CN106325816A - 一种微分信号的提取方法及微分器 - Google Patents

Abstract

一种微分信号的提取方法及微分器，其中，该方法包括：步骤一、根据微分器的输出信号u计算第一积分信号z₀，根据第一积分信号z₀与输入信号计算误差信号；步骤二、根据误差信号计算第二积分信号；步骤三、根据第二积分信号和误差信号构造非线性柔化模型，根据非线性柔化模型计算输入信号的微分信号。该方法能够根据计算机构造误差以及其积分，采用非线性柔化模型来实现输入信号近似微分的提取。相较于现有的微分信号提取方法，本方法不仅实现成本更加低廉，而且其所提取得到的微分信号的精度也更高。

Description

一种微分信号的提取方法及微分器

技术领域

本发明涉及通讯与控制技术领域，具体地说，涉及一种微分信号的提取方法。

背景技术

在航天器控制领域，某些信号的微分量难以测量或难以准确测量，而如果需要对这些信号的微分量进行准确测量则需要昂贵的专业仪器。例如，在高超声速飞行的航天器上，可以采用陀螺仪来测量航天器的姿态角，同时，在航天器的控制器设计中，往往需要根据航天器的攻角的微分信号来提高***的阻尼，而航天器攻角的微分信号则往往难以准确测量。

因此，亟需一种能够简单、准确的提取航天器攻角的微分信号的方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种微分信号的提取方法，所述方法包括：

步骤一、根据微分器的输出信号u计算第一积分信号z₀，根据所述第一积分信号z₀与输入信号计算误差信号；

步骤二、根据所述误差信号计算第二积分信号；

步骤三、根据所述第二积分信号和误差信号构造非线性柔化模型，根据所述非线性柔化模型计算所述输入信号的微分信号。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，计算所述微分器输出信号u的积分信号，得到所述第一积分信号z₀。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，根据如下表达式计算所述误差信号：

σ₀＝z₀-f(t)

其中，σ₀表示误差信号，f(t)表示与时间t有关的输入信号。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，根据如下表达式计算所述第二积分信号：

z₁＝∫-σ₀dt

其中，z₁表示第二积分信号，σ₀表示误差信号，t表示时间。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据所述第二微分信号、误差信号以及预设的常值正参数来构建所述非线性柔化模型。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式构建所述非线性柔化模型：

$F({\mathrm{\σ}}_0,z_1)=-{\mathrm{\λ}}_0*{\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\λ}}_1*z_1-{\mathrm{\λ}}_2*\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_0^2+\mathrm{\ϵ}}$

其中，σ₀表示误差信号，z₁表示第二积分信号，F(σ₀,z₁)表示与误差信号σ₀和第二积分信号z₁有关的非线性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示预设的常值正参数，ε表示预设调整参数。

根据本发明的一个实施例，将当前所述非线性柔化模型的取值作为所述输入信号的微分信号的取值。

本发明还提供了一种微分器，所述微分器包括：

第一积分器，其与所述微分器的输出端连接，用于对所述微分器的输出信号u进行积分，得到第一积分信号z₀；

减法器，其与所述第一积分器连接，用于根据所述第一积分信号z₀与输入信号计算误差信号；

反相器和第二积分器，所述反相器的输入端与所述减法器的输出端连接，所述第二积分器与所述反相器的输出端连接，用于根据所述反相器输出的信号生成第二积分信号。

非线性柔化器，其第一输入端与所述减法器的输出端连接，第二输入端与所述第二积分器的输出端连接，输出端形成所述微分器的输出端，用于根据所述误差信号和第二积分信号计算所述输入信号的微分信号。

根据本发明的一个实施例，所述减法器根据如下表达式计算所述误差信号：

σ₀＝z₀-f(t)

其中，σ₀表示误差信号，f(t)表示与时间t有关的输入信号。

根据本发明的一个实施例，所述非线性柔化器根据如下表达式计算所述输入信号的微分信号：

$F({\mathrm{\σ}}_0,z_1)=-{\mathrm{\λ}}_0*{\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\λ}}_1*z_1-{\mathrm{\λ}}_2*\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_0^2+\mathrm{\ϵ}}$

其中，σ₀表示误差信号，z₁表示第二积分信号，F(σ₀,z₁)表示与误差信号σ₀和第二积分信号z₁有关的非线性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示预设的常值正参数，ε表示预设调整参数。

本发明所提供的微分信号提取方法以及微分器能够根据计算机构造误差以及其积分，采用非线性柔化模型来实现输入信号近似微分的提取。相较于现有的微分信号提取方法，本方法不仅实现成本更加低廉，而且其所提取得到的微分信号的精度也更高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的微分信号提取方法的实现流程图；

