CN107745654B - 一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法和装置，所述方法包括以下步骤：步骤S100：获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；步骤S200：将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号；步骤S300：将处理后的输入信号的跟踪信号和微分信号生成用于磁浮列车电机牵引磁极相角信号。具有处理畸变信号能力强，跟踪精度高，处理速度快，计算量小且占用存储空间小的特点，通过处理磁浮列车在通过定子轨道时，特别是轨道接缝处的相对定位传感器信号，能提供给磁浮列车牵引系统精确的磁浮列车位置信息，来指导和保障磁浮列车安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮控制领域，尤其涉及一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法和装置。
背景技术
为实现磁悬浮列车的安全运营、精确定位和牵引方向的速度闭环控制，必须在磁浮列车上安装列车测速和测位置的传感器系统。测速定位系统中的相对位置传感器将齿槽内的相对位置信息转化为0~60°磁极相角输出，而磁浮列车的牵引控制系统需0~360°的磁极相角用于电机牵引，因此磁极相角处理单元需根据相对位置传感器输出的0~60°磁极相角信息和齿槽数合成0~360°的磁极相角信号。实际工程中磁浮列车对牵引系统提出的相角处理要求是：信号处理单元在通过任何位置的时候仍然要保持相角信号的连续性，代表次级位置的磁极相角要与轨道初级即磁浮列车位置保持同步。在实际轨道电缆的铺设中，轨道上三相绕组在道岔末端接缝位置的缠绕方法仍然保持6个齿槽周期为一个电机周期的方式。磁浮列车在通过道岔末端接缝时，信号处理单元仍然要按照86毫米对应60度的电角度进行处理，如图1所示。
但是磁浮列车长定子轨道是由约1米长的定子模块拼接而成的非连续轨道。实际工程中长定子模块挂接于轨道梁上，考虑到温度变形效应影响以及安装时的便利性，在相邻轨道梁间会留有一定的接缝。长定子轨道接缝的宽度约为80毫米，最宽处可达100毫米以上。另外，在线路上道岔末端长定子轨道和正常轨道段水泥梁上的长定子轨道在衔接的位置存在一段长约170毫米的长定子接缝。 相对定位传感器通过检测长定子齿槽的变化获取位置、相角信息，而长定子轨道接缝的存在使传感器的被测导体面表现为一个不连续的检测面，破坏了长定子轨道的电感分布规律，使得传感器输出相角信号发生畸变，如图2所示。当传感器过接缝(约80mm)时，相角信号波形发生畸变，但是其对应的齿槽数是正常的。长定子轨道接缝引起相对定位传感器的相角信号畸变和齿槽漏数现象，其最终导致定位测速系统合成的用于电机牵引的磁极相角信号发生畸变，将会造成牵引系统效率降低，使得牵引电流过流保护，尤其对于过大接缝的情况，经过若干个大接缝，磁极相角将比实际值滞后180°，使牵引系统产生与期望方向相反的作用力，造成严重的安全事故。
对于数字信号滤波，其方法是多种多样的，比较典型的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器和自适应滤波器等，这些滤波方法都具有非常优异的滤波性能，但同时也都具有一定的局限性，比如维纳滤波器需已知有用信号及噪声的均值、自相关函数等统计参数，计算非常繁杂，在实际中几乎无法应用；卡尔曼滤波器能够适应信号和噪声的非平稳问题，应用广泛，但存在计算量大的问题；自适应滤波器依靠递归算法实现滤波，需存储大量数据，占用存储空间，同时计算量也较大。
对于信号检测，其方法同样也是多种多样的。传统的异常信号检测方法通常利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均等，直接分析观测信号，提取方差、均值、幅值、相位、散度、频谱等特征值，从而识别设备所处的状态。但是这些方法应用在高速磁浮列车的定位测速系统中存在着弊端，即当检测出信号有畸变时，信号的畸变程度往往已经相当严重，甚至有可能当完全通过接缝后才能检测出信号的异常，此时定位测速系统已将异常信号发给了牵引系统，信号异常检测失去了意义。
为解决上述问题，可以采用基于预测的过接缝信号分析判断方法，这种方法对正常信号进行分析，按照一定的方式提取其变化趋势，并据此对信号进行预测，然后通过比较实际信号与预测信号判断当前的实际信号是否受接缝影响。信号预测的方法也比较多，通常有前向线性预测、后向线性预测等，另外离散形式的卡尔曼滤波器、自适应滤波器等也同样具有信号预测的功能，其中基于自适应滤波器的信号预测方法已成功用于当前定位测速系统的过接缝切换上，但是这些信号预测方法都存在着一个共同的问题，就是需要存储大量先前时刻的信号数据，占用宝贵的存储空间，同时计算量较大，这对于对实时性要求较高的磁浮列车定位测速系统来说并不理想。
