дисперсией Dа=1, а на выходе имеется случайный сигнал, разностное уравнение которого задается формулой
y(k)=0,01958x(k-1)+0,012x(k-2)+ +1,73125y(k-1)-0,78818y(k-2) (13)
На основании дискретных моделей вход-выходных сигналов моделировались реализации x(k







в которой 4-ую строку можно считать нулевой. На основании элементов первого столбца матрицы можно записать модель структурной функции входного сигнала в форме ДПФ объекта-преобразователя

ДПФ объекта-преобразователя имеет один нуль - zн=-0.08554 и два полюса - z1 n= 03619 и z2 n=-0.31962, на основании значений которых можно сделать вывод об устойчивости объекта-преобразователя и, следовательно, о стационарности входного сигнала. На фиг.6 пунктиром изображена сглаженная с помощью фильтра низких частот структурная функция Сy(k



а затем модель структурной функции выходного сигнала в форме ДПФ объекта-преобразователя

ДПФ объекта-преобразователя имеет 2 нуля - z1 н=-1.49187 и z2 н-0.18444; 3 полюса - z1 n=-0.64805 и z2,3 n=0.44355




На основании элементов первого столбца матрицы запишем ДПФ идентифицируемого объекта

а затем прогнозирующую модель идентифицируемого объекта в виде (4)
yм(k)=0,02706x(k-l)+0,01024x(k-2)+1,73937yм(k-1)-0,79649yм(k-2),
которая по структуре и параметрам совпадает (с точностью до вычислительных погрешностей) с исходной моделью (13). В связи с этим можно говорить о том, что с помощью предлагаемого способа была восстановлена модель сильфонного датчика давления жидкости в виде разностного уравнения, которая позволяет осуществлять наилучший прогноз выходного процесса по его предыдущим значениям в смысле наименьшей среднеквадратической ошибки. Пример 3. Объект идентификации - термопара, которая имеет передаточную функцию

Входной сигнал объекта задается разностным уравнением:
x(k)=a(k)+x(k-l),
где a(k) - белый шум с математическим ожиданием Мa=0 и дисперсией Da=1, а на выходе имеется случайный сигнал, дискретная математическая модель которого имеет вид:
y(k)=0.221199 x(k-1)+0,7788 y(k-l). (14)
На основании дискретных моделей вход-выходных сигналов моделировались реализации x(k








в которой 2-ая строка близка к нулевой. Запишем модель структурной функции Cx(k


которая имеет полюс zn=1.12763. Так как zn=1.12763 лежит вне единичной окружности, объект-преобразователь неустойчив и, следовательно, входной сигнал нестационарен. Применим процедуру стационаризации


после которой вновь вычислим и сгладим структурную функцию входного сигнала. На фиг.9 непрерывной линией изображена структурная функция Cx(k


а ДПФ объекта-преобразователя -

Следовательно, объект устойчив, а входной сигнал является стационарным. Структурная функция Cy(k



Тогда модель структурной функции выходного сигнала в форме ДПФ объекта-преобразователя имеет вид

Нули и полюса объекта принимают значения:
z1,2 н=-1,76836

z1 п=-20,62816,
z2,3 п=9,39188



после чего вновь вычислим и сгладим структурную функцию выходного сигнала (фиг. 10). Матрица (7) с учетом децимации значений структурной функции через один отсчет имеет следующий вид:

а модель структурной функции выходного сигнала в форме ДПФ объекта-преобразователя:

Объект-преобразователь устойчив, поэтому выходной сигнал стационарен. После стационаризации входного и выходного сигналов находим модель идентифицируемого объекта. Вычислив взаимную корреляционную функцию входного и выходного сигналов Rxy(k




Тогда ДПФ преобразователя разностей имеет вид

Запишем прогнозирующую модель в разностях




получим прогнозирующую модель генератора yм(k)=0,24211x(k-1)-0,24211x(k-2)+1,7746yм(k-1)-0,7746yм(k-2)
и его ДПФ

Таким образом, по предлагаемому способу восстановлена прогнозирующая модель объекта, которая по структуре и параметрам совпадает (с точностью до погрешностей вычислений) с исходной моделью (14), что на практике дает возможность делать достоверные предсказания относительно состояния термопары с последующим улучшением процесса управления, диагностики и контроля данного объекта.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10