申请/专利权人：湖南大学

申请日：2024-03-27

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN117951650B

主分类号：G06F18/25

分类号：G06F18/25;G06F17/16;G06F18/10;G06F18/2135;G06F18/27;G01G13/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2024.05.17#实质审查的生效;2024.04.30#公开

摘要：本发明公开了一种融合奇异谱分析与鲁棒子空间辨识的动态称量方法及系统，本发明包括将单个称量周期的称重信号通过SSA滤波以消除干扰，得到滤波后的称重信号，根据具有确定输入输出的检重秤系统的输入，以及作为输出的滤波后t2～t3时刻的称重信号采用鲁棒子空间辨识方法对检重秤系统的状态空间模型进行辨识，得到检重秤系统的状态空间模型并计算检重秤系统的稳态响应值并作为当前被测物体的重量。本发明能够抑制称重信号中的干扰，消除称重信号在陷波和低通滤波过程中的相位和幅值失真，解决利用ARMA和ARX辨识检重秤系统时干扰通常被视为系统动力学的一部分的问题，有效提升动态检重秤的测量效率与称量结果准确性。

主权项：1.一种融合奇异谱分析与鲁棒子空间辨识的动态称量方法，其特征在于，包括下述步骤：S101，将针对当前被测物体采集到的长度为N的单个称量周期的称重信号y=[y1,y2,…,yN]通过奇异谱分析方法进行滤波以消除干扰，得到滤波后的称重信号；所述单个称量周期是指从被测物体进入称量输送机的时刻t1到被测物体完全离开输出输送机的时刻t4之间的时间段，且该时间段中被测物体完全进入称量输送机的时刻为t2，被测物体离开称量输送机进入输出输送机的时刻为t3；S102，根据具有确定输入输出的检重秤系统的输入，以及作为输出的滤波后t2～t3时刻的称重信号采用鲁棒子空间辨识方法对检重秤系统的状态空间模型进行辨识，得到检重秤系统的状态空间模型；S103，根据辨识得到的检重秤系统的状态空间模型计算检重秤系统的稳态响应值并作为当前被测物体的重量；步骤S101包括：S201，选择满足的窗口长度L，将针对当前被测物体采集到的长度为N的单个称量周期的称重信号y=[y1,y2,…,yN]进行滞后排列，得到轨迹矩阵： ；S202，令，将轨迹矩阵转换为L行K列的矩阵： ；S203，对L行K列的轨迹矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，得到的特征值及其对应的特征向量，且满足，得到轨迹矩阵的奇异值分解表示： ，上式中，～表示L个基本矩阵，表示任意第h个基本矩阵，且，其中为轨迹矩阵的第h个特征值的平方根，和分别为对应奇异值的左奇异向量和右奇异向量，且；S204，对轨迹矩阵的奇异值分解表示中的L个基本矩阵进行自适应划分：如果任意第h个特征值大于L个特征值的均值，则判定第h个基本矩阵代表被测物体重量信号的基本矩阵，否则判定第h个基本矩阵代表干扰信号的基本矩阵，从而得到轨迹矩阵由被测物体重量信号、干扰信号的组合表示： 