面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法技术

本发明专利技术涉及一种面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法。所述方法包括：S1、设计一新型的自适应陷波器对输入信号的幅值和频率进行鲁棒实时地估计；S2、将估计出的结果输入到微分器参数整定公式中，通过微分器参数整定公式确定出滑模微分器的调整参数；并将所获得滑模微分器的调整参数实时反馈到滑模微分器中，使得滑模微分器的参数可根据输入信号的变化而实时在线调整，以此适应实时变化的信号。本发明专利技术基于新型自适应陷波器，提出一种新型的基于自适应陷波器的滑模微分器信号处理架构及算法，用于获取有效的间隙跟踪滤波信号及垂向速度信号，应用于磁浮列车实际运行线路中，可有效提高列车悬浮系统的稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法


[0001]本专利技术涉及面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法。

技术介绍

[0002]磁悬浮列车通过电磁模块将列车悬浮于轨道上，改变传统的轮轨运行模式，具备速度快、后期运营维护成本低、绿色环保等优势，已成为一种新型的轨道交通方式。磁悬浮列车的悬浮系统是列车实现稳定悬浮的核心关键子系统。该系统是采用间隙信号、轨道与电磁铁之间的垂向速度信号以及电流信号实现闭环反馈控制，这些反馈信号分别由间隙传感器、加速度传感器信号的积分以及电流互感器提供。其中垂向速度信号获取有两种途径：一种是在列车上装载加速度传感器，通过积分电路或软件积分算法来获取；另一种是利用采集的间隙信号，通过微分器来获取。加速度传感器价格昂贵、体积大、安装运行的位置工况恶劣，最关键的是通过大量的工程实践发现，利用加速度传感器处理低频且存在一定频带的信号，会使得信号积分出来的速度信号存在较大的相位滞后现象，从而影响低频时悬浮控制系统的稳定性。特别地，当磁浮列车在过轨道接缝、加载、爬坡和转弯过程中，加速度计信号的积分不能正确地提取有效的垂向速度信号。因此，采用第二种途径，即利用微分器算法从间隙传感器信号中获取速度信号，这种方法一方面节约了列车购置传感器设备的成本，另一方面降低了加速度传感器出现故障以及不能有效获取低频信号对应的速度信号的风险。
[0003]由于纯微分器在物理上的不可实现，所以研究人员试图寻找各种途径来近似微分信号，处理不当就会产生振荡甚至湮没现象，影响系统的稳定性。一个性能优异的微分器需要在以下两种工况时仍能够获取有效的滤波与微分信号，第一，当给定信号的频带宽度发生变化时；第二，当给定信号存在不同强度的随机噪声干扰时。有效的滤波与微分信号主要表现为两个方面，第一，跟踪滤波与微分信号的跟踪误差满足实际系统要求；第二，与给定信号相比，跟踪滤波与微分信号的相位滞后尽可能小。
[0004]微分器算法可大致分为两类：线性微分器与非线性微分器。与线性微分器相比，非线性微分器参数利用率高且较好地解决了快速性与超调性之间的矛盾。对于非线性微分器，主要存在两种较为公认的方法：基于滑模控制的鲁棒精确微分器及基于时间最优控制的跟踪微分器算法。
[0005]Levant(1993)提出了一种滑模微分器，能够有效提取信号的微分，并应用于滑模控制中，使得系统能够在有扰动、存在不确定性条件下，做到鲁棒稳定的跟踪控制。该微分器既是一种双滑模算法，也是一种连续形式的微分算法，但是，其没有对应的离散形式下的边界策略，在存在噪声的情况下，当输入信号频带发生变化时，该微分器在微分信号提取方面存在较大的不足，且动态过程较慢，存在超调现象。其后Utkin等人对Levant微分器进行了深入的研究，并把滑模微分器应用于多变量控制系统的滑模控制器设计以及滑模观测器设计中。但是，滑模微分器存在一个严重的问题，动态过程较慢且颤振现象非常突出，控制量要求高频调整，这对于实际控制系统是难以接受的，高频的变化意味着能量消耗较大，跟
踪信号的高频微幅振荡意味着机械装置的磨损严重等。
[0006]为了克服传统微分器的高频颤振问题，韩京清基于bang
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bang控制的思想，从最优控制中的最小时间问题出发，提出了边界层变换的概念，引进了非线性跟踪微分器算法。在此基础上，一些学者深入研究了离散时间最优控制系统中闭环状态反馈问题，指出按韩京清跟踪微分器算法方式得到的线性边界层可以取代bang
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bang控制，该跟踪微分器可以使得控制量在这个有界区域内按线性规律变化，而不是在两个极端的量之间跳变，这有利于克服颤振问题。但是，因为边界层的存在，当信号存在一定的噪声时，该微分器在处理信号时就会存在较大的相位滞后现象。
