非线性电力系统（精选12篇）
非线性电力系统 篇1
电力系统是人们生产生活离不开的人工大系统, 随着系统规模的扩大和设备的增加, 其非线性系统特征越来越明显。电力系统的安全稳定直接影响人们的生活质量和国民经济的发展, 随着社会的发展, 人们对电力系统的要求在不断提高, 电力系统本身的复杂度也在增加, 以往传统的线性分析方法已经不能满足要求, 需要引进非线性分析和控制方法。微分几何方是目前常用的非线性理论和方法, 其通过采用对非线性系统进行状态反馈, 对分线性系统进行精确线性化, 目前已取得了一定的成果。文献[1]和[2]利用不变最小分布理论与能控李代数等方法, 分析电动机系统和电力系统的非线性。
论文采用微分几何方法对单机无穷大电力系统进行分析和控制器的设计, 使系统能在扰动的作用下也能够稳定运行, 甚至在周期扰动的作用下, 也能工作在稳定运行点。
1 简单电力系统非线性模型及可能的运行状态
电力系统的模型有很多种, 线性的、非线性的, 非线性模型根据考虑的因素不同又分为多种, 下面是单机电力系统的非线性二阶模型, 本研究以此模型为例。
其中: 式中个字母的物理意义:x1为电机的功角, x2为角速度, H为转动惯量, D为等值阻尼系数, Pe为电磁功率, Pm为机械功率, Ps为扰动功率幅值, β为扰动功率频率。
研究发现电力系统式 (1) 在参数c1、c2、c3、c4和β分别取不同值时会出现不同的运行状态, 从平衡点稳定运行、单倍周期稳定运行到失稳都会出现, 另外, 近些年研究发现, 在一定参数下, 系统还还会出现一种类似随机的振荡运行状态, 这种运行状态被称为混沌振荡, 已经有学者在进行电力系统的混沌状态研究。
2 电力系统非线性模型的精确线性化
利用微分几何方法可以对式 (1) 系统进行精确线性化处理。给系统 (1) 的第二项式加控制量u, 并令输出函数等于第一个状态变量, 得:
把系统写成微分几何理论表达标准型:
采用微分几何方法对系统求李导数和李括号, 做坐标变换, 进行精确线性化处理, 过程如下:
设置新坐标, 用变量z表示, 令:
经这样处理后, 系统 (2) 变换成系统 (3) 型, 即变换成为一个线性系统形式, 这样可以采用线性控制的方法进行控制器的设计。
3 电力系统控制器设计
对于线性化的系统 (3) 设计控制器, 使系统的输出按预期的轨道运行, 即实现渐进跟踪控制。
根据参考文献[3]中的定理可得在下列状态反馈下:
在本系统中, 输出跟踪误差向量定义为:e=yd-y, 则渐进跟踪控制律为:
4 数值仿真
系统参数c1, c2, c3, c4和β分别取0.2、1.0、0.02、1.0和1.0, 期望输出分别取单位阶跃信号ε (t) 和正弦信号sin (t) , 进行实验, 仿真结果如图1和图2所示, 其中横坐标为时间t, 纵坐标为系统状态变量。
由仿真结果可以看出, 在加入控制器之前, 系统在扰动的影响下, 开始出现了失稳状态, 数值在不断增加。在第25秒加入控制器, 图1是期望输出是单位阶跃信号ε (t) 的仿真结果, 图2是期望输出是单位阶跃信号sin (t) 的仿真结果。由仿真结果可以看出, 加入控制器后, 在控制过程中改变期望输出信号, 控制系统的实际输出仍能够较好的跟踪期望信号, 实现渐进跟踪, 并且期望输出可以使我们希望的任意信号。
5结束语
本论文采用微分几何非线性方法对电力系统非线性模型进行了精确线性化, 在此基础上设计出渐进跟踪控制器, 在此控制器的作用下, 不仅能使系统稳定运行, 还可以使系统运行按人们预期的轨道上运行, 达到了控制电力系统的目的。仿真结果表明该方法是有效的。
参考文献
[1]卢强, 孙元章.电力系统非线性控制[M].北京:科学出版社, 1993.
[2]张强, 王宝华.基于变量反馈的电力系统混沌振荡控制[J].电力自动化设备, 2002, 22 (10) .
[3]胡跃明, 非线性控制系统理论与应用[M].北京:国防工业出版社, 2002.
非线性电力系统 篇2
非线性离散系统的严格Lyapunov函数
给出了解析形式的非线性离散系统的`严格Lyapunov函数,该函数是基于非严格Lyapunov函数的基础上构造得到的.
作 者：焦玉兰 唐风军 作者单位：信息工程大学理学院数理系,郑州,450001 刊 名：河南科学 ISTIC英文刊名：HENAN SCIENCE 年，卷(期)： 27(10) 分类号：O231.2 关键词：非线性离散系统 Lyapunov函数 稳定性生态酒店评估的非线性支持系统 篇3
摘要：文章以崭新的思维方式大胆提出对生态酒店评估的非线性支持系统，采用指标的层次结构模型实现非线性数理方法测量与计算已达到精准的评估，突破了传统模式的那种粗略评估指标，第一，实现了评估指标体系更完备化；第二，实现了所有的评估指标定量化和更科学的精准测算。与此同时，采用该评估系统对生态酒店进行评估可达到两个目的：判断该酒店是不是生态酒店以及该酒店位于生态酒店的什么程度。
关键词：可持续发展；生态循环；生态旅游
生态酒店是指具有现代酒店的所有基本功能、更着重于环境、条件的选择和设置的开放性公共场所。生态酒店更着重于地理位置、场地的选择，绿色生态循环、硬件设施及适应于生态区域的商务、旅游、休闲、娱乐等要求的软件提升，包括性质、产权结构、经营形式、外部营销、内部管理等。生态酒店不再仅仅是短暂歇脚的场所，而是可作为商务、集会、交流、旅游、休闲、美食、住宿等惬意享受的地方。在一定自然地域中进行的有责任的旅游、集会、休闲等服务行为，为服务对象提供享受和欣赏历史的和现存的自然文化景观，这种行为应该在不干扰自然地域、保护生态环境、降低旅游的负面影响和为当地人口提供有益的社会和经济活动的情况下进行。
在全球人类面临生存的环境危机的背景下，随着人们环境意识的觉醒，绿色运动及绿色消费席卷全球，生态旅游作为绿色旅游消费，一经提出便在全球引起巨大反响，生态旅游的概念迅速普及到全球。所谓生态旅游，是指具有保护自然环境和维护当地人民生活双重责任的旅游活动。它的要点有二：一是生态旅游的物件是自然景物；二是生态旅游的物件不应受到损害。随着生态旅游不断扩散，其内涵也得到了不断的充实，针对生存环境的不断恶化的状况，旅游业从生态旅游要点之一出发，将生态旅游定义为“回归大自然旅游”和“绿色旅游”；针对现在旅游业发展中出现的种种环境问题，旅游业从生态旅游要点之二出发，将生态旅游定义为“保护旅游”和“可持续发展旅游”。同时，世界各国根据各自的国情，开展生态旅游，形成各具特色的生态旅游。
生态酒店同样给出了两个要点，其一是生态酒店置身于生态旅游环境中、为生态旅游提供服务，是生态旅游的一个组成部分；其二是生态旅游的物件不应因为酒店的存在而受到损害。
1 生态酒店评估体系设计思路
生态酒店的评估是一项系统工程，需要进行系统思考和整体规划，首先要设计出最适用于生态酒店评估的‘指标体系，然后再确定和选择科学、有效的测评方法。该评估体系既要与一般酒店评估系统相对应，又要突出新环境、新思维、新理念下的‘可持续发展‘绿色服务‘绿色旅游‘绿色休闲‘美丽生态等特征。更大程度地激发酒店朝着“生态酒店”努力发展，同时也增强各个被测评的酒店在衡量上的公平性，发挥激励作用，进而为整个社会、美丽生态、可持续发展发挥作用。
针对生态酒店的测评所需要解决的问题，总体设计的思路是：（1）拟定和选择‘生态酒店测评的指标；（2）将所选定的指标体系化，建立‘生态酒店测评指标体系层次结构模型；（3）科学、客观地测定酒店各个指标值；（4）运用非线性模型对酒店的美丽生态程度进行计算得出评估值。
2 生态酒店的功能分析
对实现‘生态酒店的主要功能的基本信息、实现功能的途径、方法，实现功能程度等方面进行科学分析，形成说明书。功能说明书是对每一个功能在实现‘生态酒店过程中进行详细、具体的描述，包括功能的名称、作用、实现功能途径、条件、环境等。
①功能基本信息：包括功能名称、编号、对实现‘生态酒店所贡献的主要功能以及该功能的上位功能、下位功能、平行功能。②功能关系：本功能与其它功能的相关关系；③功能职责：详细描述该功能的任务、事项、责任及权力；④功能条件：实现功能的条件、环境以及相关人员的要求。
功能说明书采用表格形式，根据功能分析资料结果，将每一个功能及实现功能的主体详细填写入下表
3 生态酒店评估非线性支持模型
生态酒店评估指标分为两大类：常规运行指标和生态运行指标。常规运行指标是对酒店的规模、功能、服务等测量标准，从硬件到软件进行测评最后划分为普通级、一星级、二星级、三星级、……最高为五星级。随着人们的消费观念发生改变对酒店的要求越来越高，现在已经出现了自定义的七星级，预计今后还会出现更高级别。与之对应也应该用生态运行指标对酒店的生态运行划分相应的星级，生态运行指标则是对酒店运行在回归自然、生态保护、生态循环等测量标准。关于酒店常规运行评估指标及方法已经是规范化、成熟化了，不予详细研讨。本文着重研究酒店生态运行评估。
由于人们对各要素的理解存在偏差，为了确保要素的科学性，在确定酒店生态运行评价要素及指标体系时，要对酒店生态运行进行要素分析，在数理统计分析的基础之上综合专家意见确定要素组成。
1、根据生态酒店的定义、人们对生态运行的理解、对绿色环保休闲的要求等，将‘生态酒店评估目标层下设定为‘酒店布局、设施及运转状况、服务、住宿、饮食、环境、绿色循环等七个准则，并对这七个准则进行定义和细分。并且对每个准则设计出‘很重要、重要、较重要、一般重要、不太重要五个等级，且分别相应地赋予5、4、3、2、1的重要性量化分值。