上式中，为当前被测物体重量信号的基本矩阵之和；为干扰信号的基本矩阵之和，～分别表示当前被测物体重量信号的l个基本矩阵，～分别表示干扰信号的L-l个基本矩阵；S205，采用对角平均的方法将当前被测物体重量信号的基本矩阵之和，重构还原为具有与原始单个称量周期的称重信号相同数据结构的序列以作为滤波后的称重信号；步骤S205包括：将维度为的当前被测物体重量信号的基本矩阵之和赋值给分组矩阵，在L和K之间取最小值、最大值，若，则令，否则令，为分组矩阵的共轭矩阵中第h行n列元素，为分组矩阵中第n行h列元素，根据下式计算得到具有与原始单个称量周期的称重信号相同数据结构的序列以作为滤波后的称重信号： ，上式中，为重构序列中的k时刻元素，为分组矩阵的共轭矩阵中第s行k-s+1列元素，N为单个称量周期的称重信号y的长度；步骤S102中检重秤系统的离散状态空间模型的函数表达式为： ，上式中，为k+1时刻检重秤系统的状态变量，为检重秤系统的状态矩阵，为k时刻检重秤系统的状态变量，为检重秤系统的输入矩阵，为检重秤系统的k时刻输入，为过程噪声，为滤波后检重秤系统的t2～t3时刻的输出，t2为完全进入称量输送机的时刻，t3为开始离开称量输送机的时刻，为检重秤系统的输出矩阵，为测量噪声，且有： ，，， ，，上式中，T为采样周期，为系统刚度系数，c为系统阻尼系数，m为秤台质量，M为被测物体质量，为任意大于零的实数，为检重秤系统的k时刻输入，g为重力加速度，为k时刻单位阶跃信号；所述采用鲁棒子空间辨识方法对检重秤系统的状态空间模型进行辨识是指所述采用鲁棒子空间辨识方法对检重秤系统的状态空间模型中检重秤系统的状态矩阵、输入矩阵以及输出矩阵进行辨识；所述采用鲁棒子空间辨识方法对检重秤系统的状态空间模型中检重秤系统的状态矩阵、输入矩阵以及输出矩阵进行辨识包括：S301，根据检重秤系统的输入和输出构造输入Hankel矩阵和输出Hankel矩阵； ， ，上式中，为第1～2i行j列的输入Hankel矩阵，和为第1～i行j列的输入矩阵，中的输入为过去的输入，中的输入为将来的输入，和为第i+1～2i行j列的输入矩阵，～为检重秤系统t2～t3时刻的输入；为第1～2i行j列的输出Hankel矩阵，和为第1～i行j列的输出矩阵，和为第i+1～2i行j列的输出矩阵，中的输出为过去的输出，中的输出为将来的输出，～为检重秤系统的滤波后t2～t3时刻的输出；S302，根据下式定义块Hankel矩阵和： ，，上式中，，，为第1～i+1行j列的输入矩阵，为第1～i+1行j列的输出矩阵；S303，根据下式计算斜投影和正交投影： ，，，上式中，为将来的共i行j列的输出矩阵、沿着将来的共i行j列的输入矩阵、在块Hankel矩阵上的斜投影；为将来的共i行j列的输出矩阵在块Hankel矩阵、将来的共i行j列的输入矩阵的行空间之和上的正交投影；为输出矩阵在块Hankel矩阵、输入矩阵的行空间之和上的正交投影，其中为第i+2～2i行j列的输入矩阵，为第i+2～2i行j列的输出矩阵；S304，根据下式计算加权斜投影的奇异值分解： ，上式中，表示斜投影的行空间投影到输入矩阵的行空间的正交补上，运算符“”表示正交补，为奇异值分解得到的左奇异矩阵，为奇异值分解得到的对角矩阵，为奇异值分解得到的右奇异矩阵，和为左奇异矩阵中的元素，和为对角矩阵的元素，和为右奇异矩阵中的元素，上标中的T表示转置；基于奇异值分解得到的奇异值的跳跃点确定模型阶数n，进而确定和；S305，根据下式确定可观测矩阵和可观测矩阵： ，上式中，表示可观测矩阵删除最后l行得到的结果，其中l为输出个数；S306，根据下式求解状态矩阵和输出矩阵： ，上式中，为可观测矩阵的伪逆矩阵，为只有一个块行的输出Hankel矩阵，为可观测矩阵的伪逆矩阵，和为卡尔曼滤波器残差，为中间变量，且有： ，，上式中，为Toeplitz矩阵，为删除最后l行得到的结果，其中l为输出个数；为状态矩阵的i-2次方，为状态矩阵的i-3次方，为状态矩阵的i-4次方；根据下式求解输入矩阵： 。

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