一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法和装置与流程

本发明涉及一种磁悬浮控制领域，尤其涉及一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法和装置。

背景技术：

电磁型磁浮列车是一种依靠电磁吸力将车体悬浮于轨道之上，并以直线电机牵引代替轮轨列车旋转传动的新型交通工具，具有后期运营维护费用低、噪音低、无尾气污染、爬坡能力强、转弯半径小等诸多优点，越来越受到业内外人士的关注与支持。磁浮列车悬浮控制系统是列车实现安全、稳定悬浮的核心系统，因此对磁浮列车悬浮控制问题展开研究是十分必要的。

目前，针对磁浮列车的悬浮控制算法的研究有很多。有基于非线性磁浮悬浮系统模型的精确反馈线性化控制,在保证控制系统的动态特性的情况下具有较好的抗干扰能力；还有针对模型的不确定性设计了模块悬浮系统的模型参考自适应控制器，有效的解决了耦合问题，提高了悬浮系统的性能；以及针对高速磁浮列车搭接结构，设计状态观测器获取了悬浮搭接结构的全部状态，并采用最优控制算法设计悬浮搭接结构的全状态反馈控制算法，弥补了独立控制算法带来的不足之处。此外模糊控制、非线性pid控制、非线性自适应控制、变结构等控制策略也应用在磁浮列车悬浮控制系统中，但由于这些算法建立线性化模型的基础上，当系统远离平衡点时，控制效果出现振荡甚至发散。另外由于系统存在强非线性和模型不确定性，依赖于模型的控制算法在抑制模型参数摄动、系统外部扰动方面的效果差强人意。

为了实现磁浮列车同步悬浮控制和安全运行，需要实时、准确地获得列车运行的状态，特别是列车的悬浮高度和速度等信息，这些与悬浮系统位置传感器密切相关。

因此，如何能够实时处理悬浮系统位置传感器的信号，对信号的噪声具有较强的滤波能力，从而保证磁浮列车能够实现安全稳定悬浮，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法和装置，其能够实时处理悬浮系统位置传感器的信号，从而保证磁浮列车能够实现安全稳定悬浮。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s100：获得悬浮系统位置传感器实时信号作为待处理信号；

步骤s200：针对离散二阶串联型系统设计离散时间最优控制器，并构造最优控制器对应的跟踪微分器；

步骤s300：将位置传感器实时信号通过跟踪微分器获得磁浮列车悬浮系统所需的悬浮高度信号和速度信号；

步骤s400：将得到的悬浮高度信号和速度信号反馈回最优控制器，使系统状态达到期望的系统状态。

优选地，所述步骤s200中离散时间最优控制器定义为公式(2)

u(k)＝ftd(x1(k),x2(k),r,h)(2)

其中，x1(k)，x2(k)为系统的在t＝kh时的状态点，k为离散时间步数，h为采样周期，u(k)是系统的控制量，u(k)≤r,r是系统参数，所述函数ftd为预设函数，根据系统状态点m(x1(k),x2(k))位于相平面不同位置按照预设规则进行设定。

优选地，所述函数ftd为预设函数，根据系统状态点x1(k)，x2(k)位于相平面不同位置按照预设规则进行设定具体为：

步骤s201：记x1(k)为x1，x2(k)为x2，u(k)为u，设定z1＝x1+λhx2，z2＝z1+hx2，其中λ∈(0,1]是特征点调节参数；

确定线性区域ω的边界，由两条边界曲线γa和γb所围成的区域构成：

和

其中，s＝sign(x1+hx2)，sign为符号函数；

步骤s202：如果|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，进入步骤s203，否则进入步骤s205；

步骤s203：如果系统状态点m(x1,x2)满足x1x2≥0并且系统状态点m(x1,x2)既不在线性区域ω内也不在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝-rsign(x1+hx2)；