2、对准则层的每一个准则进行细分，设计出每一个准则下的相应指标。并且对指标层的每一个指标也设计出‘很重要、重要、较重要、一般重要、不太重要五个等级，且分别相应地赋予5、4、3、2、1的重要性量化分值。
3、根据确定出来的准则、指标建立相应的数理层次分析结构模型。（如下图）
3.1 生态运行评估要素赋权
经过对国内12家酒店抽样，且对调查表所列各项要素（准则和指标）的统计分析，依据标准差和变异系数来衡量人们对各要素的认同程度，即标准差和变异系数越大认同程度就越分散；标准差和变异系数越小，认同程度就越集中。同时设计临界点最后得到对要素进行筛选的结果。
要素所赋的不同权重直接影响到评价结果，因此，如何确定各要素的权重，采用何种方法来确定将影响到最后的评价结果，是进行生态酒店测评需要解决的一个重要问题。为了避免主观臆断评价要素的权重，对要素的确定借助于数学模型来进行定量分析。根据酒店功能分析和调查，对要素权重的确定采用定性和定量相结合的方法，即运用层次分析法确定各级要素的权重，同时运用专家调查法比较各因素的相对重要性比较合理和符合实际。（见下表）
3.2 运用数理方法得出各指标对总目标的权重
运用美国数学家萨蒂（T.L.Saty）在20世纪70年代提出来的层次分析数学模型，它是一种综合和整理人们主观判断的客观方法，把定性分析与定量分析相结合。根据各个准则、指标的赋值计算出各指标对总目标的最终权重。层次分析法是一种综合人们主观判断的客观数理方法，它避免了人们主观判断的片面性和出现思维的偏差，采用了对主观判断偏差的检验和修正，使得判断保持思维的一致性。
1、对总目标下的准则层中的每一个准则根据该准则对总目标的贡献程度进行科学地赋值；对准则层下的指标层中每一个指标根据该指标对相应的上一层准则的贡献程度进行科学地赋值。
2、分别建立指标层中指标对相应的准则的判断矩阵；建立准则层中各个准则对总目标的判断矩阵。
3、层次单排序。把指标层中所有的元素 对准则层中元素 的重要性（优性）排列出一个顺序。
4、层次总排序。利用层次单排序的结果，进一步综合出指标层中各元素 对总目标A的重要性排序。得到层次分析模型中各个指标对总目标（生态运行）的重要性排序：
3.3 指标分值的测定
生态酒店测评要素的权重只表明该要素在整个测评体系中所占的权重，还不能表示某酒店真正的生态评估结果，要得到某酒店生态运行评估系数还必须测定每一个要素的具体分值。
（1）组建生态酒店测评小组。为了保证评价过程的公平、公正和客观，为评估提供保证，开展评估工作前应组建测评小组。测评小组是依据生态酒店功能说明书和评价要素标准表对酒店进行评估的组织机构，测评小组的成员是评估工作的主体，生态酒店所有评估指标的分值都要由他们来决定。因此，测评小组的成员组成是至关重要的。为了确保生态酒店测评结果的科学性、合理性及认可性，生态酒店测评小组应由专家与酒店代表组成。
专家成员由业内权威担任，这些专家有着丰富的生态酒店理论知识与实践经验，专家们根据《生态酒店功能说明书》和要素体系对生态酒店要素进行评价时不会出现“对人不对要素”的现象，其评价结果相对客观公正。酒店成员则是酒店具有代表性的通常来说是酒店高管和中层管理者，他们对酒店的整体、每个环节、岗位及其各个要素在酒店中的重要性有较为客观的全局性的认识。
（2）打分。根据《生态酒店功能说明书》和酒店实际情况测评小组对每个指标进行打分，分值的标准采用统一的100分制，并根据数据处理结果进行排序，同时对不合理的指标数据进行调整，最后形成《xx生态酒店指标测评分数表》。
（3）数据处理。每个评价小组成员都对xx生态酒店的各个指标测评后形成《xx生态酒店指标测评分数表》，然后进行综合平均汇总。同时根据对12家酒店的实际调查和考察，赋权以专家成员0.6企业代表成员0.4比较合适，即：
3、综合评价：
在对酒店进行综合评估前还有一大类评估——酒店常规运行评估，通过专家组同样的初该酒店常规运行的等级 （普通级，一星级，二星级，三星级，四星级，五星级）。根据目前对酒店生态运行的要求，也符合目前美丽生态的口号，我们采用3、7赋权综合较为合理。即：
这就是该酒店综合评估得到的生态酒店评估结果！
参考文献：
[1]钱振波，人力资源管理[M].清华大学出版社，2004
[2]R.韦恩蒙迪罗伯特，M诺埃，人力资源管理[M].北京：经济科学出版社，1998
[3]付亚和，许玉林，绩效管理[M].复旦大学出版社，2003
[4]方振邦，战略性绩效管理[M].中国人民大学出版社，2007
[5]邹华，人力资源管理与实务[M].北京大学出版社，中国农业大学出版社，2008
[6]何承全，人力资本管理[M].四川大学出版社，2000
非线性电力系统 篇4
1 算法基本原理
因对于任何一个周期信号f(t)均可用一个傅里叶级数表示，所以电力系统的模型可表示为
其中，an和bn是第n次谐波分量的幅值;ω0是基波角频率，ω0=2πf0,f0即为所求电力系统频率。因在实际电力系统中可认为信号不含直流分量，所以令a0=0，谐波分量最大值定义为N，于是式(1)可表示为
设ω0已知，为计算an和bn，设f(t)是在M步长均匀采样点上，即在f(tk)中k=1,2，…，M。导出均匀采样模型为
由电网特性可知，除基波外，3次、5次和7次等奇次谐波影响权重较大，偶次谐波与间歇波等幅值小，持续时间短，可以忽略[6]。因此，令n∈{1,3,5,7，…，nh}，定义nh为最大谐波分量。所以可将式(3)改写为矩阵方程
其中
利用最小二乘法[7]可解得
以上计算过程是基于ω0已知的前提下进行的，而实际ω0是未知的，即H矩阵未知，所以该问题变成一个非线性最小二乘问题，将式(10)代入式(4)有
从而可得到真实值与估计值的误差e
在式(12)中只包含一个未知数ω0,y是输入，ω0可通过求e的二范数平方的最小值来确定。用A表示I-H(HTH)-1HT，则式(12)可表示为
为了确定最小值，必须对每一个矩阵A预先计算，e与A是相对应的关系，又因ω0与A也是相对应的关系，则e与ω0也是对应关系，最小时对应的ω0即为所求，图1为与频率f0的关系图。
2 Matlab仿真
针对电力系统模型做如下仿真[8]，设定取样窗口为10 ms，取样频率为1.6 kHz，最大谐波分量取13次谐波，仿真模型如下:
(1)缓变频率模型。设定电力系统频率为正弦波变化，由49.5 Hz缓慢变为50.5 Hz，如图2所示，可观察到，频率跟踪波形和实际频率波形仅有短暂延时，误差也控制在很小的范围内，最大误差不超过0.003 Hz。
(2)突变频率模型。设定电力系统频率由50 Hz突变为50.5 Hz，又由50.5 Hz突变为49.5 Hz，如图3所示。可观察到，在频率突变的情况下，利用该算法能较快的跟踪上突变频率，误差也能控制在较小的范围内。
(3)带噪声缓变频率模型。设定电力系统频率由49.5 Hz缓慢变为50.5 Hz，且带有高斯噪声，信噪比为40 d B，仿真波形如图4所示，可以看到，信噪比为40 dB的高斯噪声对于频率跟踪的影响较小，频率跟踪波形和实际频率波形除了有短暂延时外，误差也过小，最大误差不超过0.005 Hz。
由以上仿真结果可知，利用非线性最小二乘法可快速，准确的实现电力系统频率的实时跟踪。适当的参数选择能使跟踪效果更准确，最高谐波分量选取13次谐波比选取7次谐波仿真结果更精确，适当的取样窗口长度也将影响仿真精度。
3 FPGA实现
3.1 FPGA顶层设计
在设计中电力系统的频率设定在48.5～51.5 Hz，频率搜索间隔为0.1 Hz，采样频率为1.6 kHz，采样窗口长度10 ms，最大谐波分量定义为13次谐波。图5为整个FPGA设计流程图。CLK＿50M为系统时钟50 MHz,RST为复位端，SW为拨码开关，可控制频率预设值，Seg7为7段数码管输出[9,10]。
系统时钟为50 MHz，经PLL时钟模块处理，分频出1.6 k Hz和1 MHz两个时钟，地址计数模块产生其他模块所需的控制信号和控制地址，使得算法实现模块的大量数学运算得以顺利进行，Control算法实现模块是整个系统设计的核心，也是系统得以实现的关键部分，电力系统频率设定在48.5～51.5 Hz，搜索间隔为0.1 Hz，则电力系统频率共计31个，与其对应的ω0有31种情况，先求出这31种情况下的A，因A只与ω0和t有关，采样窗口长度和采样频率固定，则t是定值，可求出31组不同矩阵A并与ω0相对应，A矩阵的值以查找表的方式存储在只读存储器ROM中，将31组不同的A和待测量值y相乘，得到31个e值，e为16×1矩阵，求其每一个e的二范数，这些不同二范数分别对应设定在48.5～51.5 Hz的31个频率值，求这31个二范数的最小值，其对应的频率值即为待测电力系统频率值。
3.2 重要模块介绍
(1) Control算法实现模块。该模块为整个设计的核心模块，i CLK为该模块的时钟信号，频率为1 MHz,iRST为该模块复位端，Y为待测电力信号的输入值，其采样频率为1.6 kHz，经Y＿ram模块处理之后，Y的数据流频率为1 MHz。Y＿Addr为地址输出端，F＿Addr为对应频率，A＿Addr为矩阵A的地址，其地址为0～255，因矩阵A表示的是I-H(HTH)-1HT，系统选取的最高谐波分量是13次谐波，窗口的大小为10 ms，所以A为16×16矩阵，每一个A共有256个值，预存在Control模块下的A＿rom[11]里形成查找表，如图6所示。Flag为第奇偶个10 ms的标志位，F＿Z为所求出的频率的整数部分，F＿X为所求出的频率的小数部分。
