本文将为浙大控制系朱豫才老师《系统辨识》课程的部分笔记
测试信号的选择取决于两方面:
- 信号的形状或波形
- 它的功率谱或频谱
高信噪比 ⟶\longrightarrow⟶ 信号功率尽可能大
对过程操作扰动小 ⟶\longrightarrow⟶ 幅值受到限制
因此在给定信号功率的情况下,小的幅值是比较合适的 ⟶\longrightarrow⟶ 振幅因数
The Crest Factor: Cr2=maxtu2(t)limN→∞1N∑t=1Nu(t)
\text{The Crest Factor: } C_r^2=\frac{max_tu^2(t)}{lim_{N\rightarrow\infty}\frac{1}{N}\sum_{t=1}^Nu(t)}
The Crest Factor: Cr2=limN→∞N1∑t=1Nu(t)maxtu2(t)
常见的测试信号类型
PRBS
MMM 以及 TclkT_{clk}Tclk 的含义以及对功率谱的影响
- 若时钟周期等于采样时间且 MMM 足够大则PRBS信号能模拟一个白噪声信号
- 最小的振幅因数
- 一个PRBS周期中的部分信号不具备整体性质,实验时间不能随意选择
- 低通特性可以通过滤波或者提高时钟周期得到,缺陷是部分频率区域信噪比低
GBN
- 在 −a-a−a 和 aaa 两个值之间转换,转换概率 P[u(t)=−u(t−1)]=pswP[u(t)=-u(t-1)]=p_{sw}P[u(t)=−u(t−1)]=psw
- 平均转换时间 ETsw=TminpswET_{sw}=\frac{T_{min}}{p_{sw}}ETsw=pswTmin,(白噪声GBN对应 psw=0.5p_{sw}=0.5psw=0.5)
- 功率谱为 Φu(w)=(1−q2)Tmin1−2qcosTminw+q2,q=1−2psw\Phi_u(w)=\frac{(1-q^2)T_{min}}{1-2qcosT_{min}w+q^2},q=1-2p_{sw}Φu(w)=1−2qcosTminw+q2(1−q2)Tmin,q=1−2psw
- 降低转换概率(增加平均转换时间)→\rightarrow→ 低通信号且频率点 2kπ/Tclk2k\pi/T_{clk}2kπ/Tclk 处非零
- 最小振幅因数
滤波白噪声
- 任何频谱分布可以通过滤波器的设计来进行近似 Φu(w)=∣F(eiw)∣2λ\Phi_u(w)=|F(e^{iw})|^2\lambdaΦu(w)=∣F(eiw)∣2λ
- 幅值分布均匀,振幅因素比二值信号大
叠加正弦波
考虑 mmm 个正弦波的叠加:
u(t)=∑j=1majsin(wjt+ϕj),0<w1<w2<...<wm<π
u(t)=\sum_{j=1}^ma_j\text{sin}(w_jt+\phi_j),0<w_1<w_2<...<w_m<\pi
u(t)=j=1∑majsin(wjt+ϕj),0<w1<w2<...<wm<π对应的谱为:
Φu(w)=2π∑j=1maj24[δ(w−wj)+δ(w+wj)]
\Phi_u(w)=2\pi \sum_{j=1}^m\frac{a_j^2}{4}[\delta(w-w_j)+\delta(w+w_j)]
Φu(w)=2πj=1∑m4aj2[δ(w−wj)+δ(w+wj)]
- 假设频率服从 [0,π][0,\pi][0,π] 均匀分布,且 mmm 足够大,则任何期望的频谱分布都可以通过设定适当的幅值来实现
- 叠加正弦波的振幅因数可能很大,可以通过设置相位来调整:Schroeder相位信号或随机选择相位。
nnn 维持续激励的频域解释:在区间 (−π,π)(-\pi,\pi)(−π,π) 中至少存在 nnn 个频率点上的非零的信号谱
一个 nnn 阶线性过程的可辨识性要求实验信号是 2n2n2n 维的持续激励,因此四类信号均为持续激励信号!
采样时间的确定
采样时间可以根据最小时间常数(从白噪声实验结果估计)、过程带宽(从白噪声实验结果估计)、过程调节时间(从阶跃实验估计)来估计。