因此，如何能够快速、有效的处理磁浮列车的通过定子轨道接缝磁浮列车相对定位传感器信号，计算量小且占用存储空间小，使磁浮列车的运行不受长定子轨道接缝影响，以保障磁浮列车安全运行，成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法和装置，其能够快速、有效的处理磁浮列车的通过定子轨道接缝磁浮列车相对定位传感器信号，计算量小且占用存储空间小，使磁浮列车的运行不受长定子轨道接缝影响，以保障磁浮列车安全运行。
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；
步骤S200：将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号；
步骤S300：将处理后的输入信号的跟踪信号和微分信号生成用于磁浮列车电机牵引磁极相角信号。
优选地，所述步骤S200中的滑模微分器记作Fast定义为公式（1）：
（1）
其中，为控制量，为输入信号，为快速因子参数, 为滤波参数, 为采样步长，为对控制量的约束参数，为输入信号的跟踪信号，为输入信号的微分信号。
优选地，所述步骤S200中的滑模控制器中的控制量能够在采样步长下，使和组成相平面中的任意初始点快速到达相平面的原点，其中：
（2）。
优选地，所述步骤S200中的滑模控制器中的控制量具体为，记任意点为，为：
当任意点不在开关曲线上时，点到达开关曲线的时间计作：
当时，控制量 （4）；
当时，控制量 （5）；
其中：开关曲线为，取，；
当任意点在开关曲线上时，点到达原点的时间计为，
当时，控制量 （6）；
当时，控制量 （7）；
其中，，为时间变量。
优选地，所述步骤S200之后还包括：
步骤201：当将步骤S200中输入信号的微分信号记为，；反之,将步骤S200中输入信号的微分信号记为；
步骤S202：计算；
步骤S203：当，将作为输入信号进入步骤S200；反之进入步骤S300。
本发明还提供一种磁浮列车相对定位传感器信号处理装置，其特征在于包括输入模块和滑模微分器处理模块，其中：
输入模块，获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；
滑模微分器处理模块，用于将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号；
磁极相角处理单元，用于将处理过的输入信号的跟踪信号和微分信号生成磁极相角信号用于磁浮列车电机牵引。
优选地，滑模微分器处理模块中滑模微分器记作Fast定义为公式（1）：
（1）
其中，为控制量，为输入信号，为快速因子参数, 为滤波参数, 为采样步长，为对控制量的约束参数，为输入信号的跟踪信号，为输入信号的微分信号。
优选地，所述滑模微分器处理模块中的滑模控制器中的控制量能够在采样步长下，使和组成相平面中的任意初始点快速到达相平面的原点，其中：
（2）。
优选地，所述滑模微分器处理模块的滑模控制器中的控制量具体为，记任意点为，为：
当任意点不在开关曲线上时，点到达开关曲线的时间计作：
当时，控制量 （4）；
当时，控制量 （5）；
其中：开关曲线为，取，；
当任意点在开关曲线上时，点到达原点的时间计为，
当时，控制量 （6）；
当时，控制量 （7）；
其中，，为时间变量。
优选地，所述装置还包括移动平均模块，移动平均模块用于将滑模微分器处理模块的输出的微分信号作为输入计算。
本发明提供的一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法和装置具有处理畸变信号能力强，跟踪精度高，处理速度快，计算量小且占用存储空间小的特点，通过处理磁浮列车在通过定子轨道时，特别是轨道接缝处的相对定位传感器信号，能提供给磁浮列车牵引系统精确的磁浮列车位置信息，来指导和保障磁浮列车安全运行。
附图说明
图1磁浮列车牵引系统对长定子轨道的接缝处的相位要求示意图；
图2磁浮列车过长定子轨道的80mm间隙下相对定位传感器信号的相角波形图；
图3为本发明提供的第一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法的流程图；
图4为本两种滑模微分器处理的状态转移轨迹对比图；
图5为本两种滑模微分器处理的信号跟踪误差对比图；
图6为本两种滑模微分器处理的信号微分误差对比图；