(2) Addr地址计数模块。i CLK为该模块工作时钟，频率为1 MHz,iRST为该模块复位端，START为该模块使能端，Y＿Addr为地址输出端，F＿Addr为对应频率，A＿Addr为矩阵A的地址，count为该模块产生的总计数，Flag为第奇偶个10 ms的标志位。该模块实现的主要功能是，按照时序顺序产生了Y＿ram模块和Control模块所需的控制信号和控制地址。使得Control模块中所要进行的大量乘法和加法运算能正确进行。其他模块的运行均建立在本模块的基础上，其中每10 ms为一个周期，Flag信号有利于Y＿ram模块正确的存取，防止读写冲突。
(3) Y＿ram模块。data为模块的写数据，输入的数据流频率为1.6 k Hz,wraddress为模块的写地址，地址变化的频率是1.6 kHz,wrclock为模块的写时钟，频率为1.6 kHz,wren为模块的写使能，rdaddress为模块的读地址，地址变化的频率是1 MHz,rdclock为模块的读时钟，频率为1 MHz,q为模块的读数据，数据流频率为1 MHz。该模块为一个两端口的RAM，一个写端口，一个读端口，用以缓存待测量的数据。
3.3 实验演示
实验采用Altera公司生产的CycloneⅢ系列芯片。CycloneⅢ系列芯片是Altera公司首款65 nm低成本FPGA，含有5～120 k个逻辑单元，288个数字信号处理乘法器，存储器达4 Mbit，相比Cyclone III系列，每逻辑单元成本降低了20%[12]。实验采取内部预设数据，预设了4种不同频率的信号输入，通过拨码开关可实现4种不同频率的切换，用数码管显示频率跟踪值，其实验结果如图10所示。
频率设定为48.5～51.5 Hz，在现实电力系统中，频率在50 Hz附近轻微摆动，满足电力系统频率测量需求，过大的频率设定范围反而加重了计算量，无现实意义。若要提高频率测量的精度，可采取减小频率搜索间隔的方法，如用0.02 Hz、0.01 Hz代替0.1 Hz作为频率搜索间隔，这样的代价就是在较大程度上增大了计算量，且会占用更多的FPGA资源。
4 结束语
利用非线性最小二乘法寻求误差最小值，可快速、准确地对电力系统频率进行跟踪，该算法能较大程度上消除谐波分量对跟踪结果的影响，且具有良好的抗噪性能，该算法复杂度较低，通过对参数的设定，可较好地解决计算量大的问题，并可满足对电力系统频率在线实时跟踪的要求。
摘要：提出了一种基于非线性最小二乘法实现频率跟踪的算法,对各种信号模型进行了仿真,并利用FPGA实现该算法,设计是在Cyclone III系列芯片EP3C80F780C8中完成,主频采用50 MHz。实验表明,该系统具有设计简单、可靠性高、跟踪效果好等特点,具有良好的实用价值。
非线性电力系统 篇5
非线性系统的神经-模糊建模方法的研究
提出了一种基于自适应神经-模糊推理系统(ANFIS)的非线性系统辨识方法,介绍了神经一模糊建模的.设计原理,并且对ANFIS在不同的输入下进行仿真,实验仿真结果表明,ANFIS进行非线性系统辨识是可行的,其辨识精度很高.
作 者：郝昕玉 姬长英 HAO Xin-yu JI Chang-ying 作者单位：南京农业大学,工学院,江苏,南京,210031 刊 名：江西农业学报 ISTIC英文刊名：ACTA AGRICULTURAE JIANGXI 年，卷(期)：2008 20(9) 分类号：O231.2 关键词：自适应神经模糊推理系统 非线性系统 辨识 建模方法
非线性电力系统 篇6
关键词： 自动转向控制；非线性积分滑动面；自适应滑模控制；模糊控制；农业车辆
中图分类号： TP273+ 2 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）08-0391-03
农业车辆的自动导航在实现农业自动化作业中发挥着重要作用，如自动播种、除草施肥、农药喷洒、作物收割等领域 [1]，其中农业车辆自动转向控制系统是实现自动导航作业的核心技术 [2]。目前，农业车辆自动转向系统主要分为马达直接驱动转向盘、电液转向控制回路2种驱动方法 [3]。连世江分别研制了基于永磁无刷直流电机驱动机构的转向控制方法，并通过自适应比例-积分-微分（proportion-integral-differential，PID）增益获得较为满意的控制效果 [4]。为了提高控制器的控制精度，吴晓鹏等设计了1种闭环PID控制系统，尽管能够提高控制器的控制精度，但转向角速度的测量则非常困难 [5]。为此，本研究提出了1种基于非线性积分滑动面的自适应滑模控制方法，能够确保转向控制系统获得快速和无超调的响应特性，有效缓解了传统滑模控制中存在的控制输入颤振现象。
1 农业车辆转向控制问题的描述
用于现代化、自动化及精细化农业的农业车辆，其典型的自动导航控制系统通常包括导航控制器、位置和方位传感器、转向角度传感器、转向驱动器等部分 [6]。自动导航控制系统的原理如图1所示。
导航控制器根据车辆当前位置、方向、路径等信息决定所需转向角度的命令，并发送该转向角度的命令到转向控制器。自动转向控制器是实现自动导航控制精度的关键。农业车辆自动转向系统的原理如图2所示。
3 仿真试验
考虑到农田地形相对复杂，农业车辆在工作的过程中，会受到很多外力和自身因素的影响，因此难以建立合理的车辆数学模型。根据自动控制理论，可令非线性积分滑动面的数学模型（1）中的参数kg=50，τ=0 09s。且在本研究的仿真试验中，设定等效干扰如下：
D（x）=Γe -[（t-ud）/[KF（]2[KF）]σd]2。 （18）
式中：μd=5，σd=0 5，Γ=20；瞬态过程实际t=0 3 s；非线性积分滑动面参数c1=64，c2=8，λ=24；最小、最大阻尼分别为ζmin=0 5、ζmax=0 5；阶跃输入命令δd=0 1rad。
通过仿真试验获得本研究所提出的基于非线性积分滑动面滑模控制的阶跃响应曲线，并且在相同的参数条件下与传统滑模控制的阶跃响应曲线进行分析比较，传统滑模控制、自适应滑模控制的阶跃响应曲线如图3、图4所示。
由图3可知，传统滑模控制的上升时间约为0 3 s，稳态时间>1 0 s，且其超调量>20%。但如果使用本研究提出的新型滑模控制获得相同的上升时间时，其稳态时间<0 5 s，且几乎没有超调量（图4）。仿真结果表明，非线性积分滑动面阻尼单调增加的特性保证了转向系统以相对较小的阻尼加速输出响应的速度，也确保了转向系统具有较高的阻尼，避免输出超调量，减少稳态时间。
此外，虽然传统的滑模控制方法可以通过选择1个足够大的固定切换增益确保控制系统的稳定性，但较大的切换增益会使系统产生较大的控制力和严重的颤振现象，其控制输入量如图5所示。本研究的模糊控制方法能够通过自适应调节滑模控制的切换增益η，从而消除颤振现象、减小控制力，其控制输入量在与图5对应的时间范围内不存在高频振荡（图6）。
从图5中可知，普通滑模控制的输入量在0～4 s、6～10 s的时间范围内存在高频的大幅振动，振幅约为0 04 rad，即所谓的颤振现象，这对于控制系统来说是一个致命的缺陷。通过对比分析，在相同的条件下，2种滑模控制方法的控制输入量表现出完全不同的平稳特性。自适应模糊滑模控制对于消除传统滑模控制中存在的输入颤振现象效果明显，这对于提高农业车辆转向控制系统的平稳性和精度具有重要的意义。
4 结论
本研究提出的用于农业车辆自动导航的自适应滑模控制方法，在系统不确定和外界干扰的情况下，可有效提高转向系统控制的响应速度和精度。在每个导航控制周期中，为了避免转向驱动器子系统产生大的初始冲击力，构建了1个瞬态变化的转向角代替恒定的转向角，并提出了1种基于瞬态过程的非线性积分滑动面。该系统不仅具有传统积分滑动面所具有的优点，还具有单调上升的阻尼比，使得闭环转向系统能够以较小的阻尼比加快输出的响应速度，而且可利用其大阻尼比的特性来消除系统输出的超调量。通过仿真试验表明，自适应滑模控制方法具有变阻尼比的特性，使得转向控制系统不仅能够获得迅速而无超调量的闭环响应曲线，还减缓了系统控制输入的颤振现象，增强了系统的稳定性。
参考文献：
[1] 张广庆，朱思洪，李伟华，等 铰接摆杆式重型拖拉机线控转向系统仿真与试验[J] 农业机械学报，2014，45（2）：28-33
[2]周 慧，鲁植雄，赵苗苗 基于模糊PID的线控液压转向系统仿真分析[J] 农机化研究，2013，35（10）：194-198
[3]罗锡文，张智刚，赵祚喜，等 东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统[J] 农业工程学报，2009，25（11）：139-145
[4]连世江 农用车辆自动导航控制系统研究[D] 杨凌：西北农林科技大学，2009
[5]吴晓鹏，赵祚喜，张智刚，等 东方红拖拉机自动转向控制系统设计[J] 农业机械学报，2009，40（增刊1）：121-124
[6]彭秋菊，郭永丰 电动助力转向系统扭矩信号采集系统设计[J] 自动化与仪表，2011，36（8）：58-61
[7]Más F R，Zhang Q，Hansen A C Mechatronics and intelligent systems for off-road vehicles[M] Berlin：Springer，2010
[8]谭光兴，李 珊，简文国，等 线控转向系统路感模拟控制研究[J] 计算机测量与控制，2014，22（4）：1069-1072
[9]张 兵，黄文生，王 荣 基于可编程逻辑控制器的智能化灌溉控制系统研究[J] 江苏农业科学，2013，41（6）：374-376
