專利名稱：：基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種工業(yè)控制
技術(shù)領(lǐng)域：
的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，具體是一種基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法。
背景技術(shù)：
：在工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，一個半物理仿真控制系統(tǒng)通常包含了模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、信號處理板、控制器、驅(qū)動電路、被控對象及其他監(jiān)控單元。為了獲得可靠的控制性能，需要對半物理控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模和仿真。在系統(tǒng)建模中，經(jīng)常忽略模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換部分或者僅把它們看作一個增益環(huán)節(jié)。然而，根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理，信號轉(zhuǎn)換過程不但會產(chǎn)生常值漂移和量化誤差，而且也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換延時，即信號通過數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，其相位和幅值特性將發(fā)生變化。當(dāng)控制系統(tǒng)中采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡性能較差時，會對控制信號產(chǎn)生較大的影響。特別對于精確半物理仿真控制系統(tǒng)，產(chǎn)生很大的控制誤差，甚至可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)散。為了提高半物理仿真控制系統(tǒng)的性能，需要對數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡進行數(shù)學(xué)建模。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，韓豐田在清華大學(xué)博士論文"變結(jié)構(gòu)起支與剛度補償?shù)闹绷黛o電支承系統(tǒng)研究"(2002年9月第60-64頁)中，采用具有延時和零階保持器特性的模型對數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程進行近似，其中延時環(huán)節(jié)表示模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換消耗的時間，零階保持器描述了模擬信號保持的過程，并將近似模型帶入閉環(huán)控制系統(tǒng)重新設(shè)計控制器，改善控制系統(tǒng)的性能。由于模型中時間常數(shù)都是近似的，往往不能反應(yīng)實際模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的轉(zhuǎn)換延時，因此該模型的準確性不是很高。而且對于多通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，每個通道的轉(zhuǎn)換延時會存在差異，而相應(yīng)手冊中通常沒有給出這種差異。另外，盡管文獻中討論了量化誤差產(chǎn)生原因，并給出減少量化誤差的方法，但沒有提及常值漂移的影響。實際上對于數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡來說，常值漂移比量化誤差對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性有更大的影響，它不但能降低控制系統(tǒng)性能，甚至可以導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)散。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法。根據(jù)半物理仿真控制系統(tǒng)特點，將數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)起來統(tǒng)一辨識。利用Simulink(邁斯沃克公司開發(fā)的模塊化仿真建模平臺)和xPCTarget(邁斯沃克公司開發(fā)的實時仿真建模工具箱)建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡測試平臺。利用測試數(shù)據(jù)，對數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的等效模型進行辨識。該等效模型包含了轉(zhuǎn)換延時、常值漂移及量化誤差，能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后的工作特性。在半物理仿真控制系統(tǒng)設(shè)計中，控制工程師可以采用辨識法得到的等效模型替代數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，建立控制系統(tǒng)的仿真模型。