[0007]磁悬浮列车传感器组收集系统的间隙和加速度信号参与悬浮系统的反馈控制器设计。该闭环反馈控制方案采用PID控制器，其中的速度信号反馈在抑制超调现象方面起着重要的作用。然而，通过加速度传感器测量出的信号再积分获得的速度信号相位滞后严重，有时甚至因为工况的改变致使速度信号失效。因此，设计一个有效的微分器来获取有效的间隙信号及其速度信号至关重要。磁悬浮列车间隙传感器的信号随着列车运行过程的变化呈现出以下特点：1)信号的频带宽度大，可能会在[2Hz
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300Hz]之间变化；2)信号掺杂不同强度的随机噪声。为了更好的处理磁浮系统的间隙信号，即信号频率存在一定的频带并且掺杂高频随机噪声，最终实现磁悬浮列车稳定悬浮，本专利技术基于新型自适应陷波器，提出了一种新型的基于自适应陷波器的滑模微分器信号处理架构及算法，用于获取有效的间隙跟踪滤波信号及垂向速度信号。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法，针对自适应陷波器，首次将系统误差的积分反馈引入到代价函数的构造中，通过优化方法构造出了一种新型的自适应陷波器，对信号的频率与幅值进行实时估计；而后将估计得到的信号特征作为滑模微分器算法的输入进行自适应设置算法的参数，提出了一种新型的基于自适应陷波器的滑模微分器。
[0009]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法，包括如下步骤：
[0010]步骤S1、设计一新型的自适应陷波器对输入信号f(t)的幅值A(t)和频率w(t)进行鲁棒实时地估计；
[0011]步骤S2、将估计出的结果输入到微分器参数整定公式中，该微分器参数整定公式给出了滑模微分器参数与信号的幅值和频率之间的数量关系，通过微分器参数整定公式确定出滑模微分器的调整参数；并将所获得滑模微分器的调整参数实时反馈到滑模微分器中，使得滑模微分器的参数可根据输入信号的变化而实时在线调整，以此适应实时变化的信号。
[0012]在本专利技术一实施例中，所述步骤S1具体实现如下：
[0013]对于任意给定的掺杂噪声η(t)的变频变幅值的信号f(t)＝f0(t)+η(t)，其中，基信号为f0(t)＝A0sin(w0t+δ0)，这个基信号中的幅值A0，频率w0和相位δ0均是未知参数，并且幅值A0和频率w0是时变的；
[0014]现设计一新型的自适应陷波器去估计基础信号f0(t)，令其估计信号为y(t)＝A
(t)sin(φ(t))，其中那么，得到误差为
[0015]e(t)＝f(t)
‑
y(t)＝f(t)
‑
A(t)sin(φ(t))
[0016]为更好的消除信号估计的静差获得更加精确的估计值，将误差的积分项引进到代价函数的构造中，即新构造的代价函数形式如下：
[0017][0018]其中，Θ＝[A(t),w(t),δ(t)]T
是状态量，k1≥0和k2≥0是两个可调常数；根据梯度下降法，得到新型的自适应陷波器，其结构如下所示：
[0019][0020][0021][0022]y(t)＝A(t)sin(φ(t))
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、设计一新型的自适应陷波器对输入信号f(t)的幅值A(t)和频率w(t)进行鲁棒实时地估计；步骤S2、将估计出的结果输入到微分器参数整定公式中，该微分器参数整定公式给出了滑模微分器参数与信号的幅值和频率之间的数量关系，通过微分器参数整定公式确定出滑模微分器的调整参数；并将所获得滑模微分器的调整参数实时反馈到滑模微分器中，使得滑模微分器的参数可根据输入信号的变化而实时在线调整，以此适应实时变化的信号。2.根据权利要求1所述的面向磁浮列车信号处理的自适应陷波滑模微分器方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现如下：对于任意给定的掺杂噪声η(t)的变频变幅值的信号f(t)＝f0(t)+η(t)，其中，基信号为f0(t)＝A0sin(w0t+δ0)，这个基信号中的幅值A0，频率w0和相位δ0均是未知参数，并且幅值A0和频率w0是时变的；现设计一新型的自适应陷波器去估计基础信号f0(t)，令其估计信号为y(t)＝A(t)sin(φ(t))，其中那么，得到误差为e(t)＝f(t)
‑
y(t)＝f(t)
‑
A(t)sin(φ(t))为更好的消除信号估计的静差获得更加精确的估计值，将误差的积分项引进到代价函数的构造中，即新构造的代价函数形式如下：其中，Θ＝[A(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张和洪，于元隆，王娟，林泽如，顾秋明，毛彬，黄歆淳，
申请(专利权)人：福建省民益建设工程有限公司海曜建工集团有限公司乐嘉建设工程有限公司，
类型：发明
国别省市：