[10] 张成涛，谭 彧，吴 刚，等 谷物联合收割机电控全液压转向系统建模与仿真[J] 农业工程学报，2013，29（20）：11-17
非线性液位系统的反馈线性化控制 篇7
关键词：非线性液位系统,模型,反馈线性化,PID控制,Freelance 800F DCS
1 引言
液位控制系统是过程控制中的一类重要研究对象。在工业生产过程中, 有很多场合需要对控制对象进行液位控制, 所以研究液位控制系统具有显著的理论和实际意义。实际工业生产中的液位控制, 大部分是非线性的, 以往一般采用在工作点附近线性化方法来设计控制器。这种基于近似处理的方法缩小了系统的正常工作范围, 并造成性能的明显下降, 严重时甚至导致控制的失败。所以急需一种能够直接对非线性系统进行设计和处理的工具来取代这些线性近似方法, 以获得精确度更高、性能更优越的控制系统。在控制理论专家的不断努力下, 非线性控制理论研究和实际应用取得了很大的进展, 陆续提出了相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等[1]。但是非线性系统由于其结构的复杂性至今还有许多理论方面的工作尚需完善, 因而对非线性系统进行分析和设计是非常困难的。目前非线性控制理论中一种简单而又有效的方法是对非线性系统进行反馈线性化, 然后采用线性系统理论使线性化后的系统很容易就能达到期望的控制指标。反馈线性化控制一般分为两大类:微分几何反馈线性化方法和动态逆控制方法 (直接反馈线性化) 。前者方法抽象, 不利于工程应用, 所以本文采用后者来设计控制器, 通过抵消系统的非线性, 实现对单容水箱的液位控制 (1) 。
2 非线性液位控制系统
2.1 非线性液位控制系统结构
非线性液位控制系统由横卧的圆柱形单容水箱、储水箱、水泵、涡轮流量计FT、液位传感器LT、出水阀、入水阀、电动调节阀以及作为控制器的控制机柜、计算机组成, 结构如图1所示。
本非线性液位控制系统的工艺流程如下:对非线性单容水箱, 不断有水流入, 同时也有水不断流出。在实验过程中, 储水箱中的水经水泵抽出后由电动调节阀进入水箱, 然后通过出水阀流出并返回到储水箱。液位传感器LT用于检测水箱中的液位H, 涡轮流量计FT用于检测流入水箱的流量。水的流入量Qi由电动调节阀开度加以控制, 流出量Qo由用户根据需要通过调节出水阀开度来改变, 在整个实验过程中开度保持恒定。被控量是液位H, 控制量是电动调节阀开度, 由控制器对水位偏差信号进行PID运算后得到。
2.2 非线性液位控制系统的要求与难点
非线性液位控制系统的控制目标是使被控对象的液位值尽可能快地稳定在所给定的液位值上 (水箱的液位变化范围为0～21cm) 。当系统发生扰动, 工作点大范围变化时, 要求被控量能迅速稳定地恢复到系统所要求的液位值。
工业生产中的液位控制一般采用PID控制策略, PID控制器的参数是根据过程参数来整定的, 它与系统所处的稳态工作情况有关。工作点改变时, 控制器参数的“最佳值”也就随之改变, 这就需要PID控制器参数作相应调整。但是PID控制器没有这种“自适应”能力, 只能依靠人工采用试验加试凑的方法重新整定。由于生产过程的连续性以及参数整定需要一定的时间, 这种重新整定实际很难实现, 有时甚至是不可能的。
所以需要寻求一种在工作点改变时, PID控制器参数仍可保持不变的控制策略, 而反馈线性化控制是针对这种情况的一种简单有效的方法。
3 非线性液位控制系统的水箱模型
由于确定控制方案、整定调节器最佳参数、分析质量指标以及选择反馈结构都是以被控过程的数学模型为重要依据的, 所以先要建立被控对象的数学模型。可先通过机理分析确定模型的结构形式, 再通过实验数据来确定模型中各参数的大小。
3.1 单容水箱被控对象动态数学模型
如图1所示, 被控量为水位H, 它反应了水的流入和流出量之间的平衡关系, 控制量为电动阀的开度u。各参数的物理意义及数值如表1所示。
由物料的动态平衡关系可知, 某时刻水箱的进水流量Qi与出水流量Qo之差等于水箱内液体体积的变化率, 即:
在起始的稳定平衡工况下, 流入量Qi0等于流出量Qo0, 即:
用增量形式表示为:
由式 (5) 和式 (6) 可得:
所以由式 (7) ～式 (9) 可得模型的结构形式为:
3.2 模型参数获取
3.2.1 获取出水阀门流量系数k
对A 3000非线性单容水箱做流量与液位高度关系实验, 出水阀开度保持在2.1cm处, 流量与水箱液位之间的关系如表2所示。
由
可得:
在负载阀 (出水阀) 开度保持恒定的情况下, k可视为定值。
3.2.2 获取电动调节阀门流量系数Ku
Ku在不同的开度下值是不同的, 所以为了简化系统, 采用在平衡点处近似线性化的方法求取Ku, 在整个系统的设计中把它看作常数。做流量与开度关系实验, 绘制流量与开度曲线, 如图2所示, 可得电动调节阀流量系数为:
3.3 验证模型准确性
机理模型是建立在若干假设条件基础上的, 因此需要对数学模型正确性进行验证, 以确认所建数学模型的有效性。通过对比在阶跃信号作用下模型的仿真输出曲线与实际输出曲线来验证模型的有效性。
对比两者在平衡点 (液位高度为14cm) 时阀门开度增加20%的阶跃响应曲线, 利用Matlab绘制两者拟合程度图如图3所示。
图3中, 虚线为实际系统阶跃响应曲线, 实线为模型仿真阶跃响应曲线。
由图3可见两者是比较吻合的, 说明所建立的数学模型是准确的, 能够满足要求。
4 控制策略设计
反馈线性化方法是非线性控制理论中发展比较成熟的一种设计方法, 基本设计思想是:通过适当的非线性状态反馈和非线性坐标变换 (或动态补偿) , 将一个非线性系统部分或全部地变换成线性系统, 然后再用线性控制系统设计方法对变换后的线性系统进行设计, 使系统满足设计指标要求。与传统的非线性控制方法相比, 反馈线性化不再依赖于系统运动的求解和稳定性分析, 只需研究系统的反馈结构, 使得非线性系统的控制问题变得简单[2]。
4.1 直接反馈线性化方法 (DFL) [3]
如果单输入单输出非线性系统的输入-输出高阶微分方程具有下述形式:
式中:u (t) , y (t) ———系统的输入、输出。
定理对于某一类能控的单输入非线性系统, 如果其运动方程消去中间变量以后, 可以写成式 (14) 的形式, 而且对于任意时间函数V (t) , 非线性方程:
均有有界解:
对系统式 (14) 施加形如式 (16) 的非线性反馈补偿以后, 就可以化为新的线性化受控对象:
式中:u (t) ———非线性控制律;V (t) ———时间函数, 原系统式 (14) 的虚拟控制输入量。
实现反馈线性化就是选择虚拟控制量, 设计出非线性反馈补偿器去抵消原系统中的非线性因素, 使系统线性化, 即获得输入输出之间的一个线性微分关系。这种方法不需要进行复杂的非线性坐标变换, 物理概念清楚、数学过程简明, 便于工程界掌握4.2本模型的反馈线性化
根据直接反馈线性化理论, 对于式 (10) 所示的液位控制系统, 设控制输入为:
把式 (10) 右边用一个时间函数V (t) 来代表, 即:
那么, 相对于输入量V (t) , 式 (10) 所示的非线性系统就变成了一个线性化的新的受控对象:
整个反馈线性化过程可用图4表示。
求解出的非线性控制律u (t) 为:
式 (20) 为原受控对象式 (10) 的直接反馈线性化补偿律, 这样就实现了对非线性液位系统的反馈线性化, 就可采用我们熟悉的线性控制理论对其系统进行设计来实现控制目标。
5 非线性液位控制系统的硬件及组态设计
5.1 硬件
本实验装置采用北京华晟的A 3000系列综合过程控制实验系统, 它由现场系统和控制系统组成图5为A 3000现场系统。
本次实验将使用上述装置的上水箱 (横卧的圆柱形单容水箱) 、储水箱、2号水泵、涡轮流量计、液位传感器、电动调节阀等。
A 3000控制系统 (A 3000-CS) 包括传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板和第三方控制系统接口板。这些设备都布置在一个工业机柜中。
基于以上硬件设备, 构建如图6所示的分散控制系统 (DCS) 。
过程级:安装在控制机柜中, 由AC 800F控制器组成, 包括中央单元、S800I/O站、通信接口、电源等。
监控级:操作员站 (安装了IndustrialITDigivis中文软件的两台台式PC机) , 工程师站 (台式PC机, 不进行组态时可兼作操作员站使用) 。
5.2 组态设计
采用IndustrialIT系统的CBF软件, 通过图形化组态方法对过程控制站硬件配置、所需的各种控制算法和策略、操作站人机接口 (HIS) 等进行组态。完成后的组态结果由工程师站通过系统网络下载至相应的过程站及操作员站中。硬件组态图如图7所示。
图8为操作员控制流程画面, 操作员可在该面板上执行相关操作。
6 调试及结果分析
在作为工程师站的计算机的CBF软件中打开项目文件a3000、Digvis软件, 同时在另一台作为操作员站的计算机中打开Digvis。在工程师站中通过系统网络加载组态至相应的过程站及操作员站中操作员执行相应操作, 同时打开A 3000过程控制装置电源和2号水泵, 就可以对系统进行调试。
6.1 调试
整个实验过程分为两个部分:参数调试实验和设定值扰动实验。参数调试实验的目的是:确定系统在稳态工作点 (平衡点) 的PID控制器的参数设定值扰动的目的是:在整定好的参数下改变系统的工作点, 比较传统PID策略和反馈线性化PID策略控制性能的优劣。
