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擴散硅壓力傳感器遲滯建模及補償研究碩士畢業(yè)論文-wenkub.com

2025-06-20 17:15 本頁面
   

【正文】 其中在仿真過程中,將遲滯環(huán)正程(或逆程)的后一個采樣點作為反饋引入到相對應的逆程( 或正程) 的建模過程中來。而遲滯的動態(tài)特性表現(xiàn)為:遲滯的輸出與遲滯輸入信號的變化率或者頻率相關。 167。2.后件線性參數(shù)的辨識盡管對于后件線性參數(shù)的辨識可以采用誤差反傳或最速下降法來辨識上述網(wǎng)絡中的參數(shù),但是這種簡單的優(yōu)化算法在其收斂前要花費很長的時間。性能指標的選取也可以多樣化,一般來說都是選取誤差平方的均方值,即: (35))((??????????NKkyJ其中 為根據(jù)模型計算出的第 個采樣時刻的輸出值, 為總的采樣次數(shù)。其基本思想 [55]是:根據(jù)系統(tǒng)的特征對輸入變量進行模糊聚類,確定前件部分輸入變量的隸屬度函數(shù)分布,在這種劃分下,再辨識后件部分的參數(shù)。圖 高斯型隸屬度函數(shù)曲線1w2wxx yy1111 ryqxpf ??2222 ryqxpf ?? 121212wfff wff????圖 TakagiSugeno 模型的推理機制圖 兩輸入單輸出的 ANFIS 結構圖TS 模糊模型作為一階模糊推理系統(tǒng),TS 模型的前件結構和參數(shù)通過減法聚類的方法生成,該網(wǎng)絡由前件網(wǎng)絡和后件網(wǎng)絡兩部分組成,前件網(wǎng)絡用來匹配模糊規(guī)則的前件,后件網(wǎng)絡用來匹配模糊規(guī)則的后件。為簡單起見,對于兩輸入 、 和單輸出 的模糊推理系統(tǒng),并采用常用的一xyf階 TakagiSugeno 模糊模型。167。這種模糊規(guī)則的模糊前件是模糊的,模糊后件部ixl分是確定的。 TS 模糊模型的數(shù)學描述1985 年,Takagi 和 Sugeno 提出了 TS 模糊模型 [52]。然而,TakagiSugeno 模糊模型的本質是將輸入空間劃分成若干模糊子空間并且在每一個模糊子空間中建立線性模型,然后使用隸屬度函數(shù)將各個局部模型光滑地連接起來,從而形成非線性系統(tǒng)的全局模糊模型,因此該模糊模型是處理復雜非線性系統(tǒng)的一種行之有效的方法。(2) TakagiSugeno 模糊模型從理論上講可以以任意精度逼近任何定義在緊集上連續(xù)函數(shù) [50]。1965 年, [47]首先提出了模糊建模的思想并受到人們的廣泛關注。1984 年成立了國際模糊系統(tǒng)協(xié)會(IFSA),F(xiàn)UZZY SETS AND SYSTEMS(模糊集與系統(tǒng))雜志與 IEEE(美國電氣與電子工程師協(xié)會)的“模糊系統(tǒng)”雜志也先后創(chuàng)刊。模糊理論是美國柏克萊加州大學電氣工程系 [47]教授創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學基礎上發(fā)展起來的,主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內容。 本章小結本章主要介紹了與遲滯相關的遲滯非線性定義與描述方法,對目前國內外學者提出的各種遲滯特性建模方法進行了分類和總結,引出本文后續(xù)章節(jié)中即將闡述的建模思想,并在此基礎上介紹了擴散硅壓力傳感器遲滯特性的補償方案。本文研究的擴散硅壓力傳感器的遲滯補償問題與壓電陶瓷一類執(zhí)行器的遲滯補償問題不同,后者作為執(zhí)行器采用逆模型前置于被補償對象進行遲滯逆轉補償。 Hwang 利用兩個結構相同的神經(jīng)網(wǎng)絡分別建立單環(huán)遲滯的上下半環(huán)的逆模型。 遲滯系統(tǒng)的補償方案在對遲滯非線性系統(tǒng)的補償方案中,目前最常用的方法是建立遲滯的逆模型,用逆模型來補償遲滯非線性以消除遲滯對系統(tǒng)的不良影響。Zhao Xin Long[46]在 Li Chuntao[43]的基礎上,從經(jīng)典 Preisach 模型輸出與其邊界線存在確定的映射關系出發(fā),提出一個具有明確數(shù)學表達式的遲滯算子擴張輸入一維空間,在三維空間上將遲滯的多值映射轉化為單值映射,然后用神經(jīng)網(wǎng)絡來逼近這個映射建立神經(jīng)網(wǎng)絡遲滯模型。Xuan Ju Dang[38][39][40][41][42]提出了兩個動態(tài) RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡串聯(lián)的混合神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)遲滯模型;提出了采用灰色理論中的累加生成(AGO)方法,將壓電陶瓷的非負多值對應的輸入與輸出特性的數(shù)據(jù)轉換為單值對應的新數(shù)據(jù),再通過神經(jīng)網(wǎng)絡建立壓電陶瓷的遲滯特性模型;在 Preisach 模型的結構下,用一階微分方程代替 relay 遲滯元,借鑒對角動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡模型,提出壓電陶瓷遲滯特性的一種新的數(shù)學模型;對多值對應的遲滯特性給予新解釋,提出遲滯特性是由形成多值對應的相位滯后部分和動態(tài)非線性部分組串聯(lián)組成,并采用改進的 Winner 模型建立壓電陶瓷的神經(jīng)網(wǎng)絡遲滯回環(huán)特性模型;運用空間擴張的思想,提出在二維空間上增加時間軸,構成三維空間,建立神經(jīng)網(wǎng)絡遲滯模型。