本發(fā)明涉及通訊與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種微分信號的提取方法。

背景技術(shù)：

在航天器控制領(lǐng)域，某些信號的微分量難以測量或難以準(zhǔn)確測量，而如果需要對這些信號的微分量進(jìn)行準(zhǔn)確測量則需要昂貴的專業(yè)儀器。例如，在高超聲速飛行的航天器上，可以采用陀螺儀來測量航天器的姿態(tài)角，同時，在航天器的控制器設(shè)計中，往往需要根據(jù)航天器的攻角的微分信號來提高系統(tǒng)的阻尼，而航天器攻角的微分信號則往往難以準(zhǔn)確測量。

因此，亟需一種能夠簡單、準(zhǔn)確的提取航天器攻角的微分信號的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種微分信號的提取方法，所述方法包括：

步驟一、根據(jù)微分器的輸出信號u計算第一積分信號z₀，根據(jù)所述第一積分信號z₀與輸入信號計算誤差信號；

步驟二、根據(jù)所述誤差信號計算第二積分信號；

步驟三、根據(jù)所述第二積分信號和誤差信號構(gòu)造非線性柔化模型，根據(jù)所述非線性柔化模型計算所述輸入信號的微分信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述步驟一中，計算所述微分器輸出信號u的積分信號，得到所述第一積分信號z₀。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述步驟一中，根據(jù)如下表達(dá)式計算所述誤差信號：

σ₀＝z₀-f(t)

其中，σ₀表示誤差信號，f(t)表示與時間t有關(guān)的輸入信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述步驟二中，根據(jù)如下表達(dá)式計算所述第二積分信號：

z₁＝∫-σ₀dt

其中，z₁表示第二積分信號，σ₀表示誤差信號，t表示時間。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述步驟三中，根據(jù)所述第二微分信號、誤差信號以及預(yù)設(shè)的常值正參數(shù)來構(gòu)建所述非線性柔化模型。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，根據(jù)如下表達(dá)式構(gòu)建所述非線性柔化模型：

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

其中，σ₀表示誤差信號，z₁表示第二積分信號，F(xiàn)(σ₀,z₁)表示與誤差信號σ₀和第二積分信號z₁有關(guān)的非線性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示預(yù)設(shè)的常值正參數(shù)，ε表示預(yù)設(shè)調(diào)整參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，將當(dāng)前所述非線性柔化模型的取值作為所述輸入信號的微分信號的取值。

本發(fā)明還提供了一種微分器，所述微分器包括：

第一積分器，其與所述微分器的輸出端連接，用于對所述微分器的輸出信號u進(jìn)行積分，得到第一積分信號z₀；

減法器，其與所述第一積分器連接，用于根據(jù)所述第一積分信號z₀與輸入信號計算誤差信號；

反相器和第二積分器，所述反相器的輸入端與所述減法器的輸出端連接，所述第二積分器與所述反相器的輸出端連接，用于根據(jù)所述反相器輸出的信號生成第二積分信號。

非線性柔化器，其第一輸入端與所述減法器的輸出端連接，第二輸入端與所述第二積分器的輸出端連接，輸出端形成所述微分器的輸出端，用于根據(jù)所述誤差信號和第二積分信號計算所述輸入信號的微分信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述減法器根據(jù)如下表達(dá)式計算所述誤差信號：

σ₀＝z₀-f(t)

其中，σ₀表示誤差信號，f(t)表示與時間t有關(guān)的輸入信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述非線性柔化器根據(jù)如下表達(dá)式計算所述輸入信號的微分信號：

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

其中，σ₀表示誤差信號，z₁表示第二積分信號，F(xiàn)(σ₀,z₁)表示與誤差信號σ₀和第二積分信號z₁有關(guān)的非線性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示預(yù)設(shè)的常值正參數(shù)，ε表示預(yù)設(shè)調(diào)整參數(shù)。