進一步能夠利用各種優(yōu)化算法重新設(shè)計控制器，提高控制系統(tǒng)的性能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下歩驟第一步，采用Simulink和xPCTarget建立一個數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的測試平臺，用于半物理仿真中數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的串聯(lián)測試，通過純數(shù)字式的信號輸入和存儲，獲得準確的輸入輸出測試數(shù)據(jù)；第二歩，基于等效模型變換原則，建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后的等效模型，該模型包含了常值漂移、量化誤差及轉(zhuǎn)換延時。然后利用在測試平臺下采集的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，對等效模型進行辨識，包括常值漂移辨識、量化誤差辨識及轉(zhuǎn)換延時辨識，其中采用曲線擬合和正態(tài)分布驗證法獲得數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移和量化誤差，并基于預(yù)測誤差最小化的方法獲得轉(zhuǎn)換延時模型，最后進行等效模型驗證，完成整個辨識過程。所述建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的測試平臺，步驟如下Q軟件安裝測試平臺是基于主機-目標機模式建立的，因此需要兩臺PC機。一臺主機用于模型建立、代碼生成及數(shù)據(jù)分析；一臺目標機機用于測試模型實時運行及數(shù)據(jù)采集，其中目標機機可以是普通PC機、PC104或工業(yè)控制板。在主機上安裝Matlab開發(fā)環(huán)境，包括Simulink、xPCTarget、RealTimeWorksh叩(邁斯沃克公司開發(fā)的實時代碼生成工具箱)、CurveFitting(邁斯沃克公司開發(fā)的曲線擬合工具箱)及SystemIdentification(邁斯沃克公司開發(fā)的系統(tǒng)辨識工具箱)，以上工具箱可以通過邁斯沃克公司購買。利用xPCTarget工具箱生成一個實時操作系統(tǒng)，安裝在目標機上。②硬件連接主機與目標機通信基于TCP/IP協(xié)議，在局域網(wǎng)內(nèi)通過網(wǎng)線將主機和目標機連接起來，實現(xiàn)二者之間的通信。這樣主機的代碼能夠下載到目標機，目標機的測試數(shù)據(jù)可以上傳到主機。③安裝數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡根據(jù)轉(zhuǎn)換卡的接口形式，把轉(zhuǎn)換卡與目標機連接起來。例如轉(zhuǎn)換卡為PCI接口，則把轉(zhuǎn)換卡插入目標機的PCI插槽。為了對數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后模型進行辨識，用導(dǎo)線將二者的模擬輸出和模擬輸入通道連接起來。④測試模型建立在Simulink下建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換的測試模型，該模型包含一個標準數(shù)字信號源、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡接口模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡接口模塊及數(shù)據(jù)采集模塊。通常xPCTarget的I/O庫中提供了多種轉(zhuǎn)換卡的接口模塊，如果沒有相應(yīng)的接口模塊，用戶可以在xPCTarget下參照其他轉(zhuǎn)換卡接口模塊進行簡單的修改，建立需要的接口模塊。⑤測試數(shù)據(jù)采集在主機上，利用RealTimeWorkshop工具箱對測試模型進行編譯，生成實時代碼。而后將實時代碼下載到目標機上。用戶根據(jù)需求定義運行時間、采樣周期等，然后進行實時仿真。仿真過程中數(shù)據(jù)存在目標機的內(nèi)存中，仿真結(jié)束后必須上傳到主機上。所述常值漂移辨識，是指在Matlab下用測試數(shù)據(jù)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡輸出結(jié)果減去參考輸入信號，獲得二者的殘差值。利用Fourier級數(shù)對殘差曲線進行擬合，可以獲得平滑曲線。為了提高擬合的準確性，同時不會花費過多的時間，采用八階傅立葉級數(shù)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)這里a。,a。,、是傅立葉級系數(shù)，w是基頻率。利用Matlab中DataStatistics工具可獲得擬合曲線的均值。該均值即為數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移。所述量化誤差辨識，是指在常值漂移辨識基礎(chǔ)上，利用殘差值減去擬合曲線，二者的差值表示數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的量化誤差。需要說明的是該誤差中可能包含一部分電路噪聲。采用正態(tài)分布法對這部分差值分布特性進行驗證。驗證過程中，采用Matlab中的normplot(X)命令畫數(shù)據(jù)分布圖，其中X表示差值數(shù)據(jù)集合。如果數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，得到的圖形近似為一條直線，然后利用normfit(X，alpha)命令獲得差值數(shù)據(jù)集合在(l-alpha)%置信水平下的均值和方差。若服從其他分布，則圖形中包含了曲線段，則需要采用其他的分布驗證法。