图7为本发明提供的第二种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法的流程图；
图8本发明提供的磁浮列车相对定位传感器信号处理方法及其移动平均补偿方法下补偿后的60°磁极相角图；
图9为本发明提供的一种磁浮列车相对定位传感器信号处理装置结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图3，图3为本发明提供的一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法的流程图。
本发明提供一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；
步骤S200：将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号；
步骤S300：将处理后的输入信号的跟踪信号和微分信号生成用于磁浮列车电机牵引磁极相角信号。
将实时的受接缝干扰的相对定位传感器输出的0~60°磁极相角信号，经过滑模微分器处理后消除噪声和畸变信号，生成用于磁浮列车电机牵引的0~360°的磁极相角信号。具有处理畸变信号能力强，跟踪精度高，处理速度快，计算量小且占用存储空间小的特点，通过处理磁浮列车在通过定子轨道时，特别是轨道接缝处的相对定位传感器信号，能提供给磁浮列车牵引系统精确的磁浮列车位置信息，来指导和保障磁浮列车安全运行。
步骤S200中滑模微分器记作Fast定义为公式（1）：
（1）
其中，为控制量，为输入信号，为快速因子参数, 为滤波参数, 为采样步长，为对控制量的约束参数，为输入信号的跟踪信号，为输入信号的微分信号。
所述步骤S200中的滑模控制器中的控制量能够在采样步长下，使和组成相平面中的任意初始点快速到达相平面的原点，其中：
（2）。
以下将进一步详细讲解控制量的构造过程：
所述步骤S200中的滑模控制器中的控制量具体为，为了书写方便，以下将任意点记为，记为。
建立二阶双积分串联型连续系统：
（3）
其中，是系统的状态变量。由最优控制理论可知，相平面上的任意一点最多经过一次切换达到原点，此时对应的开关曲线为，以及相应的最速控制综合函数为，以下取。
当任意点不在开关曲线上时，点到达开关曲线的时间计作：
其中，。
为了得到离散化后的最速控制综合函数，可以采用等步长的方法，其中当时，
控制量 （4）；
当时，为了在一个步长内到达开关曲线，
控制量 （5）；
其中：，通过推导，可以求得：；
当任意点在开关曲线上时，此时点到达原点的时间计为，其中。
当时，控制量 （6）；
当时，为了在一个步长内到达原点，
控制量 （7）；
其中，，为时间变量。
目前一种基于非线性边界变换的滑模微分器方法，计作Fhan。本文提出的基于时间步长的方法为Fast，由于两者都是从二阶连续系统最速控制设计中分析得到。
参见图4，图4为两种滑模微分器处理的状态转移轨迹对比图。明显的，本专利提出的Fast滑模微分器下的状态转移轨迹更加接近连续最优控制中的最优（Optimal）轨迹图。
参见图5和图6，图5为本两种滑模微分器处理的信号跟踪误差对比图，图6为本两种滑模微分器处理的信号微分误差对比图。
我们给定一个输入信号序列,其中是服从均匀分布的白噪声信号，其强度是0.005，在仿真中，涉及到的可调参数分别选取如下，采样步长h选取h=0.01；快速因子，滤波参数，仿真对比结果如图5和图6所示。
由上面仿真对比可知，Fast和Fhan方法对输入信号均有一定的滤波去噪能力，但是本专利提出的方法的对输入信号的跟踪和微分信号提取误差较小，快速，准确性。
参见图7至图8，图7为本发明提供的第二种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法的流程图，图8为本发明提供的磁浮列车相对定位传感器信号处理方法及其移动平均补偿方法下补偿后的60°磁极相角图。
当对输入信号进行跟踪和提取微分时，由于快速因子r为有限值，因此微分器的输出相对于输入存在时间延迟。在进一步的方案中，采用移动平均方法来延时补偿，该方法采用微分器组的方式，具体的方法构造如下：
（8）
即所述步骤S200之后还包括：
步骤201：当将步骤S200中输入信号的微分信号记为，；反之,将步骤S200中输入信号的微分信号记为；
步骤S202：计算；
步骤S203：当，将作为输入信号进入步骤S200；反之则进入步骤S300。