图2是根据本发明一个实施例的基于非线性函数的微分器的设计框图；

图3是根据本发明一个实施例的利用本发明所提供的方法所得到的微分信号的曲线图；

图4是根据本发明一个实施例的输入信号的微分信号的理论值曲线图；

图5是根据本发明一个实施例的图3和图4所示曲线的对比图；

图6是根据本发明一个实施例的参数增大后利用本发明所提供的方法所得到的微分信号的曲线图；

图7是根据本发明一个实施例的参数增大后输入信号的微分信号的理论值曲线图；

图8是根据本发明一个实施例的图6和图7所示曲线的对比图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

针对现有技术所存在的采用传统滤波方法获取近似微分信号精度不高的问题，本实施例提供了一种新的微分信号提取方法。该方法是一种基于非线性柔化函数的近似微分信号提取方法，其能够仅利用输入信号采取相应的积分运算与代数运算来实现输入信号的近似微分信号的提取。

图1示出了本实施例所提供的微分信号提取方法的实现流程图。

如图1所示，本实施例中，该方法首先在步骤S101中根据微分器的输出信号u计算第一积分信号z₀。具体地，本实施例中，在步骤S101中，该方法会计算微分器的输出信号u的积分信号，从而得到第一积分信号z₀，即存在：

z₀＝∫udt (1)

其中，t表示时间。

在得到第一积分信号z₀后，该方法会在步骤S102中根据第一积分信号z₀与输入信号f(t)计算误差信号σ₀。本实施例中，误差信号σ₀为第一积分信号z₀与输入信号f(t)的差值，即存在：

σ₀＝z₀-f(t) (2)

其中，f(t)表示与时间t有关的输入信号。

该方法在步骤S103中将根据步骤S102所得到的误差信号σ₀计算第二积分信号z₁。其中，在计算第二积分信号z₁的过程中，该方法先对步骤S102中所得到的误差信号σ₀进行反相处理，随后将处理得到的信号进行积分，从而得到第二积分信号z₁。即存在：

z₁＝∫-σ₀dt (3)

在得到第二积分信号z₁后，该方法在步骤S104中将根据步骤S103中所得到的第二积分信号z₁以及步骤S102中所得到的误差信号σ₀构造非线性柔化模型，并在步骤S105中根据该非线性柔化模型来计算上述输入信号f(t)的微分信号。

本实施例中，该方法在步骤S104中根据所述第二微分信号、误差信号以及预设的常值正参数来构建非线性柔化模型，并在步骤S105中根据该非线性柔化模型计算输入信号的微分信号。

具体地，上述非线性柔化模型可以表示为：

$F({\mathrm{\σ}}_0,z_1)=-{\mathrm{\λ}}_0*{\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\λ}}_1*z_1-{\mathrm{\λ}}_2*\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_0^2+\mathrm{\ϵ}}---\left(4\right)$

其中，F(σ₀,z₁)表示与误差信号σ₀和第二积分信号z₁有关的非线性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示预设的常值正参数，ε表示预设调整参数。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，预设的常值正参数λ₀、λ₁和λ₂的具体取值可以根据实际需要自由选取，本发明不限于此。本实施例中，上述常值正参数λ₀、λ₁和λ₂的取值优选地均大于或等于5。

该方法优选地以上述非线性柔化模型的计算结果作为输入信号的微分信号，即在计算机中按照如下表达式输出微分信号的提取结果：

u＝F(σ₀,z₁) (5)

图2示出了本实施例所提供的基于非线性函数的微分器的设计框图。

如图2所示，本实施例所提供的微分器包括：第一积分器、减法器、反相器、第二积分器和非线性柔化器。其中，第一积分器与微分器的输出端连接，用于对微分器的输出信号u进行积分，得到第一积分信号z₀。具体地，本实施例中，第一积分器可以根据上述表达式(1)来得到第一积分信号z₀。

第一积分器与减法器连接，其能够将生成的第一积分信号z₀输出至减法器的一个输入端。减法器的另一输入端形成微分器的输入端，以用于接收输入信号f(t)。减法器能够根据第一积分信号z₀和输入信号f(t)来生成误差信号σ₀。具体地，本施例中，减法器可以根据上述表达式(2)来计算误差信号σ₀。

反相器的输入端与减法器的输出端连接，其能够对减法器生成的误差信号σ₀进行反相处理，即得到信号-σ₀。反相器的输出端与第二积分器的输入端连接，第二积分器能够利用表达式(3)来对反相器传输来的信号进行积分处理，从而得到第二积分信号z₁。