所述轉(zhuǎn)換延遲辨識，是指由于數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡具有延時和零階保持特性，通過相應(yīng)的簡化處理可得到二者的轉(zhuǎn)換延時模型為其中《,a,6分別表示模型中的待辨識參數(shù)。利用Matlab中的SystemIdentification工具箱進行辨識。首先采用基于預(yù)測誤差最小的過程模型辨識方法；然后根據(jù)轉(zhuǎn)換延遲模型結(jié)構(gòu)，選擇僅包含一個極點和零點的模型；而后設(shè)置模型中待辨識參數(shù)的區(qū)間iCe(0,inf);ae(0,inf);6e(0，inf)。另外選擇辨識過程遞歸執(zhí)行的次數(shù)N，N為自然數(shù)。所述等效模型驗證，是指在Simulink下將常值漂移、量化誤差及轉(zhuǎn)換延遲模型組合起來構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的等效模型，并將等效模型放入真實測試模型中，替代的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的接口模塊，即測試模型中沒有實際的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡。利用RealTimeWorkshop生成新測試模型的代碼，并下載到目標機上實時運行，運行完成后將新測試結(jié)果上傳到主機。將新測試模型下獲得測試結(jié)果與真實測試模型中包含模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的測試結(jié)果比較，如果二者差值的均值近似為零，說明等效模型能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移；如果二者差值沒有明顯趨勢項，說明等效模型能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的轉(zhuǎn)換延時特性。為了對數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后的等效模型進行辨識，本發(fā)明建立了一個基于主機-目標機模式的新型測試平臺，該平臺不需要外部的標準電源和高精度測試設(shè)備，通過純數(shù)字式的信號輸入和存儲，獲得準確的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，運用Matlab提供的一系列工具箱對等效模型進行辨識。這樣在半物理仿真控制系統(tǒng)設(shè)計中，控制工程師可以采用辨識法得到的等效模型替代數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，建立控制系統(tǒng)的仿真模型。進一步能夠利用各種優(yōu)化算法重新設(shè)計控制器，提高控制系統(tǒng)的性能。圖l為本發(fā)明實施例的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡PCI1720U和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡PCI1710HG的測試平臺結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實施例的的正弦參考信號示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中的半物理仿真控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)示意其中(a)為等效變換前系統(tǒng)傳遞函數(shù)，(b)為等效變換后系統(tǒng)傳遞函數(shù)。圖4為本發(fā)明實施例的采用Fouier級數(shù)法得到的四通道曲線擬合示意其中(a)為通道l的曲線擬合，(b)為通道2的曲線擬合，(c)為通道3的曲線擬合，(d)為通道4的曲線擬合；(a)(d)的上圖均表示曲線擬合，點線表示實際殘差，實線表示擬合曲線；(a)~(d)的下圖均表示實際殘差和擬合曲線之間的差值。圖5為本發(fā)明實施例的采用正態(tài)分布法得到的量化誤差分布驗證其中(a)為通道l的量化誤差分布，(b)為通道2的量化誤差分布，(c)為通道3的量化誤差分布，(d)通道4的量化誤差分布。圖6為本發(fā)明實施例包含數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡等效模型的新測試模型與實際測試模型的輸出結(jié)果差值示意其中(a)為通道l的差值，(b)為通道2的差值，(c)為通道3的差值，(d)為通道4的差值。具體實施例方式以下結(jié)合附圖闡述的是本發(fā)明給出的一個實施例表現(xiàn)出的優(yōu)良模型辨識效果。需要指出，本發(fā)明不只限于下述的實施例，本實施例在不偏離本發(fā)明基本精神及不超出本發(fā)明實質(zhì)內(nèi)容所涉及范圍的前提下進行實施，給出基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換辨識方法，適用于各種不同類型的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機械等行業(yè)中的半物理仿真控制過程。實施例針對一個半物理仿真控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的研華公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡PCI1720U和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡PCI1710HG，采用基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，介紹具體實施步驟。