本發(fā)明所提供的微分信號提取方法以及微分器能夠根據(jù)計算機(jī)構(gòu)造誤差以及其積分，采用非線性柔化模型來實現(xiàn)輸入信號近似微分的提取。相較于現(xiàn)有的微分信號提取方法，本方法不僅實現(xiàn)成本更加低廉，而且其所提取得到的微分信號的精度也更高。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的微分信號提取方法的實現(xiàn)流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于非線性函數(shù)的微分器的設(shè)計框圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的利用本發(fā)明所提供的方法所得到的微分信號的曲線圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的輸入信號的微分信號的理論值曲線圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖3和圖4所示曲線的對比圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的參數(shù)增大后利用本發(fā)明所提供的方法所得到的微分信號的曲線圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的參數(shù)增大后輸入信號的微分信號的理論值曲線圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖6和圖7所示曲線的對比圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

同時，在以下說明中，出于解釋的目的而闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以提供對本發(fā)明實施例的徹底理解。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以不用這里的具體細(xì)節(jié)或者所描述的特定方式來實施。

另外，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機(jī)可執(zhí)行指令的計算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的采用傳統(tǒng)濾波方法獲取近似微分信號精度不高的問題，本實施例提供了一種新的微分信號提取方法。該方法是一種基于非線性柔化函數(shù)的近似微分信號提取方法，其能夠僅利用輸入信號采取相應(yīng)的積分運算與代數(shù)運算來實現(xiàn)輸入信號的近似微分信號的提取。

圖1示出了本實施例所提供的微分信號提取方法的實現(xiàn)流程圖。

如圖1所示，本實施例中，該方法首先在步驟S101中根據(jù)微分器的輸出信號u計算第一積分信號z₀。具體地，本實施例中，在步驟S101中，該方法會計算微分器的輸出信號u的積分信號，從而得到第一積分信號z₀，即存在：

z₀＝∫udt (1)

其中，t表示時間。

在得到第一積分信號z₀后，該方法會在步驟S102中根據(jù)第一積分信號z₀與輸入信號f(t)計算誤差信號σ₀。本實施例中，誤差信號σ₀為第一積分信號z₀與輸入信號f(t)的差值，即存在：

σ₀＝z₀-f(t) (2)

其中，f(t)表示與時間t有關(guān)的輸入信號。

該方法在步驟S103中將根據(jù)步驟S102所得到的誤差信號σ₀計算第二積分信號z₁。其中，在計算第二積分信號z₁的過程中，該方法先對步驟S102中所得到的誤差信號σ₀進(jìn)行反相處理，隨后將處理得到的信號進(jìn)行積分，從而得到第二積分信號z₁。即存在：

z₁＝∫-σ₀dt (3)

在得到第二積分信號z₁后，該方法在步驟S104中將根據(jù)步驟S103中所得到的第二積分信號z₁以及步驟S102中所得到的誤差信號σ₀構(gòu)造非線性柔化模型，并在步驟S105中根據(jù)該非線性柔化模型來計算上述輸入信號f(t)的微分信號。

本實施例中，該方法在步驟S104中根據(jù)所述第二微分信號、誤差信號以及預(yù)設(shè)的常值正參數(shù)來構(gòu)建非線性柔化模型，并在步驟S105中根據(jù)該非線性柔化模型計算輸入信號的微分信號。

具體地，上述非線性柔化模型可以表示為：

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

其中，F(xiàn)(σ₀,z₁)表示與誤差信號σ₀和第二積分信號z₁有關(guān)的非線性柔化模型，λ₀、λ₁和λ₂表示預(yù)設(shè)的常值正參數(shù)，ε表示預(yù)設(shè)調(diào)整參數(shù)。

需要指出的是，在本發(fā)明的不同實施例中，預(yù)設(shè)的常值正參數(shù)λ₀、λ₁和λ₂的具體取值可以根據(jù)實際需要自由選取，本發(fā)明不限于此。本實施例中，上述常值正參數(shù)λ₀、λ₁和λ₂的取值優(yōu)選地均大于或等于5。

該方法優(yōu)選地以上述非線性柔化模型的計算結(jié)果作為輸入信號的微分信號，即在計算機(jī)中按照如下表達(dá)式輸出微分信號的提取結(jié)果：

u＝F(σ₀,z₁) (5)