6.1.1 参数调试实验
手动给定阀门开度, 启动水泵, 使液位稳定在水箱中部即平衡点位置, 对传统PID控制系统和反馈线性化PID控制系统在平衡点附近加小范围的设定值扰动, 并用经验法整定PID参数。在操作员站的趋势图中观察系统的阶跃响应曲线 (见图9) , 并在线修改参数, 反复试凑, 最终确定的最佳参数为:比例系数KP=10, 积分时间TI=40s, 微分时间TD=0s。
6.1.2 设定值扰动实验
将工作点逐渐远离平衡点, 比较传统PID和反馈线性化PID策略两者的控制效果。
先对传统PID系统作设定值扰动实验, 步骤如下:
(1) 待系统稳定在平衡点后, PID控制器参数保持不变, 在PID控制面板上改变设定值, 设为8cm。
(2) 继续改变设定值, 设为4cm。趋势图如图10所示。再对反馈线性化PID系统作设定值扰动实验。在操作员站的控制流程画面下切换成反馈线性化PID控制, 其余步骤与传统PID系统设定值扰动实验步骤相同。趋势图如图11所示。
6.2 结果分析
由图10和图11两幅趋势图可得到以下结论:
(1) 在平衡点附近, 出现扰动时, 液位都能稳、准、快地回到系统的设定值。
(2) 当改变系统的工作点时, 常规控制PID控制方案控制性能恶化, 甚至造成系统不稳定。随着工作点逐渐远离平衡点, 控制性能恶化越明显。而反馈线性化PID的液位曲线比较平滑, 调节过程比较稳定, 最后液位值基本稳定在设定值。
由实验结果可知, 在PID控制器参数保持不变, 工作点大范围改变时, 反馈线性化PID控制的控制效果明显优于传统PID的控制效果。
7 总结
反馈线性化加入了抵消非线性的反馈结构, 补偿了动态过程中出现的非线性因素。对PID控制器而言, 它的广义被控对象是线性的, 对象特性不随工作点的改变而改变, 所以调节器参数也不需随着工作点的改变而重新整定, 不仅减轻了运行人员的工作量, 也增大了控制系统在大范围变工况下的稳定性。
通过构建DCS, 验证了所建立的单容水箱模型的准确性, 也验证了反馈线性化控制方案在非线性液位系统中的可行性和优越性。
但是, 本文所设计的控制系统还存在一些不足, 需要进一步研究, 如在设计反馈线性化控制策略时, 只对被控对象采用了反馈线性化, 而把电动调节阀近似看成是线性的。如若能把这一部分的非线性因素也考虑到系统的反馈结构中, 则可进一步改善系统的控制性能。
参考文献
[1]方勇纯, 卢桂章.非线性系统理论[M].北京:清华大学出版社, 2009.
[2]胡寿松.自动控制原理[M].第4版.北京:科学出版社, 2001.
非线性电力系统 篇8
非线性系统和线性系统之间的本质差别可以概括为以下两点:
1.线性系统可以应用叠加原理, 而对于非线性系统, 由于其特性不是线性的, 因而不能应用叠加原理。对于这些不能应用叠加原理的系统, 分析中大信号和小信号的作用结果可以大不相同。
2.一般而言, 对于非线性系统求取完整解 (Close Form Solution) , 现有的数学工具还很不充分。一般只能对非线性系统的运动情况作部分估计, 如对其稳定性、动态品质等作一些估计。
由于许多控制系统中都有非线性, 而且这些非线性特性千差万别, 不可能有统一的普遍适用的处理方法, 使得对系统的分析难度增大;而线性系统大为简单, 可以用线性常微分方程来描述.因此借助于“线性系统”的理论与方法来解决非线性问题, 成为一种普遍使用的方法。在我们经常用到的方法中, 相平面法中用欧拉折线代替相轨迹是一种局部线性化措施 (局部舍去高次项) ;分区线性化是用折线型特性代替非线性特性 (舍去部分非线性) ;描述函数法是在自变量为谐变量时, 非线性特性的线性化 (舍去高次谐波) ;李亚普诺夫方法虽然是真正的非线性方法, 不舍去任何东西, 但在构造V函数时, 采用二次型这一关键步骤, 正是基于线性系统建立起来的。
这里, 我们主要讨论的是针对控制对象的线性化, 而不是针对控制方案的线性化。从被控对象考虑, 线性化方法大体可分为两类。一类是基于己知模型的线性化方法。具体有微分几何精确线性化方法、自适应反馈线性化方法、基于状态观测器的线性化方法、反函数校正线性化方法等。它们的共同点在于由于模型己知, 他们对模型要求严格的条件。另一类便是基于未知模型的线性化方法。由于仅知道模型阶数的上界, 这类方法多采用数值或函数逼近的方法。具体有分段线性化方法, 样条函数方法, 大范围嵌入线性化思想, 适用性较强的局部ARMAX模型线性化方法, 平衡与非平衡多模态ARMAX模型的线性化方法, 非线性NARhl AX模型的ARMAX全局线性化方法, 自适应模糊神经网络控制器设计线性化方法等。在这类方法中, 由于模型未知, 它们大多通过对输入输出行为近似建模, 并通过变换, 最后得到一种准线性结构, 即局部线性模型叠加成非线性系统。在变换中, 经常使用泰勒级数、幂级数等进行线性化, 且适应性较强, 对于条件要求也不苛刻。
从控制思想考虑, 线性化方法主要有以下两大类:
(1) 精确线性化方法;
(2) 近似线性化方法;
精确线性化方法 (简称线性化) 是非线性系统几何方法最主要的手段之一。它的基本思想是通过对输入和状态变量的变换把非线性系统变成线性系统。Brockett于1976年提出的方法, 解决了单输入系统存在的问题, 而Jakubczyk等人解决了多输入系统存在的问题, 这些问题的解决是目前非线性控制理论取得的最主要成果之一。精确线性化方法不仅具有很好的理论意义, 而且已经成功解决了许多实际对象的控制设计问题。
近似线性化方法是控制界熟悉的系统设计方法。我们最常用的是取系统的一阶近似。此方法简便易行, 但只适用于工作点变化范围不大的情况。现代的近似线性化方法的基本思想是通过坐标变换把强非线性系统变换成弱非线性系统;或者通过反馈保持线性系统的部分特点。它是精确线性化方法的自然推广, 目的在于控制系统在工作点变化较大时也能正常工作。目前近似线性化方法已得到广泛的研究, 并应用于化工、电器、机械、航空等领域。
基于精确线性化方法与近似线性化方法的基础, 提出模糊线性化模型。模糊线性化是在近似线性化的基础上, 结合模糊逻辑对一类非线性对象线性求解的方法, 它是实现模糊控制的一个有效的简化手段。该方法的主要思想是将用局部线性模型的加权和来描述整个非线性系统的特性;换言之, 一个整体非线性的模型可以看作是许多个局部线性模型的模糊逼近。
基于模糊模型控制的方法已经成为分析和综合有关含有复杂非线性特性系统的另一研究方案。目前, 这个领域内的文献已提出关于状态模糊模型稳定性的控制设计问题。而事实上, 由于状态空间模型中存在干扰, 这个问题转化为一类鲁棒稳定性问题。本论文就是沿着这个方向, 利用模糊模型的明显特性作为线性系统矩阵的凸包而发展起来的一种结构, 提出一类非线性系统的模糊线性化理论, 利用Takagi-Sugen。模型和李雅普洛夫稳定性定理对该类非线性系统的结构、系统稳定性进行分析, 提出模糊线性化的构造方法, 并设计出满足李雅普洛夫稳定性的控制器。使用这个准线性模糊结构后, 一类基于静态或动态输出反馈, 克服建模误差和参数不确定性的复杂非线性系统的鲁棒稳定性就减化为线性矩阵不等式问题 (LMI--Linear Matrix
Inequality) 。
参考文献
[1]程代展.非线性系统的几何理论, 科学出版社, 2004[1]程代展.非线性系统的几何理论, 科学出版社, 2004
[2]孙浩, 席裕庚, 张钟俊, 非线性系统的I/O扩展线性化, 控制理论与应用:2004[2]孙浩, 席裕庚, 张钟俊, 非线性系统的I/O扩展线性化, 控制理论与应用:2004
非线性编辑系统的发展和应用 篇9
1 非线性编辑系统的发展
非线性编辑是现阶段电视节目拍摄中常用的一种技术, 它能够实现电视节目从拍摄到播出的数字化操作。其工作过程中利用计算机先进的编辑功能, 完成拍摄电视节目内容的有效编辑和处理。
传统情况下的非线性编辑系统是利用专门的芯片来完成对电视节目内容的编辑工作, 音频和视频的编码、解码以及特技的处理都是通过硬件电路来实现的。此时计算机只完成对数据信息的存储和传输功能, 对电视节目的编辑则由专门的板卡来完成。近些年来, 随着各种先进科学技术的发展, 非线性编辑系统逐渐发展到了CPU+GPU+I/O的模式, 极大的提高了非线性编辑系统的功能和处理效果。该模式中图像信号的编码和解码都是由计算机来完成的, 视频特效则是通过GPU来完成的, 二者协同使得电视节目的编辑脱离了传统非线性编辑系统中对板卡的依赖, 彻底打破了传统硬件电路设计中存在的问题, 提高了视频信号编辑和处理的速率和效果。
另外先进的非线性编辑系统具有以下几个方面的优势。
1) 较高的可扩展性。
非线性编辑系统在设计过程中采用了软件设计架构, 即可以通过更换计算机中的相关硬件设备来实现整个系统性能的提升, 也可以通过软件的升级, 实现系统功能的优化。系统设计过程中预留了一定的扩展模块, 能够方便设计人员对系统功能进行扩展。
2) 较高的稳定性。
现阶段非线性编辑系统在设计过程中采用先进的I/O口完成对视频信号的输出和输入, 改变了传统硬件电路在数据传输中的限制, 极大的改善了视频处理过程中系统发生故障的概率, 消耗的功率, 同时降低了系统工作过程中产生热量的大小, 实现了非线性编辑系统稳定性的提升。
3) 较方便的处理方式。