1).軟件安裝本實施例基于主機-目標機模式，將一臺PC機作為主機，一臺配有軟驅(qū)的PC機作為目標機。在主機上安裝Matlab開發(fā)環(huán)境，包括Simulink、xPCTarget、RealTimeWorkshop、CurveFitting及SystemIdentification等工具箱。用xPCTarget工具箱生成實時操作系統(tǒng)用于啟動目標機。然后通過網(wǎng)線將主機和目標機分別接入局域網(wǎng)。2).硬件連接實施例中采用的PCI數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和PCI模數(shù)轉(zhuǎn)換卡分別是Advantech的PCI1720U和PCI1710HG。兩個轉(zhuǎn)換卡都是基于PCI總線，可以直接將它們插在目標機的兩個PCI插槽上，而后采用各自的線纜把轉(zhuǎn)換卡和它們的接線板連接起來。為了對四路I/0通道進行辨識，用四根導(dǎo)線將模擬輸出端子板的四個模擬輸出口和模擬輸入端子板的四個模擬輸入口連接起來。另外，通過RJ45網(wǎng)線將目標機和主機分別連接到路由器上，目標機和主機之間基于TCP/IP協(xié)議進行通訊。構(gòu)建的測試平臺如圖l所示。3).建立測試模型在Simulink下建立模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換的測試模型，該模型包含一個幅度5V，頻率100HZ的正弦參考信號，該信號作為測試模型中PCI1720U接口模塊四個通道的輸入。通過外部硬件連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的四通道模擬輸出信號作為模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的四通道模擬輸入信號，而后通過測試模型中PCI1710HG接口模塊實現(xiàn)數(shù)字信號采集。4).測試數(shù)據(jù)采集在主機上，利用RealTimeWorkshop工具箱對測試模型進行編譯，生成實時代碼。而后將實時代碼下載到目標機上并執(zhí)行實時仿真。實驗中設(shè)定實時運行時間為4000s、采樣周期為0.002s等，共采集2^個樣本。由于測試模型編譯時包含了模型離散化過程，而測試模型離散化過程中設(shè)定的離散化時間為le—8s，因此正弦信號僅運行了0.02s，如圖2所示。5).基于等效變換建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的等效模型為了驗證PCI1720U和PCI1710HG的等效模型在半物理仿真控制系統(tǒng)中的有效性，建立了一個經(jīng)典的半物理仿真控制系統(tǒng)的模型。如圖3所示。其中:控制器傳遞函數(shù)；數(shù)模轉(zhuǎn)換卡PCI1720U的等效傳遞函數(shù)；功率驅(qū)動電路的等效環(huán)節(jié)，一般采取常增益形式；信號處理電路的等效傳遞函數(shù)；P(力被控對象的等效傳遞函數(shù)；C^/D(s):模數(shù)轉(zhuǎn)換卡PCI1710HG的等效傳遞函數(shù)。根據(jù)圖3(a)，可以得到閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(1)在圖3(b)中，由于包含了PCI1720U和PCI1710HG的串聯(lián)模型GO)，因此其閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以寫為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)把G(X)-G飽O)G廂O)代入式(2)，可以看出《0)=7^.0)。因此PCI1720U和PCI1710HG串聯(lián)后的等效模型不會對半物理仿真控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可以對串聯(lián)后的等效模型G(力進行統(tǒng)一辨識。該等效模型包括常值漂移、量化誤差以及轉(zhuǎn)換延遲。利用歩驟1-4得到的測試數(shù)據(jù)，在主機的Matlab環(huán)境下對PCI1720U和PCI1710HG的等效模型進行辨識。5).常值漂移辨識首先從四個通道輸出結(jié)果減去正弦參考信號，獲得四通道的殘差值，如圖4中每通道的上圖虛線所示，可以看出曲線包含了常值漂移、量化噪聲及轉(zhuǎn)換延時引起的相位偏差。利用八階Fourier級數(shù)對殘差曲線進行擬合，獲得四個通道的擬合曲線，如圖4中每通道的上圖實線所示。利用Matlab中數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具可以計算擬合曲線的均值。該均值即為數(shù)模轉(zhuǎn)換卡PCI1720U和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡PCI1710HG的常值漂移。四個通道常值漂移如表1所示。表1.數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后的轉(zhuǎn)換誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在步驟5的基礎(chǔ)上，將殘差值與擬合曲線數(shù)據(jù)相減，得到轉(zhuǎn)換過程中數(shù)模轉(zhuǎn)化卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的量化誤差，如圖4中(a)-(d)的下圖所示。