步骤s204：如果|x1|≥xb，那么函数ftd即控制量定义为：u＝-rsign(x1)；

如果|x1|≤xa，那么函数ftd即控制量定义为：u＝rsign(x1)；

否则，函数ftd即控制量定义为：u＝rεsign(x1)，其中，

步骤s205：如果系统状态点m(x1,x2)在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

优选地，所述两步可达区域ω2具体由两条平行直线x1+hx2＝±h²r和另外两条平行直线x1+2hx2＝±h²r所围成的区域构成。

优选地，所述步骤s200中最优控制器对应的跟踪微分器具体为：

其中，v(k)是跟踪微分器的输入信号，c0是滤波因子。

本发明还提供了一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理装置，包括采集模块、构造模块、预处理模块和处理模块，其中：

采集模块，用于获得悬浮系统位置传感器实时信号作为待处理信号；

构造模块，用于针对离散二阶串联型系统设计离散时间最优控制器，并构造最优控制器对应的跟踪微分器；

预处理模块，用于将采集模块发送的位置传感器实时信号通过构造模块的跟踪微分器获得磁浮列车悬浮系统所需的悬浮高度信号和速度信号；

处理模块，用于将预处理模块发送的悬浮高度信号和速度信号通过构造模块的最优控制器，使系统状态达到期望的系统状态。

优选地，所述构造模块中离散时间最优控制器定义为公式(2)

u(k)＝ftd(x1(k),x2(k),r,h)(2)

其中，x1(k)，x2(k)为系统的在t＝kh时的状态点，k为离散时间步数，h为采样周期，u(k)是系统的控制量，u(k)≤r,r是系统参数，所述函数ftd为预设函数，根据系统状态点m(x1(k),x2(k))位于相平面不同位置按照预设规则进行设定。

优选地，所述函数ftd为预设函数，根据系统状态点x1(k)，x2(k)位于相平面不同位置按照预设规则进行设定具体为：

记x1(k)为x1，x2(k)为x2，u(k)为u，设定z1＝x1+λhx2，z2＝z1+hx2，其中λ∈(0,1]是特征点调节参数；

确定线性区域ω的边界，由两条边界曲线γa和γb所围成的区域构成：

和

其中，s＝sign(x1+hx2)，sign为符号函数；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，系统状态点m(x1,x2)满足x1x2≥0且系统状态点m(x1,x2)既不在线性区域ω内也不在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝-rsign(x1+hx2)；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，且|x1|≥xb，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝-rsign(x1)；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，且|x1|≤xa，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝rsign(x1)；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，且|x1|<xb∪|x1|＞xa，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝rεsign(x1)，其中，

当|z1|≤h²r∩|z2|≤h²r，系统状态点m(x1,x2)在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

优选地，所述两步可达区域ω2具体由两条平行直线x1+hx2＝±h²r和另外两条平行直线x1+2hx2＝±h²r所围成的区域构成。

优选地，所述构造模块中最优控制器对应的跟踪微分器具体为：

其中，v(k)是跟踪微分器的输入信号，c0是滤波因子。

本发明提供的一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法和装置，能够实时处理悬浮系统位置传感器的信号，对信号的噪声具有较强的滤波能力且能够获得悬浮系统的实时悬浮高度信号和速度信号，特别是当加速度传感器发生故障时，能够将实时悬浮高度信号和速度信号作为最优控制器需要的反馈信号，从而保证磁浮列车能够实现安全稳定悬浮。

附图说明

图1为本发明提供的第一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法的流程图；

图2为边界曲线(γa，γb)，交点(xa，xb)以及线性区域(ω)示意图；

图3为两步可达区ω2示意图；

图4为本申请与经典的韩京清跟踪微分器系统状态转移的过程示意图；

图5为本申请与经典的韩京清跟踪微分器跟踪滤波误差示意图；

图6为本申请与经典的韩京清跟踪微分器微分信号提取误差示意图；

图7为本发明提供的一种磁浮列车悬浮系统位置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1至图7，图1为本发明提供的一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法的流程图，图2为边界曲线(γa，γb)，交点(xa，xb)以及线性区域(ω)示意图，图3为两步可达区ω2示意图，图4为本申请与经典的韩京清跟踪微分器系统状态转移的过程示意图，图5为本申请与经典的韩京清跟踪微分器跟踪滤波误差示意图，图6为本申请与经典的韩京清跟踪微分器微分信号提取误差示意图。

