[发明专利]一种基于系统辨识与频响校正的传感器动态补偿方法

说明书

本发明为一种基于系统辨识与频响校正的传感器动态补偿方法，将时域辨识法与频域设计法相结合，用于传感器动态补偿器的设计，以有效提高传感器的时频域动态测量性能。首先，对传感器进行阶跃响应实验以获取其动态标定实验数据；其次，采用系统辨识法辨识传感器的一次补偿器，用于降低传感器的时域动态测量误差；然后，根据传感器经一次补偿后的频响特性进行误差超限模态分析和二次补偿器的循环构造，用于一次补偿后的频响校正，以拓宽传感器的测量带宽；最后，在应用中，采用一次补偿器和二次补偿器依次对传感器的测量输出进行动态补偿，从而确保有效提高传感器动态测量的时域跟随性能和频域测量带宽。

技术领域

本发明涉及传感器动态误差校正技术，特别是一种适用于传感器动态测量误差的时域实时动态补偿技术，解决了现有传感器时域动态补偿技术不能有效补偿低阶误差超限模态时而无法拓宽传感器动态测量带宽的问题。

背景技术

传感器动态测量误差是限制传感器动态测量带宽、制约其动态测试性能的重要因素。应用中对传感器测量数据进行实时动态补偿是降低传感器动态测量误差、提高其动态测量性能的重要途径。传感器动态补偿的关键在于动态补偿器的设计。目前，动态补偿器的设计方法已有很多，比如零极点配置法、系统辨识法等等。零极点配置法依赖于传感器的动态模型，主要是构造补偿器使其零极点与传感器模型中不合理的零极点相消，并引入系统期望的零极点，从而使传感器级联动态补偿器后达到期望的动态性能，该方法在传感器为非最小相位系统且主导正零点较小时难以获得满意的补偿效果。系统辨识法在本质上与零极点配置法类似，但该方法不依赖于传感器动态模型，而是通过传感器的实际输出和期望输出辨识得到传感器动态补偿器的参数，通常能获得较好的动态补偿效果。常用的系统辨识法有最小二乘法、预报误差参数估计法和神经网络法等等。由于动态补偿是在时域进行，所以这些方法也主要是从时域角度出发以使传感器经动态补偿后的输出与期望输出之间的时域误差最小为准则来辨识获得传感器的动态补偿器。虽然，系统辨识法获得的补偿器在时域通常能有效降低传感器的阶跃响应调节时间和超调量，从而获得比较好的补偿效果，但若传感器输出信号中高阶模态分量的误差远大于低阶模态分量误差，系统辨识法获得的补偿器则往往会忽略对幅值分量较小的低阶模态的补偿。这时，若低阶模态分量误差已超出允许误差带，则会导致补偿器虽然能大幅降低传感器测量输出的时域动态误差，但不能有效拓宽传感器的动态测量带宽。为表述方便，下面将超出允许误差带的模态分量称为误差超限模态。另外，若传感器存在非最小相位环节且主导正零点较小，往往会使系统辨识得到的动态补偿器虽然能缩短阶跃响应调节时间但会加长上升时间从而也会导致传感器的测量带宽被降低。针对这些情况，系统辨识法往往很难在时域响应时间、超调量和频域测量带宽之间取得一个比较好的平衡，从而影响对传感器测量输出的动态补偿效果。

发明内容

本发明要解决现有传感器时域动态补偿技术不能有效补偿低阶误差超限模态时从而无法拓宽传感器动态测量带宽的问题，提供一种基于系统辨识设计传感器一次补偿器、基于频响校正构造传感器二次补偿器并对传感器测量输出进行动态补偿的方法。

本发明所采用的技术方案是：首先，采用阶跃响应法对传感器进行动态标定实验，获取传感器的阶跃响应实验数据；其次，采用系统辨识法辨识传感器的一次补偿器，用于降低传感器的时域动态测量误差；然后，根据传感器经一次补偿后的频响特性分析制约其测量带宽的误差超限模态，并进行二次补偿器的循环构造和二次循环补偿后误差超限模态的分析，直至在传感器期望测量带宽内无误差超限模态，据此得到的二次补偿器用于传感器经一次补偿后各误差超限模态的频响校正，以拓宽传感器的测量带宽；最后，在应用中，采用系统辨识设计的一次补偿器和构造的二次补偿器依次对传感器的测量输出进行动态补偿，从而提高其时域测量的动态跟随性能并有效拓宽其频域测量带宽。其中，二次补偿器的传递函数由比例环节、二阶微分环节和二阶振荡环节组成，传递函数参数根据各误差超限模态的幅频曲线来计算。

本发明的技术流程为：动态阶跃响应实验1→一次补偿器辨识2→二次补偿器循环构造3→传感器时域动态补偿4，如图1所示。