需要說明的是該誤差中包含一部分電路噪聲。采用正態(tài)分布法對這部分差值進行驗證。驗證過程中，采用Matlab中的normplot(X)命令畫數(shù)據(jù)分布圖，其中X表示差值數(shù)據(jù)集合。如圖5所示，圖中("+"表示)表示量化誤差的分布驗證圖，可以看出四個通道的圖形近似為一條直線，這說明量化誤差近似為正態(tài)分布。然后利用normfit(X，alpha)命令獲得差值集合在(l-alpha)%置信水平下的均值和方差。由于量化誤差的均值接近于零，可以忽略，這里僅計算方差值。如表l所示。實驗中模數(shù)轉(zhuǎn)換卡PCI1710HG的D/A分辨率12位，輸入范圍[-10V，10V]，增益0.5;數(shù)模轉(zhuǎn)換卡PCI20U的A/D分辨率12位，輸入范圍[-10V,10V]，增益為0.5。對于四舍五入型的PCI1710HG和PCI1720U來說，二者量化誤差均為丄x(10，10)x05:o腦v?？紤]到轉(zhuǎn)換過程中二者的量化誤差不相關(guān)性，它們2212串聯(lián)后的量化誤差應(yīng)為0力024V?？梢钥闯鰧嶋H量化誤差比理想值(0.0024V)大，這是由于轉(zhuǎn)換過程中量化誤差疊加了電路噪聲。注意這里所提到的量化誤差均指其標準差。7).轉(zhuǎn)換延遲辨識從PCI1720U和PCI1710HG的工作機制看，其內(nèi)部均有保持特性。二者的零階保持器特性分別用式(3)中的(a)和(b)表示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>結(jié)合各自的轉(zhuǎn)換延遲時間常數(shù)，PCI1720U和PCI1710HG的完整模型結(jié)構(gòu)可以分別用式(4)中的(a)和(b)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>從原理上這種模型結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡的轉(zhuǎn)換延時特性，但其中的參數(shù)不能直接獲得。為了提高辨識的準確性，需要對模型進行簡化。這里首先采用二階泰勒級數(shù)來簡化模型結(jié)構(gòu)。數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的簡化形式如下(5)式(5)中7;、7;+rDM，^為數(shù)模轉(zhuǎn)換增益c忽略分母中的二階項，進一步整理可得其中A，、《w是PCI1720U的模型系數(shù)。通過類似的化簡，可以得到數(shù)模轉(zhuǎn)換卡PCI1710HG的模型:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中"2A，《A/D是PCI1710HG的模型系數(shù)。根據(jù)PCI1720U和PCI1710HG的串聯(lián)特性，忽略二階項后可得二者的轉(zhuǎn)換延時模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式(8)中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>可以看出，PCI1720U和PCI1710HG的轉(zhuǎn)換延時特性可以通過僅包含一個極點和零點的模型表示。在步驟5的基礎(chǔ)上，從測試數(shù)據(jù)中減去常值漂移，而后將正弦參考信號和測試數(shù)據(jù)作為辨識方法的輸入輸出數(shù)據(jù)集合。利用Matlab中的SystemIdentification工具箱進行辨識。首先采用基于預(yù)測誤差最小的過程模型辨識方法；然后根據(jù)轉(zhuǎn)換延遲模型結(jié)構(gòu)，選擇僅包含一個極點和零點的模型；而后設(shè)置模型中待辨識參數(shù)的區(qū)間〖e(o，inf);fle(0，inf);6e(0,inf)式9表示四個通道的辨識結(jié)果。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>為了驗證第二部分提出的簡化模型結(jié)構(gòu)，其他幾種模型結(jié)構(gòu)被用來進行比較。表2中的模型結(jié)構(gòu)分別表示如下表2.不同模型結(jié)構(gòu)的辨識準確率(％)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>P1D:包含一個極點和純延遲環(huán)節(jié)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>P2D:包含兩個極點和純延遲環(huán)節(jié)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>P1DZ:包含一個極點、零點及純延遲環(huán)節(jié)1+7>;P1Z:包含一個極點、零點及純延遲環(huán)節(jié)1+7^;表2給出了采用PEM方法進行20次遞歸后獲得的四通道辨識結(jié)果?？梢钥闯?，在這四種模型結(jié)構(gòu)中，采用P1Z模型結(jié)構(gòu)能取得最高的辨識準確率，說明P1Z模型結(jié)構(gòu)是有效的。另外相對其他幾種結(jié)構(gòu)，P1Z模型結(jié)構(gòu)是一種比較簡單的線性模型，在控制系統(tǒng)系統(tǒng)建模設(shè)計中，能夠簡化控制系統(tǒng)的模型，方便系統(tǒng)建模和仿真。8).