实验中，我们选取参数n=3，那么存在。磁浮列车定位测速系统实际上是通过角度信号来反映位置信号，相对定位传感器将一个齿槽周期（86mm）的位置信号转化为60°的相角信号，并将其与齿槽数信号一起提供给信号处理单元。对于牵引系统来说，6个齿槽周期相当于电机的一对磁极长度，即相当于360°磁极相角，因此信号处理单元接收到来自相对定位传感器的60°相角信号和齿槽数信号后需将其转换为360°磁极相角发送给牵引系统。当相对定位传感器经过小接缝时，由于检测面不连续导致相位信号存在畸变，在信号处理单元中，分别将两路相对位置传感发送来的60°锯齿波相角信号融合为连续的磁极相角信号，并采用逻辑判断方法滤除相角信号与齿槽数信号不同步导致的脉冲干扰，然后利用上文所述的Fast滑模微分器及其移动平均补偿方法对其进行滤波以及相位补偿，结果如图8所示。
参见图8，在Fast滑模微分器及其移动平均补偿方法下，磁浮列车过轨道接缝时，相对传感器的畸变信号得到有效的噪声滤波以及相位补偿，进一步在实验中验证了该方法的有效性。
参见图9，图9为本发明提供的一种磁浮列车相对定位传感器信号处理装置结构框图。
本发明还提供一种磁浮列车相对定位传感器信号处理装置，其特征在于包括输入模块100和滑模微分器处理模块200，其中：
输入模块100，用于获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；
滑模微分器处理模块200，用于将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号；
磁极相角处理单元400，用于将处理过的输入信号的跟踪信号和微分信号生成磁极相角信号用于磁浮列车电机牵引。
将实时的受接缝干扰的相对定位传感器输出的0~60°磁极相角信号，经过滑模微分器处理后消除噪声和畸变信号，生成用于磁浮列车电机牵引的0~360°的磁极相角信号。具有处理畸变信号能力强，跟踪精度高，处理速度快，计算量小且占用存储空间小的特点，通过处理磁浮列车在通过定子轨道时，特别是轨道接缝处的相对定位传感器信号，能提供给磁浮列车牵引系统精确的磁浮列车位置信息，来指导和保障磁浮列车安全运行。
磁极相角处理单元400中滑模微分器记作Fast定义为公式（1）：
（1）
其中，为控制量，为输入信号，为快速因子参数, 为滤波参数, 为采样步长，为对控制量的约束参数，为输入信号的跟踪信号，为输入信号的微分信号。
所述滑模微分器处理模块200中的滑模控制器中的控制量能够在采样步长下，使和组成相平面中的任意初始点快速到达相平面的原点，其中：
（2）。
以下将进一步详细讲解控制量的构造过程：
所述滑模微分器处理模块200中的滑模控制器中的控制量具体为，为了书写方便，以下将任意点记为，记为。
建立二阶双积分串联型连续系统：
（3）
其中，是系统的状态变量。由最优控制理论可知，相平面上的任意一点最多经过一次切换达到原点，此时对应的开关曲线为，以及相应的最速控制综合函数为，以下取。
当任意点不在开关曲线上时，点到达开关曲线的时间计作：
其中，。
为了得到离散化后的最速控制综合函数，可以采用等步长的方法，其中当时，
控制量 （4）；
当时，为了在一个步长内到达开关曲线，
控制量 （5）；
其中：，通过推导，可以求得：；
当任意点在开关曲线上时，此时点到达原点的时间计为，其中。
当时，控制量 （6）；
当时，为了在一个步长内到达原点，
控制量 （7）；
其中，，为时间变量。
目前一种基于非线性边界变换的滑模微分器方法，计作Fhan。本文提出的滑模微分器为Fast，由于两者都是从二阶连续系统最速控制设计中分析得到。
参见图4，图4为本两种滑模微分器处理的状态转移轨迹对比图。明显的，本专利提出的Fast滑模微分器下的状态转移轨迹更加接近连续最优控制中的最优（Optimal）轨迹图。
参见图5和图6，图5为本两种滑模微分器处理的信号跟踪误差对比图，图6为本两种滑模微分器处理的信号微分误差对比图。
我们给定一个输入信号序列,其中是服从均匀分布的白噪声信号，其强度是0.005，在仿真中，涉及到的可调参数分别选取如下，采样步长h选取h=0.01，快速因子，滤波参数，仿真对比结果如图5和图6所示。
由上面仿真对比可知，Fast和Fhan对输入信号均有一定的滤波去噪能力，但是本专利提出的装置中的滑模微分器的对输入信号的跟踪和微分信号提取误差较小，快速，准确性。
参见图8，图8为本发明提供的磁浮列车相对定位传感器信号处理方法及其移动平均补偿方法下补偿后的60°磁极相角图。
当对输入信号进行跟踪和提取微分时，由于快速因子r为有限值，因此微分器的输出相对于输入存在时间延迟。在进一步的方案中，优选地，所述装置还包括移动平均模块，移动平均模块300用于将滑模微分器处理模块200的输出的微分信号作为输入计算
（8）。
