[发明专利]基于等效模型变换的数模与模数转换卡辨识方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种工业控制技术领域的数模与模数转换卡辨识方法，具体是一种基于等效模型变换的数模与模数转换卡辨识方法。

背景技术

在工业控制系统设计过程中，一个半物理仿真控制系统通常包含了模数转换卡、数模转换卡、信号处理板、控制器、驱动电路、被控对象及其他监控单元。为了获得可靠的控制性能，需要对半物理控制系统进行数学建模和仿真。在系统建模中，经常忽略模数转换和数模转换部分或者仅把它们看作一个增益环节。然而，根据数模转换和模数转换的基本原理，信号转换过程不但会产生常值漂移和量化误差，而且也会产生转换延时，即信号通过数模和模数转换后，其相位和幅值特性将发生变化。当控制系统中采用的数模转换卡和模数转换卡性能较差时，会对控制信号产生较大的影响。特别对于精确半物理仿真控制系统，产生很大的控制误差，甚至可能导致控制系统发散。为了提高半物理仿真控制系统的性能，需要对数模和模数转换卡进行数学建模。

经对现有技术的文献检索发现，韩丰田在清华大学博士论文“变结构起支与刚度补偿的直流静电支承系统研究”(2002年9月第60-64页)中，采用具有延时和零阶保持器特性的模型对数模和模数转换过程进行近似，其中延时环节表示模数转换和数模转换消耗的时间，零阶保持器描述了模拟信号保持的过程，并将近似模型带入闭环控制系统重新设计控制器，改善控制系统的性能。由于模型中时间常数都是近似的，往往不能反应实际模数转换和数模转换卡的转换延时，因此该模型的准确性不是很高。而且对于多通道的数模转换卡和模数转换卡，每个通道的转换延时会存在差异，而相应手册中通常没有给出这种差异。另外，尽管文献中讨论了量化误差产生原因，并给出减少量化误差的方法，但没有提及常值漂移的影响。实际上对于数模转换卡和模数转换卡来说，常值漂移比量化误差对控制系统稳定性有更大的影响，它不但能降低控制系统性能，甚至可以导致控制系统发散。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种基于等效模型变换的数模与模数转换卡辨识方法。根据半物理仿真控制系统特点，将数模转换卡和模数转换卡串联起来统一辨识。利用Simulink(迈斯沃克公司开发的模块化仿真建模平台)和xPCTarget(迈斯沃克公司开发的实时仿真建模工具箱)建立数模转换卡和模数转换卡测试平台。利用测试数据，对数模转换卡和模数转换卡的等效模型进行辨识。该等效模型包含了转换延时、常值漂移及量化误差，能够准确模拟数模转换卡和模数转换卡串联后的工作特性。在半物理仿真控制系统设计中，控制工程师可以采用辨识法得到的等效模型替代数模转换卡和模数转换卡，建立控制系统的仿真模型。进一步能够利用各种优化算法重新设计控制器，提高控制系统的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，采用Simulink和xPCTarget建立一个数模转换卡和模数转换卡的测试平台，用于半物理仿真中数模转换卡和模数转换卡的串联测试，通过纯数字式的信号输入和存储，获得准确的输入输出测试数据；

第二步，基于等效模型变换原则，建立数模转换卡和模数转换卡串联后的等效模型，该模型包含了常值漂移、量化误差及转换延时。然后利用在测试平台下采集的输入输出测试数据，对等效模型进行辨识，包括常值漂移辨识、量化误差辨识及转换延时辨识，其中采用曲线拟合和正态分布验证法获得数模转换卡和模数转换卡的常值漂移和量化误差，并基于预测误差最小化的方法获得转换延时模型，最后进行等效模型验证，完成整个辨识过程。

所述建立数模转换卡和模数转换卡的测试平台，步骤如下：

①软件安装：测试平台是基于主机-目标机模式建立的，因此需要两台PC机。一台主机用于模型建立、代码生成及数据分析；一台目标机机用于测试模型实时运行及数据采集，其中目标机机可以是普通PC机、PC104或工业控制板。在主机上安装Matlab开发环境，包括Simulink、xPCTarget、Real Time Workshop(迈斯沃克公司开发的实时代码生成工具箱)、Curve Fitting(迈斯沃克公司开发的曲线拟合工具箱)及System Identification(迈斯沃克公司开发的系统辨识工具箱)，以上工具箱可以通过迈斯沃克公司购买。利用xPCTarget工具箱生成一个实时操作系统，安装在目标机上。

②硬件连接

主机与目标机通信：基于TCP/IP协议，在局域网内通过网线将主机和目标机连接起来，实现二者之间的通信。这样主机的代码能够下载到目标机，目标机的测试数据可以上传到主机。