建立PCI1720U和PCI1710HG串聯(lián)后的等效模型在Simulink下采用一個常數(shù)模塊表示PCI1720U和PCI1710HG的常值漂移；采用正態(tài)分布噪聲模塊表示二者轉(zhuǎn)化過程中的量化噪聲；采用包含一個極點和零點的傳遞函數(shù)表示轉(zhuǎn)換延遲模型；同時考慮實驗中PCI1710HG的模擬信號輸入范圍為[-10V,10V]，PCI1720U的輸出范圍為[-10V,10V]，因此需要在辨識模型的輸入和輸出端增加飽和環(huán)節(jié)。在半物理仿真控制系統(tǒng)設(shè)計中，控制工程師可以采用等效模型替代數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，建立控制系統(tǒng)的仿真模型。進一步能夠利用各種優(yōu)化算法重新設(shè)計控制器，提高控制系統(tǒng)的性能。。9).驗證等效模型在Simulink下利用等效模型替代PCI1720U和PC11710HG，建成一個新的測試模型。利用RealTimeWorksh叩生成實時代碼，并下載到目標機上實時運行，運行完成后將測試結(jié)果上傳到主機。將新測試模型下得到的測試結(jié)果與實際測試模型得到的測試結(jié)果比較，如圖6所示?？梢钥闯龆卟钪档木到茷榱?，說明等效模型能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移；二者差值也沒有明顯趨勢項，說明等效模型能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的轉(zhuǎn)換延時特性。二者之間差值產(chǎn)生的原因由于這兩個測試模型不屬于同一個測試過程，新測試模型中的誤差與實際測試模型的量化誤差沒有相關(guān)性。根據(jù)兩個不相關(guān)信號的方差計算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(10)x，f分別表示兩個測試過程中獲得數(shù)據(jù)序列，二者相減時，它們的噪聲方差會相互疊。通過本實施例可以看出，采用簡化后的轉(zhuǎn)換延遲等效模型結(jié)構(gòu)，四個通道的辨識準確率達到99.88%，最后的辨識結(jié)果幾乎沒有任何常值漂移及轉(zhuǎn)換延遲引起的誤差。這說明采用基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換辨識方法，準確的辨識出了PCI1720U和PCI1710HG的等效模型。權(quán)利要求1、一種基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，其特征在于包括以下步驟第一步，采用Simulink和xPCTarget建立一個數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的測試平臺，用于半物理仿真中數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的串聯(lián)測試，通過純數(shù)字式的信號輸入和存儲，獲得準確的輸入輸出測試數(shù)據(jù)；第二步，基于等效模型變換原則，建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后的等效模型，該模型包含了常值漂移、量化誤差及轉(zhuǎn)換延時，然后利用在測試平臺下采集的輸入輸出測試數(shù)據(jù)對等效模型進行辨識，包括常值漂移辨識、量化誤差辨識及轉(zhuǎn)換延時辨識，其中采用曲線擬合和正態(tài)分布驗證法獲得數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移和量化誤差，并基于預(yù)測誤差最小化的方法獲得轉(zhuǎn)換延時模型，最后進行等效模型驗證，完成整個辨識過程。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，其特征是，所述建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的測試平臺，步驟如下①測試平臺是基于主機-目標機模式建立的，采用兩臺PC機，一臺主機用于模型建立、代碼生成及數(shù)據(jù)分析，另一臺目標機機用于測試模型實時運行及數(shù)據(jù)采集，在主機上安裝Matlab開發(fā)環(huán)境，包括Simulink、xPCTarget、RealTimeWorkshop、CurveFitting及SystemIdentification,禾U用xPCTarget工具ff生成一個實時操作系統(tǒng)，安裝在目標機上；②基于TCP/IP協(xié)議，在局域網(wǎng)內(nèi)將主機和目標機連接起來，實現(xiàn)二者的通信，這樣主機的代碼能夠下載到目標機，目標機的測試數(shù)據(jù)能上傳到主機；③根據(jù)轉(zhuǎn)換卡的接口形式，把轉(zhuǎn)換卡與目標機連接起來，為了對數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡串聯(lián)后模型進行辨識，用導(dǎo)線將二者的模擬輸出和模擬輸入通道連接起來；在Simulink下建立數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換的測試模型，該模型包含一個標準數(shù)字信號源、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡接口模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡接口模塊及數(shù)據(jù)采集模塊；⑤在主機上，利用RealTimeWorksh叩工具箱對測試模型進行編譯，生成實時代碼，而后將實時代碼下載到目標機上，用戶根據(jù)需求定義運行時間、采樣周期，然后進行實時仿真，仿真過程中數(shù)據(jù)存在目標機的內(nèi)存中，仿真結(jié)束后必須上傳到主機上。