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悬浮控制中的信号滤波算法研究

作　者: 李元凯
导　师: 李杰
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 悬浮系统 噪声 滤波算法 滤波器 稳定性
分类号: U266.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


低速磁浮列车的悬浮系统是一个典型的非线性开环不稳定系统,由于电磁环境的复杂性和运行状态参数的不确定性,滤波降噪算法一直是悬浮控制的技术难点。本文围绕滤波算法在悬浮控制中的对比应用展开研究,采用理论分析与仿真实验相结合的方法,主要完成了以下工作:首先,建立了单点悬浮系统的数学模型,研究了电流环和位置环的设计问题,并通过时域和频域工具相结合的方法分析了控制系统各个参数对悬浮系统稳定性的影响。另外,通过实验方法建立了悬浮系统的噪声模型,并用功率谱密度描述噪声的频率特性。其次,分析了系统中常规的几种低通滤波器对系统抗干扰能力的性能情况,分析了陷波器在抑制窄带宽交流噪声方面的应用效果。此外,从系统的稳定性角度分析了低通滤波器和陷波器对系统稳定性的影响。然后,针对悬浮系统中存在的噪声特点采用了卡尔曼滤波方法。对卡尔曼滤波器在悬浮控制系统中的应用做了理论分析和仿真实验。仿真实验表明悬浮控制系统采用卡尔曼滤波器后能够有效地减小噪声带来的影响、提高鲁棒性。最后,将最小二乘自适应滤波器应用到悬浮控制系统以抑制系统噪声,并通过递推最小二乘算法以减少程序的运算量。仿真实验表明该滤波器对噪声具有良好的抑制作用。通过对上述几种滤波算法的分析比较,提出了适合于磁浮列车实际运行需要的滤波算法,对悬浮控制算法的设计提供了重要的参考。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 课题背景和研究意义  12-15
    1.1.1 磁悬浮列车简介  12-14
    1.1.2 本课题的研究意义  14-15
  1.2 低速磁浮列车信号处理相关技术  15-18
    1.2.1 悬浮控制技术  15-16
    1.2.2 信号滤波器设计技术  16-17
    1.2.3 间隙传感器的信号特点  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-20
  1.4 论文内容安排  20-22
第二章 单电磁铁悬浮系统及噪声模型  22-37
  2.1 单铁线性系统模型  22-27
    2.1.1 单电磁铁动态模型  22-25
    2.1.2 电流环设计  25
    2.1.3 位置环设计  25-27
  2.2 悬浮控制系统稳定性分析  27-31
    2.2.1 时域稳定性分析  27-28
    2.2.2 频率域稳定性分析  28-31
  2.3 悬浮系统的噪声模型  31-35
    2.3.1 噪声模型  31-33
    2.3.2 随机信号的功率谱分析  33-35
  2.4 本章小结  35-37
第三章 磁悬浮列车常规滤波器性能分析  37-50
  3.1 低通滤波器的应用及其对悬浮特性的影响  37-45
    3.1.1 在间隙反馈通道引入低通滤波器  37-41
    3.1.2 在总控制通路中加入低通滤波器  41-45
  3.2 带阻滤波器在悬浮系统中的应用  45-48
    3.2.1 陷波器的特性简介  45-46
    3.2.2 陷波器抑制悬浮系统中窄带噪声的效果  46-48
  3.3 本章小结  48-50
第四章 卡尔曼滤波器在悬浮控制系统中的应用  50-62
  4.1 引言  50-51
  4.2 离散线性系统的卡尔曼滤波  51-54
    4.2.1 离散线性系统的卡尔曼滤波方程  51-52
    4.2.2 卡尔曼滤波器算法流程  52-53
    4.2.3 卡尔曼滤波的稳定性和误差  53-54
  4.3 磁悬浮控制系统模型的离散化  54-57
  4.4 基于卡尔曼滤波的悬浮控制系统仿真  57-61
    4.4.1 卡尔曼滤波器仿真实验  57-58
    4.4.2 卡尔曼滤波器对动态性能的影响  58-59
    4.4.3 模型不精确的仿真研究  59-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章 自适应滤波器在悬浮控制系统中的应用  62-79
  5.1 引言  62
  5.2 最小二乘自适应滤波器  62-66
    5.2.1 自适应和最佳化  62-63
    5.2.2 最小二乘（LS）滤波方程  63-66
  5.3 递推最小二乘（RLS）算法  66-69
    5.3.1 RLS算法递推过程  66-68
    5.3.2 RLS算法的收敛性  68-69
  5.4 基于RLS算法的悬浮系统滤波器设计及仿真  69-77
    5.4.1 悬浮系统离散化模型  70-72
    5.4.2 基于RLS算法的悬浮系统滤波  72-74
    5.4.3 模型不匹配情况下的仿真实验  74-76
    5.4.4 仿真实验分析  76-77
  5.5 本章小结  77-79
第六章 总结与展望  79-81
  6.1 全文总结  79-80
  6.2 工作展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-87
作者在学期间取得的学术成果  87

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中图分类: > 交通运输 > 铁路运输 > 机车工程 > 动车、动车组（动力列车） > 非轮轨系机车，磁浮、气浮动车
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