在得到第二积分信号z₁后，第二积分器会将第二积分信号z₁传输至非线性柔化器的第二输入端，非线性柔化器的第一输入端与减法器的输出端连接，这样非线性柔滑器则可以根据误差信号σ₀和第二积分信号z₁计算得到输入信号f(t)的微分信号。本实施例中，非线性柔化器根据上述表达式(4)来计算输入信号的微分信号。

以如下程序为例，本实施例利用上述微分信号提取方法对输入信号f(t)＝sin(t)+0.001sin(10t)进行微分信号的提取。其中，图3示出了利用本实施例所提供的方法所得到的微分信号的曲线图，图4示出了该输入信号的微分信号的理论值曲线图，图5示出了上述两条曲线的对比图。根据图3至图5可以看出，利用本实施例所提供的方法得到的微分信号与该微分信号的理论值相近，由此可见本方法是可靠的。

如果将常值正参数λ₀、λ₁和λ₂的取值分别增大5倍，那么则可以得到如图6至图8所示的曲线图。其中，图6示出了利用本实施例所提供的方法所得到的微分信号的曲线图，图7示出了该输入信号的微分信号的理论值曲线图，图8示出了上述两条曲线的对比图。对比图4至图8可以看出，常值正参数λ₀、λ₁和λ₂取值的增大能够有效提高微分信号的输出精度，并且其过渡过程也进一步加快。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的微分信号提取方法以及微分器能够根据计算机构造误差以及其积分，采用非线性柔化模型来实现输入信号近似微分的提取。相较于现有的微分信号提取方法，本方法不仅实现成本更加低廉，而且其所提取得到的微分信号的精度也更高。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种微分信号的提取方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、根据微分器的输出信号u计算第一积分信号z₀，根据所述第一积分信号z₀与输入信号计算误差信号；

步骤二、根据所述误差信号计算第二积分信号；

步骤三、根据所述第二积分信号和误差信号构造非线性柔化模型，根据所述非线性柔化模型计算所述输入信号的微分信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，计算所述微分器输出信号u的积分信号，得到所述第一积分信号z₀。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，根据如下表达式计算所述误差信号：

σ₀＝z₀-f(t)

其中，σ₀表示误差信号，f(t)表示与时间t有关的输入信号。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据如下表达式计算所述第二积分信号：

z₁＝∫-σ₀dt

其中，z₁表示第二积分信号，σ₀表示误差信号，t表示时间。

5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据所述第二微分信号、误差信号以及预设的常值正参数来构建所述非线性柔化模型。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据如下表达式构建所述非线性柔化模型：

$F({\mathrm{\σ}}_0,z_1)=-{\mathrm{\λ}}_0*{\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\λ}}_1*z_1-{\mathrm{\λ}}_2*\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_0^2+\mathrm{\ϵ}}$

其中，σ₀表示误差信号，z₁表示第二积分信号，F(σ₀,z₁)表示与误差信号σ₀和第二积分信号z₁有关的非线性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示预设的常值正参数，ε表示预设调整参数。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，将当前所述非线性柔化模型的取值作为所述输入信号的微分信号的取值。

8.一种微分器，其特征在于，所述微分器包括：

第一积分器，其与所述微分器的输出端连接，用于对所述微分器的输出信号u进行积分，得到第一积分信号z₀；

减法器，其与所述第一积分器连接，用于根据所述第一积分信号z₀与输入信号计算误差信号；

反相器和第二积分器，所述反相器的输入端与所述减法器的输出端连接，所述第二积分器与所述反相器的输出端连接，用于根据所述反相器输出的信号生成第二积分信号。

非线性柔化器，其第一输入端与所述减法器的输出端连接，第二输入端与所述第二积分器的输出端连接，输出端形成所述微分器的输出端，用于根据所述误差信号和第二积分信号计算所述输入信号的微分信号。

9.如权利要求8所述的微分器，其特征在于，所述减法器根据如下表达式计算所述误差信号：

σ₀＝z₀-f(t)

其中，σ₀表示误差信号，f(t)表示与时间t有关的输入信号。

10.如权利要求8或9所述的微分器，其特征在于，所述非线性柔化器根据如下表达式计算所述输入信号的微分信号：

$F({\mathrm{\σ}}_0,z_1)=-{\mathrm{\λ}}_0*{\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\λ}}_1*z_1-{\mathrm{\λ}}_2*\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_0^2+\mathrm{\ϵ}}$

其中，σ₀表示误差信号，z₁表示第二积分信号，F(σ₀,z₁)表示与误差信号σ₀和第二积分信号z₁有关的非线性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示预设的常值正参数，ε表示预设调整参数。