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，其特征是，所述常值漂移辨識，是指在Matlab下用測試數(shù)據(jù)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡輸出結(jié)果減去參考輸入信號，獲得二者的殘差值，利用Fourier級數(shù)對殘差曲線進行擬合獲得平滑曲線，采用八階傅立葉級數(shù)提高擬合的準確性/(x)=2+Z[acos(,x)+6"sin(腳x)]這里"。，",6是傅立葉級系數(shù)，w是基頻率，利用Matlab中DataStatistics工具獲得擬合曲線的均值，該均值即為數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，其特征是，所述量化誤差辨識，是指在常值漂移辨識基礎(chǔ)上，利用殘差值減去擬合曲線，二者的差值表示數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的量化誤差，該誤差中可能包含一部分電路噪聲，采用正態(tài)分布法對這部分差值分布特性進行驗證，驗證過程中，采用Matlab中的normplot(X)命令畫數(shù)據(jù)分布圖，其中X表示差值數(shù)據(jù)集合，如果數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，得到的圖形近似為一條直線，然后利用normfit(X，alpha)命令獲得差值數(shù)據(jù)集合在(1-alpha)%置信水平下的均值和方差。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，其特征是，所述轉(zhuǎn)換延遲辨識，是指數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡具有延時和零階保持特性，通過簡化處理得到二者的轉(zhuǎn)換延時模型為其中I,a,6分別表示模型中的待辨識參數(shù)，利用Matlab中的SystemIdentification工具箱進行辨識首先采用基于預(yù)測誤差最小的過程模型辨識方法，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換延遲模型結(jié)構(gòu)，選擇僅包含一個極點和零點的模型，而后設(shè)置模型中待辨識參數(shù)的區(qū)間兀e(0,inf);ae(0,inf);6e(0，inf)，選擇辨識過程遞歸執(zhí)行的次數(shù)N，N為自然數(shù)。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，其特征是，所述等效模型驗證，是指在Simulink下將常值漂移、量化誤差及轉(zhuǎn)換延遲模型組合起來構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的等效模型，并將等效模型放入真實測試模型中，替代的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的接口模塊，即測試模型中沒有實際的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，利用RealTimeWorkshop生成新測試模型的代碼，并下載到目標機上實時運行，運行完成后將新測試結(jié)果上傳到主機，將新測試模型下獲得測試結(jié)果與真實測試模型中包含模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的測試結(jié)果比較，如果二者差值的均值近似為零，說明等效模型能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移；如果二者差值沒有明顯趨勢項，說明等效模型能夠準確模擬數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的轉(zhuǎn)換延時特性。全文摘要一種工業(yè)控制
技術(shù)領(lǐng)域：
的基于等效模型變換的數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換卡辨識方法，步驟為采用Simulink和xPCTarget建立一個數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的測試平臺，用于半物理仿真控制系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的串聯(lián)測試，通過純數(shù)字式的信號輸入和存儲，獲得準確的輸入輸出測試數(shù)據(jù)；基于等效模型變換原則，建立二者串聯(lián)后的等效模型，利用測試平臺下采集的輸入輸出測試數(shù)據(jù)對等效模型進行辨識，其中采用曲線擬合和正態(tài)分布驗證法獲得數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的常值漂移和量化誤差，并基于預(yù)測誤差最小化的方法獲得轉(zhuǎn)換延時模型。本發(fā)明能夠通過等效模型替代數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，離線設(shè)計控制算法，提高控制系統(tǒng)的性能。文檔編號G05B13/04GK101339409SQ20081004166公開日2009年1月7日申請日期2008年8月14日優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日發(fā)明者孫作雷,張克志,田蔚風(fēng),峰錢,顏詩源申請人:上海交通大學(xué)