一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，该方法的主要思想是通过将所测量得到的零均值噪声污染信号的积分扩张成为信号动态系统的额外状态，从而对增广系统设计基于反正切积分增广微分器以求取信号微分。该方法主要采取如下步骤实现：首先，建立零均值噪声污染信号动态系统模型；然后，将测量信号积分增广为新的系统状态，建立信号积分增广动态系统模型；进而，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器；最后，选取积分增广微分器参数，获取零均值噪声污染信号的微分。本发明专利技术方法能够有效解决现有方法求取零均值噪声污染信号微分效果较差的问题，适用于零均值噪声污染信号微分求取领域。

A differential acquisition method of noise pollution signal based on arctangent augmented differentiator

【技术实现步骤摘要】
一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法
本专利技术涉及一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，属于信号处理领域。
技术介绍
在信号处理领域和工程控制领域，微分信号的获取一直是一个技术难点。微分信号的精确提取对PID控制、反演控制和动态滑模控制等控制方法都有十分重要的意义，且在信号处理和参数估计中也有广泛应用。然而，信号的微分一般认为是不可直接测量获取的，早期的方法通常采用差分或超前网络来近似估计，但存在精度低、噪声抑制能力差等缺点。近年来，高阶滑模微分器、非线性跟踪微分器、有限时间微分器被用于信号微分获取。但当信号被噪声污染时，这些普遍存在精度较低、噪声抑制效果不理想等问题。零均值噪声在实际系统中广泛存在，在很多工程应用场景中，待测量信号往往被零均值噪声污染。因此，有必要专利技术一种全新的零均值噪声污染信号微分获取方法，以解决现有微分获取方法抗零均值噪声能力较差的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，能够有效解决现有方法求取零均值噪声污染信号微分效果较差的问题。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，包括如下步骤：步骤1，根据实际测量的零均值噪声污染信号建立零均值噪声污染信号动态系统模型；步骤2，将实际测量的零均值噪声污染信号积分后增广为步骤1建立的动态系统模型新的系统状态，从而建立信号积分增广动态系统模型；步骤3，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器；具体过程为：步骤31，定义z-1,z0,z1分别对应为x-1,x0,x1的估计值，x-1,x0,x1分别表示测量信号的积分、实际信号真值、实际信号的微分；步骤32，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器，为：其中，z-1(t),z0(t),z1(t)分别对应为x-1(t),x0(t),x1(t)的估计值，z-1(0)为z-1(t)的初始值，z-1(0)的取值为z-10，z0(0)为z0(t)的初始值，z0(0)的取值为z00，z1(0)为z1(t)的初始值，z1(0)的取值为z10，R为微分器加速度因子，b和ai为待调节的微分器参数，b＞0，ai＞0,i＝-1,0,1；步骤4，调节积分增广非线性微分器的参数，根据调节后的积分增广非线性微分器获取零均值噪声污染信号的微分。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述零均值噪声污染信号动态系统模型为：其中，y(t)＝υ(t)为实际测量的零均值噪声污染信号，n(t)为零均值噪声信号，x0(t)和x1(t)分别为实际信号真值及其微分，t表示时间，x0(0)为x0(t)的初始值，x0(0)取值为x00，x1(0)为x1(t)的初始值，x1(0)取值为x10。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤2的具体过程为：步骤21，将实际测量的零均值噪声污染信号积分后增广为步骤1建立的动态系统模型新的系统状态；步骤22，建立信号积分增广动态系统模型，为：其中，x-1(t)为测量信号υ(τ)的积分，x-1(0)为x-1(t)的初始值，x-1(0)的取值为x-10，n(t)为零均值噪声信号，x0(t)和x1(t)分别为实际信号真值及其微分，t表示时间，x0(0)为x0(t)的初始值，x0(0)取值为x00，x1(0)为x1(t)的初始值，x1(0)取值为x10。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤4的具体过程为：步骤41，逐渐增大微分器加速度因子R，直到获得期望的信号估计精度和抗噪性能，完成参数R的调节；步骤42，逐渐增大微分器参数a0和b，直到获得期望的信号估计响应速度，完成参数a0和b的调节；步骤43，在步骤41和42的基础上，逐渐增加微分器参数a-1，同时逐渐减小微分器参数a1，直到获得期望的信号微分估计精度，完成参数a-1和a1的调节，从而完成微分器参数调节，根据调节后的积分增广非线性微分器获取零均值噪声污染信号的微分。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术方法，可实现对被零均值噪声污染信号微分信号的准确提取。2、本专利技术方法，应用范围广泛，可广泛应用于存在零均值噪声污染信号微分提取的信号处理和工程控制等领域。3、本专利技术方法，方法简单、参数调节规范、易于工程实现。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是本专利技术实施例中噪声污染信号滤波估计结果。图3是本专利技术实施例中噪声污染信号微分估计结果。图4是本专利技术实施例中噪声污染信号微分估计误差结果。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术一种基于反正切积分增广微分器的零均值噪声污染信号微分获取方法，首先，建立零均值噪声污染信号动态系统模型；然后，将测量信号积分增广为新的系统状态，建立信号积分增广动态系统模型；进而，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器；最后，选取积分增广微分器参数，获取零均值噪声污染信号的微分。如图1所示，该基于反正切积分增广微分器的零均值噪声污染信号微分获取方法，具体包括如下步骤：本实施例中，选取待测量的信号为正弦信号2sin(t)，零均值噪声信号n(t)方差为0.01。步骤一、建立零均值噪声污染信号动态系统模型；具体而言：式中，y(t)＝υ(t)为实际测量的零均值噪声污染信号，n(t)为零均值噪声；x0(t)和x1(t)为实际信号真值及其微分，x00和x10分别为其初值。此步骤中选取初始值x00＝0和x10＝0。步骤二、将测量信号积分增广为新的系统状态，建立信号积分增广动态系统模型。具体步骤如下：步骤201、将测量信号积分增广为原信号动态系统新的系统状态；步骤202、建立信号积分增广动态系统模型；具体如下：式中，x-1(t)为测量信号υ(τ)的积分。步骤三、构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器。具体步骤如下：步骤301、定义z-1,z0,z1分别为步骤202中式(2)x-1,x0,x1的估计值；步骤302、构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器；具体如下：式中，atan(x1,x2,x3)＝x2atan(x3(x1))，z-10、z00和z10分别为的初值，R为微分器加速度因子，b＞0和ai＞0,i＝-1,0,1为待调节的微分器参数。步骤四、调节积分增广微分器参数，获取零均值噪声污染信号的微分。具体步骤如下：步骤401，逐渐增大R，直到获得期望的信号估计精度和抗噪性能，完成参数R的调节；步骤402，逐渐增大a0和b，直到获得期望的信号估计响应速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，根据实际测量的零均值噪声污染信号建立零均值噪声污染信号动态系统模型；/n步骤2，将实际测量的零均值噪声污染信号积分后增广为步骤1建立的动态系统模型新的系统状态，从而建立信号积分增广动态系统模型；/n步骤3，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器；具体过程为：/n步骤31，定义z