一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s100：获得悬浮系统位置传感器实时信号作为待处理信号；

步骤s200：针对离散二阶串联型系统设计离散时间最优控制器，并构造最优控制器对应的跟踪微分器；

步骤s300：将位置传感器实时信号通过跟踪微分器获得磁浮列车悬浮系统所需的悬浮高度信号和速度信号；

步骤s400：将得到的悬浮高度信号和速度信号反馈回最优控制器，使系统状态达到期望的系统状态。

获得悬浮系统位置传感器实时信号作为待处理信号，针对离散二阶串联型系统设计离散时间最优控制器，并构造最优控制器对应的跟踪微分器。将位置传感器实时信号通过跟踪微分器获得磁浮列车悬浮系统所需的悬浮高度信号和速度信号。将得到的悬浮高度信号和速度信号反馈回最优控制器，使系统状态达到期望的系统状态。

能够实时处理悬浮系统位置传感器的信号，对信号的噪声具有较强的滤波能力且能够获得悬浮系统的实时悬浮高度信号和速度信号，特别是当加速度传感器发生故障时，能够将实时悬浮高度信号和速度信号作为最优控制器需要的反馈信号，从而保证磁浮列车能够实现安全稳定悬浮。

下面对步骤s200中设计离散时间最优控制器进行进一步说明。

针对离散的二阶串联型系统

x(k+1)＝ax(k)+bu(k),|u(k)≤r|(1)

其中a和b是该系统的表征矩阵，x(k)是该系统的实时状态，表现在相平面上即为一个点。u(k)是系统的控制输入，参数r是系统控制输入的约束条件。其中它们分别为x(k)＝[x1(k)，x2(k)]^t，h是采样时间。

针对以上系统以及给定的系统的初始状态x(0)，我们需要设计控制序列u(0),u(1),...u(k)使得系统的任意初始状态都能在有限的时间内回到系统的原点。

离散时间最优控制器定义为公式(2)

u(k)＝ftd(x1(k),x2(k),r,h)(2)

其中，x1(k)，x2(k)为系统的在t＝kh时的状态点，k为离散时间步数，h为采样周期，u(k)是系统的控制量，u(k)≤r,r是系统参数，所述函数ftd为预设函数，根据系统状态点m(x1(k),x2(k))位于相平面不同位置按照预设规则进行设定。

参见图2，确定系统状态点m(x1,x2)在相平面上转移过程中存在的边界曲线，表征如下：

其中，s＝sign(x1+hx2)，sign为符号函数。

我们把由两条边界曲线γa和γb围成的部分称为线性区域ω，其他部分称为非线性区域。

参见图3，当初始状态位于线性区域以外且在第一象限和第三象限的时候，存在不同的情况来选择控制量，这里我们把这种区域称为两步可达区域ω2。所述两步可达区域ω2具体由两条平行直线x1+hx2＝±h²r和另外两条平行直线x1+2hx2＝±h²r所围成的区域构成。

做一条辅助线x2＝x2(m)，与两条平行直线x1+hx2＝±h²r和另外两条平行直线x1+2hx2＝±h²r交于点xa，xb。

可以求得它们的表达式如下：

函数ftd为预设函数即控制量设计过程为：

步骤s201：记x1(k)为x1，x2(k)为x2，u(k)为u，设定z1＝x1+λhx2，z2＝z1+hx2，其中λ∈(0,1]是决定不同特征点xa，xb的调节参数；

步骤s202：如果|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，进入步骤s203，否则进入步骤s205；