他們首先對遲滯輸入進行變換,將輸入經(jīng)過一系列的遲滯算子,將每個算子的輸出作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入從而基于神經(jīng)網(wǎng)絡來對實現(xiàn)對遲滯非線性的辨識。luulbmv??rddt??ruubc?tmbmbclcvu4vlmrc3vrm2vtc1v 線性遲滯模型167。 )(vpr vr Play算子)(vsr v Stop 算子兩者存在以下關系: (217)??()()rrsvtptv??PI 模型的遲滯輸出用 Stop 遲滯算子可以表達: (218)??0()()Rrutstd??其中, 是遲滯輸入, 為遲滯輸出, 是權重函數(shù)。|),( maxin2121ssS??? (,)skv??1?)(1svr)(2svr?sks KP遲滯單元其數(shù)學描述為: (215)??21max(,)(0(,)inss rvtkvt??????????其中 隨著 符號的變化而更新。167。值得注意的是,與經(jīng)?,()vt??典 Preisach 模型的權重函數(shù) 不同,廣義 Preisach 模型的權重函數(shù),?不僅與遲滯單元的上下切換值 , 相關,并且與當前的輸入信號 相??,()vt? ?()vt關。Ping Ge[21]改進了廣義 Preisach 模型并應用到壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯建模中。記憶更新是指當輸入信號 在某時刻超()vt越了信號歷史極值(即大于極大值或小于極小值)時,則該歷史極值將不再影響該時刻以后的 Preisach 模型輸出。???1,????是積分區(qū)域。 基于算子類的模型167。BoucWen 微分方程遲滯模型是由阻尼環(huán)節(jié)與彈性環(huán)節(jié)的組合來簡化機械中的滯后環(huán)節(jié)而推導出來的,常用于描述機械結構中的力與位移的滯后關系以及磁鐵材料中的磁化曲線。ChuaStromsmoe 模型成功()utsinth?y模擬 電路中的非線性鐵芯電感,其改進模型還可以處理一些與輸入速率無關或RLC有關的遲滯現(xiàn)象。但是該模型存在與 Duhem 模型相同的問題,參數(shù)辨識過程復雜,且難以在線更新。k k—表征方向的參數(shù), 場增加, 取+1, 場減小, 取1。—飽和磁化強度。 JilesAtherton(JA)模型許多科學家在 Duhem 模型的基礎上提出了許多類似模型,其中又以 Jiles 和Atherton 提出的 JA 模型 [12][13]為著名。?v, 的定義為:fg1) 是分段光滑、單調遞增奇函數(shù),并且是有限的。 Duhem 模型Duhem 最先采用微分方程來對遲滯特性進行建模,其描述鐵磁材料中的遲滯特性方法借鑒與遲滯輸出僅與輸入方向變化有關的思想。這些建模方法具有諸多的優(yōu)點,但是現(xiàn)有的這些方法在反映遲滯非線性的動態(tài)性能和模型預測能力方面仍有待提高。(2) 第二種模型形式是基于現(xiàn)象學(phenomenological models)本身而建立的,基本形式為數(shù)學結構,現(xiàn)象學模型不必深入研究物理本質,主要使得模型動態(tài)表現(xiàn)與真實系統(tǒng)相似。(1) 第一種模型形式是基于物理學( physicsbased models)的相關原理,物理學模型是建立在物理學第一定律,并考慮了某些經(jīng)驗因素描述遲滯現(xiàn)象 [9]。 遲滯數(shù)學模型由于遲滯特性固有的多值對應、非常規(guī)、非平滑強非線性特性,使得對其建模存在很多困難。()ytw()xt圖 遲滯系統(tǒng)Mayergoyz 將所有的遲滯非線性劃分為局部記憶性(local memory)遲滯和非局部記憶性(nonlocal memory)遲滯兩種。在傳感器中,遲滯特性表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減少)行程期間,輸出輸入特性曲線不重合的程度。從微觀的觀點看,Chen 和 Montgomery[7]給出物理解釋為:遲滯環(huán)的產(chǎn)生是由于外部周期電場使磁疇轉換的結果。在基于“智能材料”的傳感器和執(zhí)行器中,由于“智能材料”本身固有的遲滯特性改變了應力-應變關系,影響傳感器的測量精度,導致許多不利后果,如控制系統(tǒng)失穩(wěn)、測量產(chǎn)生嚴重誤差等,因此,近年來對遲滯非線性特性的研究已受到廣泛關注。