【技术特征摘要】
1.一种基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据实际测量的零均值噪声污染信号建立零均值噪声污染信号动态系统模型；
步骤2，将实际测量的零均值噪声污染信号积分后增广为步骤1建立的动态系统模型新的系统状态，从而建立信号积分增广动态系统模型；
步骤3，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器；具体过程为：
步骤31，定义z-1,z0,z1分别对应为x-1,x0,x1的估计值，x-1,x0,x1分别表示测量信号的积分、实际信号真值、实际信号的微分；
步骤32，构建基于反正切函数的积分增广非线性微分器，为：



其中，z-1(t),z0(t),z1(t)分别对应为x-1(t),x0(t),x1(t)的估计值，z-1(0)为z-1(t)的初始值，z-1(0)的取值为z-10，z0(0)为z0(t)的初始值，z0(0)的取值为z00，z1(0)为z1(t)的初始值，z1(0)的取值为z10，R为微分器加速度因子，b和ai为待调节的微分器参数，b＞0，ai＞0,i＝-1,0,1；
步骤4，调节积分增广非线性微分器的参数，根据调节后的积分增广非线性微分器获取零均值噪声污染信号的微分。


2.根据权利要求1所述基于反正切增广微分器的噪声污染信号微分获取方法，其特征在于，步骤1所述零均值噪声污染信号动态系统模型为：



其中，y(t)＝υ(t)为实际测量的零均值噪声污染信号，n(t)为零均值噪声信号，x0(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏子康，李春涛，程遵堃，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32