步骤s203：如果系统状态点m(x1,x2)满足x1x2≥0并且系统状态点m(x1,x2)既不在线性区域ω内也不在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝-rsign(x1+hx2)；

步骤s204：如果|x1|≥xb，那么函数ftd即控制量定义为：u＝-rsign(x1)；

如果|x1|≤xa，那么函数ftd即控制量定义为：u＝rsign(x1)；

否则，函数ftd即控制量定义为：u＝rεsign(x1)，其中，

步骤s205：如果系统状态点m(x1,x2)在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

所述步骤s200中最优控制器对应的跟踪微分器具体为：

其中，v(k)是跟踪微分器的输入信号，c0是滤波因子。

接下来将本申请与经典的韩京清跟踪微分器进行对比。首先在给定初始状态下，我们对比两种方法在相同的参数设置条件下，系统状态转移的过程示意图如图4所示。

所述韩京清跟踪微分器为：

其中，d，d0，y，a，a0为中间参数无实际意义。

通过图4可以看出，本申请更加接近连续情况的下的最优转移轨迹，说明本申请相比韩京清跟踪微分器基于的离散时间最优控制方法更加有效。

接下里我们对比本申请与经典的韩京清跟踪微分器跟踪滤波和微分信号提取能力。其中输入信号设置为

v(t)＝sin(2πt)+ξ(t)

其中ξ(t)为强度为0.005的白噪声信号。在实验中我们选取r＝100，c0＝1.5，h＝0.01如图5所示。

从上面的跟踪滤波误差和微分信号提出误差来看，本申请在对输入信号的跟踪滤波以及微分信号提取的能力更加有效，且由于不涉及复杂的运算，比如开根号，使得在工程应用中更加容易实现。

参见图2至图7，图2为边界曲线(γa，γb)，交点(xa，xb)以及线性区域(ω)示意图，图3为两步可达区ω2示意图，图4为本申请与经典的韩京清跟踪微分器系统状态转移的过程示意图，图5为本申请与经典的韩京清跟踪微分器跟踪滤波误差示意图，图6为本申请与经典的韩京清跟踪微分器微分信号提取误差示意图，图7为本发明提供的一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理装置结构框图。

本发明还提供了一种磁浮列车悬浮系统位置传感器信号处理装置，包括采集模块1、构造模块2、预处理模块3和处理模块4，其中：

采集模块1，用于获得悬浮系统位置传感器实时信号作为待处理信号；

构造模块2，用于针对离散二阶串联型系统设计离散时间最优控制器，并构造最优控制器对应的跟踪微分器；

预处理模块3，用于将采集模块1发送的位置传感器实时信号通过构造模块2的跟踪微分器获得磁浮列车悬浮系统所需的悬浮高度信号和速度信号；

处理模块4，用于将预处理模块3发送的悬浮高度信号和速度信号通过构造模块2的最优控制器，使系统状态达到期望的系统状态。

获得悬浮系统位置传感器实时信号作为待处理信号，针对离散二阶串联型系统设计离散时间最优控制器，并构造最优控制器对应的跟踪微分器。将位置传感器实时信号通过跟踪微分器获得磁浮列车悬浮系统所需的悬浮高度信号和速度信号。将得到的悬浮高度信号和速度信号反馈回最优控制器，使系统状态达到期望的系统状态。

能够实时处理悬浮系统位置传感器的信号，对信号的噪声具有较强的滤波能力，且能够获得悬浮系统的实时悬浮高度信号和速度信号，特别是当加速度传感器发生故障时，能够将实时悬浮高度信号和速度信号作为最优控制器需要的反馈信号，从而保证磁浮列车能够实现安全稳定悬浮。

下面对构造模块2中设计离散时间最优控制器进行进一步说明。

针对离散的二阶串联型系统

x(k+1)＝ax(k)+bu(k),|u(k)≤r|(1)