圖2示出了本實施例所提供的基于非線性函數(shù)的微分器的設(shè)計框圖。

如圖2所示，本實施例所提供的微分器包括：第一積分器、減法器、反相器、第二積分器和非線性柔化器。其中，第一積分器與微分器的輸出端連接，用于對微分器的輸出信號u進(jìn)行積分，得到第一積分信號z₀。具體地，本實施例中，第一積分器可以根據(jù)上述表達(dá)式(1)來得到第一積分信號z₀。

第一積分器與減法器連接，其能夠?qū)⑸傻牡谝环e分信號z₀輸出至減法器的一個輸入端。減法器的另一輸入端形成微分器的輸入端，以用于接收輸入信號f(t)。減法器能夠根據(jù)第一積分信號z₀和輸入信號f(t)來生成誤差信號σ₀。具體地，本施例中，減法器可以根據(jù)上述表達(dá)式(2)來計算誤差信號σ₀。

反相器的輸入端與減法器的輸出端連接，其能夠?qū)p法器生成的誤差信號σ₀進(jìn)行反相處理，即得到信號-σ₀。反相器的輸出端與第二積分器的輸入端連接，第二積分器能夠利用表達(dá)式(3)來對反相器傳輸來的信號進(jìn)行積分處理，從而得到第二積分信號z₁。

在得到第二積分信號z₁后，第二積分器會將第二積分信號z₁傳輸至非線性柔化器的第二輸入端，非線性柔化器的第一輸入端與減法器的輸出端連接，這樣非線性柔滑器則可以根據(jù)誤差信號σ₀和第二積分信號z₁計算得到輸入信號f(t)的微分信號。本實施例中，非線性柔化器根據(jù)上述表達(dá)式(4)來計算輸入信號的微分信號。

以如下程序為例，本實施例利用上述微分信號提取方法對輸入信號f(t)＝sin(t)+0.001sin(10t)進(jìn)行微分信號的提取。其中，圖3示出了利用本實施例所提供的方法所得到的微分信號的曲線圖，圖4示出了該輸入信號的微分信號的理論值曲線圖，圖5示出了上述兩條曲線的對比圖。根據(jù)圖3至圖5可以看出，利用本實施例所提供的方法得到的微分信號與該微分信號的理論值相近，由此可見本方法是可靠的。

如果將常值正參數(shù)λ₀、λ₁和λ₂的取值分別增大5倍，那么則可以得到如圖6至圖8所示的曲線圖。其中，圖6示出了利用本實施例所提供的方法所得到的微分信號的曲線圖，圖7示出了該輸入信號的微分信號的理論值曲線圖，圖8示出了上述兩條曲線的對比圖。對比圖4至圖8可以看出，常值正參數(shù)λ₀、λ₁和λ₂取值的增大能夠有效提高微分信號的輸出精度，并且其過渡過程也進(jìn)一步加快。

從上述描述中可以看出，本實施例所提供的微分信號提取方法以及微分器能夠根據(jù)計算機(jī)構(gòu)造誤差以及其積分，采用非線性柔化模型來實現(xiàn)輸入信號近似微分的提取。相較于現(xiàn)有的微分信號提取方法，本方法不僅實現(xiàn)成本更加低廉，而且其所提取得到的微分信號的精度也更高。

應(yīng)該理解的是，本發(fā)明所公開的實施例不限于這里所公開的特定結(jié)構(gòu)或處理步驟，而應(yīng)當(dāng)延伸到相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的這些特征的等同替代。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在此使用的術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的，而并不意味著限制。

說明書中提到的“一個實施例”或“實施例”意指結(jié)合實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，說明書通篇各個地方出現(xiàn)的短語“一個實施例”或“實施例”并不一定均指同一個實施例。

雖然上述示例用于說明本發(fā)明在一個或多個應(yīng)用中的原理，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的原理和思想的情況下，明顯可以在形式上、用法及實施的細(xì)節(jié)上作各種修改而不用付出創(chuàng)造性勞動。因此，本發(fā)明由所附的權(quán)利要求書來限定。