传统情况下的线性编辑系统, 在进行电视节目制作过程中只能够根据节目拍摄的顺序进行编辑, 所以在进行编辑之前必须先完成对编辑内容的构思, 否则不能够实现对节目播出顺序的更改。非线性编辑系统的应用能够实现对节目顺序的任意调整, 且能够随时进行调整, 不受时间的限制。
4) 方便的进行复制。
非线性编辑方式采用数字化处理方式, 能够实现对电视节目内容的无限制复制, 且信号质量不会受到任何影响。而传统情况下模拟信号经过几次复制之后, 其信号质量会出现一定的衰减, 影响其节目播出的质量。
2 非线性编辑系统的优势
通过上面的介绍, 我们可以看到随着科技的不断发展, 非线性编辑系统正向着数字化的方向发展。但是由于电视台从模拟信号转变成数字信号还需要一定的时间, 非线性编辑系统是电视节目从模拟向数字转换过程中的一个桥梁, 开拓了一个崭新的电视节目编辑方式。在应用过程中它具有如下几个方面的优势。
1) 非线性编辑系统在进行电视节目处理过程中, 其信号不会受到外界中各种信号的干扰, 能够实现对节目信号的多次复制。
2) 电视节目图像的质量不会受到设备本身的影响。
3) 后期处理人员可以根据需要对电视节目进行任意修改和编辑。
4) 硬件具有较高的兼容性, 能够支持多种软件, 并且能够实现对多个三维特技的制作。
5) 非线性编辑系统可以跟计算机连接在一起, 实现对电视节目信号的在线编辑和传输。
3 非线性编辑系统应用中需要注意的问题
非线性编辑系统是进行电视节目后期制作的主要工具, 在使用过程中应注意以下几个方面的问题。
第一, 在进行素材录入过程中要确保其时码的完整性, 素材采集是现阶段非线性编辑系统应用过程中的第一步。常用的素材采集方式有手动、遥控以及批采集, 其中后面两种能够实现对素材的自动采集, 同时还能够实现对素材文件的恢复, 避免素材文件出现损坏或者误删除的现象。
第二, 还要做好对素材内容的准确标记, 并且根据素材内容给其选择一个具有明显特征的名字, 便于素材信息的快速检索。
第三, 在采集过程中要选择合适的压缩比, 该参数大小直接关系到电视节目素材所占存储空间的大小。一般情况下比较大的专题节目可以采用3:1的压缩比, 对于长度较短的广告等电视节目可以采用无损压缩的模式。即对于素材比较少, 但是对节目质量要求较高的节目, 要尽量选择无损压缩模式。
第四, 非线性编辑系统中嵌入了大量的图像处理软件, 处理人员要熟练掌握这些软件的使用方法和技巧, 只有这样才能够充分发挥各个软件的优势, 并且将其划分成不同的模块由不同的人员完成。一方面提高图像处理的效果, 另一方面提高图像处理的速率, 缩短整个电视节目处理所需时间。
第五, 为了避免非线性编辑系统在进行图像处理中影响信号质量和网络开销, 可以采用先进的多格式混编技术。
第六, 在进行电视节目模板制作过程中, 要实现设计具有独特风格特点的模块。这就要求相关人员在进行模板制作之前, 注重对素材资料的收集和应用, 并且将其进行分类处理, 方便实现这些素材资料的存储。
第七, 要做好电视节目信息的备份工作, 非线性编辑系统中使用的存储设备价格较高, 所有在电视节目输出后, 可以将其存储在价格相对较低的IDE硬盘中, 降低电视台运行成本的大小。
对于电视节目的后期制作来说, 其制作质量的好坏受制作人员自身技能水平和工作经验的影响较大。因此在后续制作过程中要不断加强对制作人员的技能培训, 不断提升其编辑技能, 从而确保其工作过程中能够采用合适的处理软件和处理工具完成对电视节目的处理。虽然非线性编辑系统的应用给电视节目后期制作人员提供了丰富的处理手段和特技效果, 但是切不可将电视节目的质量完全依赖后期制作。还要不断提高电视节目制作过程中的声音和图像质量, 实现其和谐统一, 降低电视节目后期处理过程中的工作量和难度。
4 结论
非线性编辑系统是现阶段进行电视节目处理的主要工具, 能够实现电视节目质量的高效处理, 是电视节目从模拟到数字转换的一个过渡, 实现了对电视节目从线性到非线性的转换。随着计算机技术和网络技术的发展, 电视节目信号的处理更加快速和方便, 同时能够方便的完成电视节目信号中各种三维特效的添加和应用。虽然非线性编辑系统自身还存在一些问题, 但是随着科技的不断发展和数字化技术的应用, 非线性编辑系统在电视节目制作过程中的应用将会更加广泛。
摘要：电视节目中各种先进技术的应用为电视节目的制作提供了多种制作方式, 特别是计算机技术和网络技术的发展, 给电视节目制作带来了非常大的影响。非线性编辑系统是在传统线性编辑系统基础上发展起来的, 克服了传统线性编辑系统对存储空间和编辑方式的限制, 完成对电视节目信号的随意编辑。同时非线性编辑系统中采用了先进的数字处理方法 , 能够避免信号多次复制和使用之后质量降低的问题。信号传输过程中不会受到外界各种干扰的影响, 降低电视节目画面的质量。
关键词：非线性编辑,系统,应用
参考文献
[1]林国庆.浅谈非线性编辑系统在视频制作中的应用[J].价值工程, 2011.
[2]黄桂明, 莫子瑛.浅谈非线性编辑系统特点及其应用——以EDUIS为例[J].科技信息, 2013.
[3]李家森.非线性编辑系统在教学中的应用[J].天津职业院校联合学报, 2010.
浅谈非线性编辑系统及应用 篇10
1 非线性编辑系统的优势
非线性编辑系统是一个扩展的计算机系统, 它的一切操作都符合计算机的操作规范。所谓“非线性”是指不以线性方式为工作流程, 即它突破了以往在线性工作环境下操作者必须以节目时间先后为顺序的操作模式。在非线性工作方式下, 操作者可以自由地选择工作对象, 不必以时间先后为顺序。简单说, 就是剪辑时不用像编辑磁带那样来回地快进或是到带来搜寻画面。在传统编辑方式下, 通常需要多台设备和多位技术人员配合才能完成工作。在传统节目制作过程, 制作人员对节目完成后的修改非常头疼。因为线性编辑无法快速方便地进行修改, 有时只能依靠复制来达到目的。这不仅影响图像质量, 也延长节目制作时间。而非线性编辑系统最大的优点就在于它的非线性编辑, 它可以方便快捷地对节目进行剪接, 修改时无需复制。非线性编辑系统在计算机磁盘记录方式下, 每一段素材都是以一个计算机文件的形式存储在计算机磁盘上的, 借助编辑软件, 可以自由地组合这些文件来完成整个节目的编辑工作。如果需要在已完成的节目中间修改片段, 只需修改相的采集和输出工作, 不能进行编辑。编辑工作需要其它软件来完成。在广播电视行业一般不采用此类软件。非线性编辑除了上述的好处, 还可以借助优秀的第三方编辑软件来完成实现多层画面的叠加, 丰富的特技效果等复杂的后期编
3 非线性编辑系统的应用
新闻节目在广播节目中所占的比重越来越大。加快制作速度、增加节目信息量和有利于传播是对新闻节目制作的新要求, 非线性编辑系统便是一种满足新闻节目制作新要求的最新技术。我台选用大洋DY3000非线性编辑网络作为制作新闻节目的网络系统。非线性编辑制作新闻比较方便, 首先将记者所拍摄的新闻素材采集到非线性编辑机内, 从素材管理窗口直接施放视音频素材到轨道上, 选中的素材就可以进行编辑, 出点位置的调整、删除、移动、复制等操作, 要调出每个节目, 只要指出它的数据路径就可找到所要的节目, 编辑速度是相当快的。在非线性编辑中, 用鼠标和快捷键可分割、剪切、复制视频镜头, 可在时间线上锁定音、视频的素材, 并把它们放到节目的任何位置, 特技和划像以库中的项目出现, 你可以任意将库中的特技与划像添加到视频轨上。专题片根据情节需要, 特技制作比较多, 修改的比率也大, 使用非线性编辑改变了传统制作的诸多问题。使用非线性编辑简化了操作使用方法, 提高了节目制作的效率和图像质量。
4 对非线性编辑设备的一些看法
非线性编辑系统有许多的优点, 但在使用中仍存在着不足:
4.1 编辑时间
现有的非线性设备仍然生存于传统视频系统的大环境中, 无论它的硬盘多么方便快捷, 仍然无法脱离磁带-硬盘-磁带的工作模式。首先是素材的输入, 由于编辑们的思路经常在编辑时随着节目的进程而变化, 因此, 往往先将尽量多的素材储备进硬盘, 以便运用时得心应手, 再经精选后编辑成片, 最后, 以1∶1的速度输出到磁带上。同时素材的大量输入又占据了硬盘的许多空间, 使得在非线性编辑过程中常因空间不够造成编辑上的麻烦。素材与节目的一对一输入输出无疑使编辑过程加长了许多, 这不能不说是它的一个局限。
4.2 稳定性、安全性
现有非线性编辑系统存在一定程度上的不稳定性。由于操作系统和应用软件的固有缺陷及各种软件之间的兼容性问题, 导致在使用过程中因为误操作和使用不当造成系统死机, 并造成工作数据的丢失, 这使得它的稳定性、安全性降低。
结束语
非线性电力系统 篇11
关键词：非线性编辑局域网；文件上传：病毒
由于非编网的数据传输主要是视频、音频数据及图文数据，不需要也不允许用户私自安装其他的软件。而且每个客户端都禁用光驱。整个网络始终处于全封闭状态，未连到外网。几乎所有视频、音频数据都是通过SONY的数字编缉机的数字视频、音频输出接口进入非编网。如果不考虑其他渠道素材的连入，非线性编缉网等同于某种意义上与世隔绝的局域网。假设内部不存在人为的恶意攻击，那将是非常安全的。但当今世界视频、音频制作，离不开其他先进的媒体制作技术和来自各方面的视频、音频素材。这些素材主要是通过U盘跟移动硬盘接八的，它们的接入必定会导致大量的病毒跟随U盘和移动硬盘内的数据一同进入非编网，而用户一不小心就会激活它们。
1多媒体文件安全上传的新设想