第五章:本章說明了擴散硅壓力傳感器補償?shù)目傮w設計思路,編寫了基于Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)下主要模塊程序,即:壓力信號采集模塊、濾波處理模塊、遲滯算法補償模塊和 LCD 實時顯示模塊。第二章:本章主要介紹了遲滯的定義與描述方法,對目前國內外學者提出的遲滯建模方法進行了分類和總結,并在此基礎上介紹了擴散硅壓力傳感器遲滯特性的補償方案。在本文 Windows CE 嵌入式系統(tǒng)設計中,我們選用成都英創(chuàng)信息技術有限公司提供的 EM9000 嵌入式模塊作為嵌入式智能擴散硅壓力傳感器系統(tǒng)設計的開發(fā)平臺。但擴散硅壓力傳感器本身固有的多值對應的遲滯非線性特性,限制了測量的精度。但是,擴散硅壓力傳感器的遲滯及蠕變非線性對測量精度的影響現(xiàn)象一直沒有得到徹底解決,加上新型材料有待發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的工藝制造水平和信號調理技術尚不能達到高精度測量的要求,因此通過軟件補償代替硬件補償是解決傳感器遲滯問題的一條重要途徑,這將是未來擴散硅壓力傳感器技術進一步發(fā)展亟待解決的難題。由于擴散硅壓力傳感器體積小、重量輕、靈敏度高和生產(chǎn)工藝與集成電路工藝相兼容等優(yōu)點,使其在航天航空、國防、能源、汽車、環(huán)保、醫(yī)療和日常生活等領域得到了廣泛應用。而灰塵對傳感器精度的影響,有經(jīng)驗的使用者會采用適當?shù)姆雷o措施,如增加密封罩,表面涂適量的黃油等保護。其他的影響因素上面所講述的影響因素直接與傳感器接觸,還有一些其他因素看起來與傳感器本身關系不大,但卻影響傳感器的精度。原材料任何一種半導體材料,因為其內部的組織結構關系的復雜性,受到外力加壓后在微小晶粒之間會產(chǎn)生微應變,當在外力消失后,微應變隨之消失,但是不一定恢復到原始狀態(tài),不同的材料則有完全不一樣的遲滯特性。167。半導體材料的電阻率隨作用力而變化,這就是壓阻效應。典 ,它是以半導體的壓阻效應為理論依據(jù),[2]采用半導體加工工藝,在設計中為了提高滿量程輸出,減小零點溫度漂移及提高靈敏度,通過擴散或離子注入的方法在單晶硅的一定晶向、一定位置上形成四個擴散電阻,并把它們組成惠斯頓電橋,為了測量腐蝕性氣體、液體,有的還有隔離膜片,內腔充填硅油。因此,消除傳感器中的遲滯非線性,提高傳感器的測量精度受到越來越多的專家學者的關注,這也是本課題研究的主要問題。然而,存在于這些半導體材料中的遲滯非線性不但會限制了傳感器測量精度的進一步提高,甚至會導致測量出現(xiàn)嚴重偏差 。 結論 .......................................................................................................................61167。 遲滯補償算法 .......................................................................................................52167。 本章小結 ...............................................................................................................47第五章 嵌入式智能擴散硅壓力傳感器補償系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ........................................48167。 Windows CE 系統(tǒng)簡介 .............................................................................42167。 嵌入式微處理器(EMPU) ......................................................................................40167。 本章小結 ...............................................................................................................38第四章 嵌入式系統(tǒng)概述及設計開發(fā) ................................................................................39167。 遲滯逆算子 .....................................................................................................31167。 遲滯算子 ......................
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