当将滑模微分器处理模块200中输入信号的微分信号记为，,进入移动平均模块300；反之,将滑模微分器处理模块200中输入信号的微分信号记为,进入移动平均模块300。在移动平均模块300中计算。当，将作为输入信号进入滑模微分器处理模块200，反之则进入磁极相角处理单元400。
实验中，我们选取参数n=3，那么存在。磁浮列车定位测速系统实际上是通过角度信号来反映位置信号，相对定位传感器将一个齿槽周期（86mm）的位置信号转化为60°的相角信号，并将其与齿槽数信号一起提供给信号处理单元。对于牵引系统来说，6个齿槽周期相当于电机的一对磁极长度，即相当于360°磁极相角，因此信号处理单元接收到来自相对定位传感器的60°相角信号和齿槽数信号后需将其转换为360°磁极相角发送给牵引系统。当相对定位传感器经过小接缝时，由于检测面不连续导致相位信号存在畸变，在信号处理单元中，分别将两路相对位置传感发送来的60°锯齿波相角信号融合为连续的磁极相角信号，并采用逻辑判断滤除相角信号与齿槽数信号不同步导致的脉冲干扰，然后利用上文所述的Fast滑模微分器及其移动平均补偿模块对其进行滤波，结果如图8所示。
参见图8，在Fast滑模微分器及其移动平均补偿模块下，磁浮列车过轨道接缝时，相对传感器的畸变信号得到有效的噪声滤波以及相位补偿，进一步在实验中验证了该装置的有效性。
以上对本发明所提供的一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法和装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种磁浮列车相对定位传感器信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；
步骤S200：将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号，滑模微分器记作Fast定义为公式（1）：
（1）
其中，为控制量，为输入信号，为快速因子参数,为滤波参数，为采样步长，为对控制量的约束参数，为输入信号的跟踪信号，为输入信号的微分信号；
所述控制量具体为，记任意点为，为：
当任意点不在开关曲线上时，点到达开关曲线的时间计作：
当时，控制量 （4）；
当时，控制量 （5）；
其中：开关曲线为，取，；
当任意点在开关曲线上时，点到达原点的时间计为，
当时，控制量 （6）；
当时，控制量 （7）；
其中，，为时间变量；
步骤S300：将处理后的输入信号的跟踪信号和微分信号生成用于磁浮列车电机牵引磁极相角信号。
2.根据权利要求1所述的磁浮列车相对定位传感器信号处理方法，其特征在于，所述步骤S200中的滑模控制器中的控制量能够在采样步长下，使和组成相平面中的任意初始点快速到达相平面的原点，其中：
（2）。
3.根据权利要求1至2任一项所述的磁浮列车相对定位传感器信号处理方法，其特征在于，所述步骤S200之后还包括：
步骤201：当将步骤S200中输入信号的微分信号记为，；反之,将步骤S200中输入信号的微分信号记为；
步骤S202：计算；
步骤S203：当，将作为输入信号进入步骤S200；反之则进入步骤S300。
4.一种磁浮列车相对定位传感器信号处理装置，其特征在于，包括输入模块和滑模微分器处理模块，其中：
输入模块，获得实时的受接缝干扰的相对定位传感器的原始输出信号作为待处理输入信号；
滑模微分器处理模块，用于将输入信号通过滑模微分器处理，获得输入信号的跟踪信号和微分信号，所述滑模微分器处理模块中滑模微分器记作Fast定义为公式（1）：
（1）
其中，为控制量，为输入信号，为快速因子参数,为滤波参数, 为采样步长，为对控制量的约束参数，为输入信号的跟踪信号，为输入信号的微分信号；
所述控制量具体为，记任意点为，为：
当任意点不在开关曲线上时，点到达开关曲线的时间计作：
当时，控制量 （4）；
当时，控制量 （5）；
其中：开关曲线为，取，；
当任意点在开关曲线上时，点到达原点的时间计为，
当时，控制量 （6）；
当时，控制量 （7）；
其中，，为时间变量；
磁极相角处理单元，用于将处理过的输入信号的跟踪信号和微分信号生成磁极相角信号用于磁浮列车电机牵引。
5.根据权利要求4所述的磁浮列车相对定位传感器信号处理装置，其特征在于，所述滑模微分器处理模块中的滑模控制器中的控制量能够在采样步长下，使和组成相平面中的任意初始点快速到达相平面的原点，其中：
（2）。
6.根据权利要求4至5任一项所述的磁浮列车相对定位传感器信号处理装置，其特征在于，所述装置还包括移动平均模块，移动平均模块用于将滑模微分器处理模块的输出的微分信号作为输入计算。
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