病毒传染方式一般有两种方式：病毒被用户激活后，病毒程序立马被执行，并驻留内存，继而设置触发条件，进行传播：病毒可以通过INTERNET网络和系统漏洞直接攻击远程计算机，并将病毒本身植入到远程计算机系统中进行传播。在分析了传统的防病毒方法后，结合我们的实际情况，我们总结出以下几个方案：限制使用人员使用WINDOWSXP自带的资源管理器，防止用户激活病毒的原文件：在非编网中增加一台专用的移动存储设备接人工作站；除了允许专用的移动存储设备接人工作站外，禁止移动存储设备在所有客户端接入；在工作站正常运行的前提下，尽可能地限制使用人员的系统管理权限；在文件上传工作站旁增加一台连接INTER-NET的杀毒工作站，此工作站与非编网不相连。
2系统的总体构想
程序设计的第一步是明确程序的目的和如何使用，弄清用户对开发应用系统的确切要求。也就是说需要程序解决哪些问题，明确目的之后，才可以确定您需要创建哪些主题以及每个主题的功能。我们根据非编网目前存在的问题，分析一下设计程序的整体结构与功能。考虑到不改变网络整体布局，以及制作人员的操作方便需要，我们尝试在人员相对比较集中的大制作室内增加一台工作站，命名为“移动存储设备接入工作站”(简写“COPYFlLE”)，同时在该工作站旁增加一台杀毒工作站。杀毒工作站安装的是最新的杀毒软件，并与INTERNET相连，它的基本用途有以下几点：实时升级更新WlNDOWSXP操作系统的系统补丁与杀毒软件的病毒库；对移动存储设备进行全面的病毒查杀；在上面可以进行简单的文件操作，包括文件的编辑与复制等，在里面把"DOC"或其他格式的文字文件转化为“TXT”的文本文件：把需要上传到非编网的视频、音频文件及文本文件等进行整理，并放到指定文件夹内(目标盘的WZTV目录下)。
COPYFILE工作站安装的也是最新的杀毒软件，但必须跟杀毒工作站的杀毒软件不属于同一牌子，这点很重要。除此之外，我们还要做的是设计一个具有文件上传和安全管理功能的软件，也就是我们现在要设计实现的“非线性编辑局域网文件安全上传管理系统”。
3系统的主要功能
经设计优化后的非编网具备的几大功能：
首先保证移动存储设备的安全接入：装载专用的上传目录；检测移动存储设备的根目录，是否有Autorun.inf文件的存在，有则提醒用户删之，或是执行用户指定的操作。
其次保证视频、音频文件的安全上传：列出需要上传的文件；禁止非视频、音频文件类型的上传；测试对被选中上传的视频、音频文件的判断是否属实：安全上传到共享盘。
最后支持安全的远程关机与系统数据的升级和修改：设置管理员登入口：调用WlN-DOWS XP中的shutdown系统指令用以实现远程关机；启动对系统数据的升级和修改模块。
系统主要功能划为九大模块如表1所示：
系统主模块包括：读盘模块、上传模块、删除模块、文件列表模块、远程关机模块、数据修改及升级模块。其中Admin入口的功能是检测管理密码，密码输入正确则显示两个功能模块的按钮。在数据修改模块，管理员可以增加要禁止上传的文件类型和允许上传的文件类型。远程控制关机模块则调用Win-dows的外部命令来实现远程关机。这样做的目的是提高系统的稳定性跟兼容性，减少意外的发生。
Web管理:
a) 在PC终端通过IE浏览器输入:http://192.168.0.21/na_admin,进入FilerView界面;
b) Manage License通过FilerView查看License。
创建数据卷:
a) 通过FilerView Volumes→ADD进行创建卷vol0,Language:选择English(US),Total Volume Size:300GB(根据自己情况设置),其他选项默认完成;
b) FilerView Volumes→Manage管理,设置卷vol0为online状态。
创建QTree:
a) N5200G→Volumes→Qtrees→Add创建Qtree;
b) 输入Qtree名称及Qtree格式(unix),点击Add,提示Qtree创建成功;
c) N5200G→Volumes→Qtrees→Manage管理Qtree。
ISCSI配置:
a) 创建LUN,LUNs→Add;
b) 主机安装CLIENT,安装好后打开,添加盘阵IP:192.168.0.11,将IP激活;
c) 创建Initiator Group,LUNs→initiator→Add,选择端口类型以及操作系统,大框内为主机的NODE NAME;
d) LUNs MAP,LUNs→Manage点击红圈所示位置添加initiator Group,选择相应的group,点Add添加完成;
e) 至此,针对Windows主机的ICSCI输出已经完成,最后要在主机上识别盘阵。右键点击我的电脑→管理→存储→磁盘管理,操作→重新扫描磁盘,可以看到新的磁盘,格式化添加后就可以用了。
CIFS配置:
a) N5200G→Shares→Manage管理Qtree;
b) N5200G→Shares→Add添加磁盘映射share;
c) 通过命令行添加用户密码;
d) 密码要求英文与数字结合,修改密码:N5200G→passwd。输入需要修改的账号即可修改;
e) N5200G→Shares→Manage→change access设定登录用户使用权限;
f) 点击Add Access Control Entry增加权限用户;
g) 设定完毕就可以从主机上映射盘阵的磁盘了。主机识别逻辑磁盘:右键点击我的电脑→映射网络驱动器;
h) 输入:192.168.0.21share。
最后以相应权限的用户名登录即可。
3 系统应用与实现
3.1 磁盘限额
(1) 配置
a) N5200G→Volumes→Quotas→Add创建Quotas;
b) 选择形式及卷Quota Type:tree,点击Next;
c) 选择限制路径Disk Space Hard Limit;
d) 设置限制;
e) N5200G→Quotas→Manage,将需要应用设置的vol启动;
f) N5200G→Quotas→Edit Rules,Quota Type:tree,Quota Volume:vol1,选择要进行磁盘限额的Qtree:Disk Space Hard Limit,可以更改限制设置。
(2) 应用实例:基于文件夹的限额
N5200可以实现基于文件夹的限额,但只限于Qtree级的文件夹,不能实现多级文件夹的限额。
3.2 与Windows AD集成
(1) 配置
a) N5200G→Wizards→CIFS Setup Wizard,进入设置向导,单击Next;
b) Filer Name: NAS01(自定义)单击Next;
c) Authentication:Domain,选择Windows 2000;
d) Domain Name:Test(根据自己域名情况填写),键入Windows 2000 Administrator Name:administrator,Windows 2000 Administrator Password:验证;
e) Security Style:选择NTFS Only;
f) 确认设置信息,提交完成。
(2) 应用实例:与Windows AD集成失效
a) 重复上述设置过程,但第4步,要设置成其他的(可以自定义不存在的)Domain Name;
b) 再次重复上述设置过程,与Windows AD集成恢复正常。
3.3 即时数据保护
(1) 配置
a) Volumes→Snapshots→Add,按Volumes添加Snapshots;
b) Volumes→Snapshots→Configure,Snapshot Reserve:20%,如果磁盘空间不足,可以把此值调小,但快照保存的版本数就会减少。它会在定义的时间段内的某些时间点生成多个快照,这个快照就相当于一个时间点的备份。
(2) 应用实例:用户自行查找丢失文件
a) 用户在需要恢复文件的上一级目录单击右键选属性,可以看到以前的版本的选项卡,下面的窗口列出了相应时间点的快照。选择正确的时间点,打开就可以看到用户自己的文件和文件夹;
b) 注:操作系统为Windows XP SP1或Windows 2000,需安装Volume Shadow Copy client来实现。操作系统为Windows XP SP2及以上可以直接实现。
3.4 集中备份管理
(1) 虚拟磁带库配置
a) 在备份和虚拟磁带库管理共用服务器设置IP地址192.168.0.32,安装虚拟磁带库管理软件VE for Tape Console;
b) 双击打开软件,在“VE for Tape Server2”右键,添加“192.168.0.31”虚拟引擎;
c) 展开“Virtual tape library system-virtral tape library”,右键可以新建虚拟磁带库;
d) 为虚拟磁带库起名ibm-03584L32-001,并选择磁带库模式为03584L32;
e) 选择驱动器类型;
f) 设置磁带编码范围;
g) 完成虚拟磁带库配置。
(2) IBM TSM软件
a) 安装IBM TSM软件,以NDMP备份方式连接NAS N5200
首先定义磁带库:
Define library naslib libtype=SCSI
定义NAS devclass,指定devtype为NAS类型:
Define devclass nasclass devtype=nas library=naslib mountretention=0 estcapacity=300g
定义NAS存储池,TSM对NDMP备份使用不同的数据格式定义存储池:
非线性电力系统 篇12