其中a和b是该系统的表征矩阵，x(k)是该系统的实时状态，表现在相平面上即为一个点。u(k)是系统的控制输入，参数r是系统控制输入的约束条件。其中它们分别为x(k)＝[x1(k)，x2(k)]^t，h是采样时间。

针对以上系统以及给定的系统的初始状态x(0)，我们需要设计控制序列u(0),u(1),...u(k)使得系统的任意初始状态都能在有限的时间内回到系统的原点。

离散时间最优控制器定义为公式(2)

u(k)＝ftd(x1(k),x2(k),r,h)(2)

其中，x1(k)，x2(k)为系统的在t＝kh时的状态点，k为离散时间步数，h为采样周期，u(k)是系统的控制量，u(k)≤r,r是系统参数，所述函数ftd为预设函数，根据系统状态点m(x1(k),x2(k))位于相平面不同位置按照预设规则进行设定。

参见图2，确定系统状态点m(x1,x2)在相平面上转移过程中存在的边界曲线，表征如下：

其中，s＝sign(x1+hx2)，sign为符号函数。

我们把由两条边界曲线γa和γb围成的部分称为线性区域ω，其他部分称为非线性区域。

参见图3，当初始状态位于线性区域以外且在第一象限和第三象限的时候，存在不同的情况来选择控制量，这里我们把这种区域称为两步可达区域ω2。所述两步可达区域ω2具体由两条平行直线x1+hx2＝±h²r和另外两条平行直线x1+2hx2＝±h²r所围成的区域构成。

做一条辅助线x2＝x2(m)，与两条平行直线x1+hx2＝±h²r和另外两条平行直线x1+2hx2＝±h²r交于点xa，xb。

可以求得它们的表达式如下：

函数ftd为预设函数即控制量设计过程为：

记x1(k)为x1，x2(k)为x2，u(k)为u，设定z1＝x1+λhx2，z2＝z1+hx2，其中λ∈(0,1]是决定不同特征点xa，xb的调节参数；确定线性区域ω的边界，即和

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，系统状态点m(x1,x2)满足x1x2≥0且系统状态点m(x1,x2)既不在线性区域ω内也不在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝-rsign(x1+hx2)；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，且|x1|≥xb，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝-rsign(x1)；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，且|x1|≤xa，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝rsign(x1)；

当|z1|＞h²r或者|z2|＞h²r，那么系统状态点m(x1,x2)不在两步可达区域ω2内，且|x1|<xb∪|x1|＞xa，那么函数ftd即控制量定义为：

u＝rεsign(x1)，其中，

当|z1|≤h²r∩|z2|≤h²r，系统状态点m(x1,x2)在两步可达区域ω2内，那么函数ftd即控制量定义为：

所述构造模块2中最优控制器对应的跟踪微分器具体为：

其中，v(k)是跟踪微分器的输入信号，c0是滤波因子。

接下来将本申请与经典的韩京清跟踪微分器进行对比。首先在给定初始状态下，我们对比两种方法在相同的参数设置条件下，系统状态转移的过程示意图如图4所示。

其中，d，d0，y，a，a0为中间参数无实际意义。

通过图4可以看出，本申请更加接近连续情况的下的最优转移轨迹，说明本申请相比韩京清跟踪微分器基于的离散时间最优控制方法更加有效。

接下里我们对比本申请与经典的韩京清跟踪微分器跟踪滤波和微分信号提取能力。其中输入信号设置为

v(t)＝sin(2πt)+ξ(t)

其中ξ(t)为强度为0.005的白噪声信号。在实验中我们选取r＝100，c0＝1.5，h＝0.01如图5所示。

从上面的跟踪滤波误差和微分信号提出误差来看，本申请在对输入信号的跟踪滤波以及微分信号提取的能力更加有效，且由于不涉及复杂的运算，比如开根号，使得在工程应用中更加容易实现。

以上对本发明所提供的一种磁浮列车悬浮系统位置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。