磁致伸缩材料、压电陶瓷等智能材料均存在迟滞非线性现象。非线性特性的存在使智能材料重复性降低，瞬态位置响应速度变慢，可控性变差。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，更好地发挥智能材料的性能，很多科研机构和研究人员正在从事迟滞非线性系统建模及控制方法等方面的相关研究，因此，许多迟滞建模方法和控制技术应运而生，并日趋成熟、完善[1]。在迟滞建模方面，Preisach模型是应用最广的一类迟滞模型[2,3,4],1935年Preisach等人建立了比较完善的迟滞模型—Preisach模型。1997年PingGe为了适应迟滞补偿的需要，建立了改进的Preisach模型。并用该模型大幅提高了迟滞系统的跟踪精度。压电陶瓷等智能材料的迟滞系统可以通过串联Preisach模型和系统传递函数准确反映其迟滞特性。在非线性迟滞模型辨识方面[5]，可以通过最小二乘法进行离线辨识，最小二乘思想最早于1975年由高斯(K.F.Gauss)提出来，被广泛应用于系统辨识和参数估计，甚至在许多辨识方法失效的情况下，最小二乘法却可以提供对问题的有效解决办法[6]。也可以依据对象的输入/输出数据，不断地辨识模型参数以进行在线辨识，随着科学研究的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际，神经网络[7,8]是20世纪末迅速发展起来的一门高等技术。已经在各个领域得到了广泛地应用，神经网络辨识为解决未知不确定非线性系统的辨识问题提供了一条新的思路。神经网络辨识方法可以精确地模拟出迟滞系统。在辨识模型不断的改进下，基于辨识模型综合出来的控制方法也将随之不断的改进。
本研究通过辨识的传递函数建立其逆模型控制系统，根据对迟滞逆模型是否进行在线调整，可将控制方案分为动态控制和静态控制方案。本研究属于静态控制。静态补偿方案以Ping Ge,Samir Mittal,Sumiko Majima等为代表[9]。笔者在逆模型控制过程中加入PID控制器[10]，通过调节PID参数，使控制系统逐渐适应误差变化，最终将迟滞系统调整到一个满意的工作状态。本研究针对智能材料迟滞非线性现象，进行迟滞系统建模;然后，对迟滞系统进行系统辨识;最后，对辨识系统进行控制研究。
1 迟滞系统的建立
通过研究得出将Preisach模型和系统传递函数串联得到的迟滞系统能够达到比较理想的迟滞效果，迟滞系统能够准确地反应压电陶瓷等智能材料的迟滞特性。在相关的研究中已经得到论证[11]。迟滞系统结构如图1所示。
本研究采用Preisach模型做为纯迟滞模型，具有普遍意义。Preisach模型由最简单的滞回发生器γαβ叠加构造而成。尽管每个发生器仅能表现出一个局部记忆滞回，但叠加在一起就表现为全局记忆性。给定这一族发生器任意的权重函数μ(α，β)(该函数具体数值的选用取决于Preisach函数的构造)。其函数式为:
式中:x(t)—驱动器的输出，u(t)—输入。
由式(1)可知，Preisach模型函数为连续的双重积分函数，所以不便于模拟仿真，于是把积分模型离散处理，将Preisach模型采用Matlab/Simulink中的43个backlash算子叠加形成。通过设置backlash中deadband width参数达到叠加效果。每个算子的deadband width为1/7，这样得到的Preisach模型迟滞特性能够满足研究需求。输入信号通过多个迟滞算子叠加在一起得到迟滞输出信号。本研究采用u(t)=sin(πt)作为输入信号，得到的迟滞模型如图2所示。
然后本研究将得到的Preisach模型和系统传递函数串联起来，二阶传递函数作为系统传递函数在压电陶瓷等智能材料具有一般代表性，如超磁致伸缩微位移驱动器(GMA)中，根据GMA机电系统动力学模型和牛顿第二定律可知GMA系统传递函数为二阶传递函数[12]，在Matlab中通过模型转化命令可以实现离散传递函数和连续传递函数之间的相互转换[13]。所以本研究采用离散二阶传递函数作为系统传递函数具有一般代表性，选用传递函数为G(z)=(-0.2z+0.2)/(z2-1.1z+0.1)，输入信号通过迟滞系统得到输出y(t)如图3所示。
2 迟滞模型的系统辨识
通过输入信号u(t)和迟滞系统得到输出数据y(t)进行模型的参数辨识。根据辨识方法和精度不一样，系统参数辨识可以分为离线辨识和在线辨识。离线辨识常用的辨识方法为最小二乘法。在线辨识方法比较广泛，本研究主要采用神经网络辨识方法。
本研究通过分析最小二乘法和神经网络辨识原理，然后对迟滞系统进行辨识，再比较离线辨识和在线辨识的辨识结果。
2.1 最小二乘法辨识
离散系统函数表达式为:
本研究采用最小二乘法来确定模型参数，待估参数向量θ为:
式中:φ—数据向量。
对象式(2)可以写成如下最小二乘形式:
其中:。
利用最小二乘法得到系统辨识参数θ为:
通过迟滞系统输入信号u(t)和输出数据y(t)得到最小二乘法辨识参数为:
式(2)在零初始条件下，取Z变换:
得到的辨识传递函数为:
辨识原理图如图4所示。实际输出和最小二乘法辨识输出以及比较误差如图5所示，输入信号y(t)和辨识系统输出信号yG(t)之间误差e(t)是比较小的，从而确认式(7)二阶模型的有效性。
P—迟滞系统;v(t)—干扰信号，由Matlab中噪声信号得到;y(t)—迟滞系统输入信号u(t);yG(t)—辨识输出信号
2.2 神经网络辨识
由于神经网络优越的自调整和自适应性，本研究采用神经网络辨识方法进行迟滞模型参数辨识，神经网络的辨识方法如图6所示。
P—图1所示迟滞系统;v(t)—干扰信号;y(t)—迟滞系统∧输入信号u(t);—辨识输出信号;e(k)—比较误差
神经网络辨识原理为:
令θ为神经网络权值w:
神经网络训练规则为:
其中:
式中:ci—加权因子，0
本研究使用离线辨识二阶模型估计参数作为神经网络在线辨识加权系数的初始值。这将减少在线辨识的计算时间。根据式(11)和式(12)，得到迟滞系统的神经网络辨识模型。二阶模型辨识参数结果如图7所示。神经网络辨识模型输出和迟滞模型实际输出以及相关的误差如图8所示。因为误差很小，辨识输出和实际输出几乎重叠。
根据图8得到迟滞系统输出和神经网络辨识输出误差已经非常小，可以得出Matlab/Simulink搭建的神经网络辨识模型能够准确地辨识出迟滞系统的模型参数，从而说明神经网络辨识方法的有效性。
通过观察比较离线和在线辨识，离线最小二乘法每次的辨识结果只能得到一组参数，这样的辨识程序运行速度快，但是得到的参数误差相对比较大。神经网络辨识采用在线辨识，对参数进行实时调整，程序运行速度比离散有所减慢，但使得辨识参数和传递函数系数之间误差最小化，能找到最优辨识参数。
3 控制系统的设计和执行
通过系统辨识得到辨识传递函数模型，本研究针对辨识传递函数模型提供了两种控制方法:一种是逆模型控制系统，这是一种完全的开环控制系统，不需要任何反馈数据的控制器;另一种是前馈逆模型PID控制系统，这是一种闭环反馈系统，能够实时调整参数达到最佳控制效果。
3.1 建立逆模型控制系统
逆模型控制系统原理如图9所示。
yd(k)—迟滞系统输入信号;G-1(z)—逆模型;P—迟滞系统
最后，得到输出y(k)为:
逆模型稳定的前提是辨识得到传递函数必须稳定，根据离散传递函数稳定条件，传递函数必须是最小相位系统，其零点必须在z平面的单位圆里。如果传递函数是稳定的，那么直接用传递函数倒数可以得到系统的逆模型。即:
如果传递函数不稳定，那么式(7)不能直接用作建立逆模型控制系统，需要构建逆模型G-1(z)，逆模型有点滞后于迟滞系统，通过之前设计好的函数模型G1(z)和最优函数模型G2(z)来设计逆模型。即:
其中，之前设计好的函数模型为:
最优函数模型为:
其中:Δ≥1。
最优函数模型是不稳定的，因为它的极点不在z平面单位圆里面，所以G2(z)可以扩展为:
由于辨识传递函数是稳定的，直接通过式(17)可以得到逆模型。通过逆模型控制得到补偿效果如图10所示。
3.2 建立前馈逆模型PID控制
为了提高系统的鲁棒性，更好操作参数变化。本研究设计一种前馈逆模型PID控制方法。其原理如图11所示。
yd(k)—迟滞系统输入信号;G-1(z)—逆模型;P—迟滞系统;PID—误差控制器
前馈逆模型PID控制数学模型为:
其中:
前馈逆模型PID控制器的控制结果如图12所示，通过图12得出:输入信号与前馈逆模型PID控制的输出信号已经很接近，两者之间误差已经很小。为了更好说明前馈逆模型PID控制器的有效性，测试前馈PID控制器的控制能力，可以在不同频率下进行控制。本研究还采用u(t)=2sin(2πt)+10sin(0.5πt)作为输入信号，得到控制结果如图13所示。图12、图13结果说明控制器可以有效跟踪动态输入信号，实现对迟滞系统有效补偿控制。
通过相同输入信号u(t)=sin(πt)作用，逆模型控制方法和前馈逆模型PID控制方法的补偿结果如图10、图12所示。为了更直观地比较两种控制方法的控制效果，本研究采用均方根误差来比较。其计算公式为:
得到的比较结果如表1所示。最后可以得到前馈逆模型PID控制方法能更有效进行迟滞补偿。
4 结束语
本研究运用Preisach模型和系统传递函数建立了迟滞系统，通过辨识结果说明离线和在线辨识方法都能有效辨识迟滞系统，从辨识误差分析结果可以看出，神经网络在线辨识方法能非常精确地辨识迟滞系统。由迟滞系统补偿结果来看，迟滞非线性已基本得到消除。该结果说明所提出的前馈逆模型PID控制是可行的，但此时要注意PID参数的选取，避免出现饱和、振荡等情况的发生。