научная статья по теме ОЦЕНИВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА Автоматика. Вычислительная техника

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНИВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА»

Автоматика и телемеханика, № 8, 2015

Робастные и адаптивные системы

© 2015 г. А.А. ПЫРКИН, канд. техн. наук (a.pyrkin@gmail.com)

(Ханчжоу Дяньцзы Университет, 310018, Ханчжоу, Китай, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики), А.А. БОБЦОВ, д-р. техн. наук (bobtsov@mail.ru) (Ханчжоу Дяньцзы Университет, 310018, Ханчжоу, Китай, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики), А.А. ВЕДЯКОВ (vedyakov@gmail.com) (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики), С.А. КОЛЮБИН, канд. техн. наук (s.kolyubin@gmail.com) (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики)

ОЦЕНИВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА1

Предложен новый алгоритм оценивания всех параметров полигармонического сигнала: частот, амплитуд, фаз и смещения. Показана экспоненциальная сходимость к нулю ошибок оценивания искомых параметров. Алгоритм обладает свойством помехоустойчивости по отношению к аддитивным шумам в канале измерения. Динамическая размерность алгоритма оценивания составляет 3к, где к - число гармоник.

1. Введение

Статья посвящена методу построения адаптивного наблюдателя для оценивания параметров полигармонического сигнала, включая смещение, частоту и амплитуду каждой гармоники. Такая проблема возникает при решении задачи компенсации параметрически не определенного возмущения [1—7], имеющего определенную детерминированную полигармоническую структуру. Известны также подходы, когда количество гармоник в спектре сигнала заранее не известно [8-10].

Наибольший интерес представляют задачи, где частота или частоты полигармонического сигнала не известны. Однако в большинстве работ, посвященных синтезу алгоритмов идентификации частоты в непрерывном времени, не обсуждается или отсутствует теоретическое обоснование увеличения быстродействия параметрической сходимости, что, в свою очередь, также можно

1 Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (госзадание 2014/190 (проект 2118), субсидия 074-И01, проект 14.Z50.31.0031).

отнести к нерешенным задачам идентификации частот периодических сигналов. Предлагаемый в статье алгоритм оценивания имеет динамический порядок, равный 3к, где к - число гармоник, что улучшает наиболее известные результаты, опубликованные в [6, 7, 9-13].

Наиболее близкий аналог [13] также обладает динамической размерностью 3к для случая полигармонического сигнала, состоящего только из к гармоник. Но если в сигнале присутствует постоянное смещение, то в общем виде его можно расценивать как дополнительную (к + 1) гармонику с нулевой частотой, и размерность алгоритма [13] будет больше, чем 3к. В подходе, предлагаемом в этой статье, размерность 3к гарантируется для смещенного полигармонического сигнала. В случае нулевого смещения динамическая размерность предлагаемого подхода будет 3к — 1. Однако нулевое смещение является существенной идеализацией, так как полигармонические сигналы, исследуемые в практических задачах, не могут не иметь смещения в силу своей природы или ошибок калибровки измерительных устройств. Рассмотрение полигармонических сигналов с ненулевым смещением, по мнению авторов, является более актуальной и содержательной задачей.

Предложенный в этой работе алгоритм идентификации обеспечивает экспоненциальную сходимость к нулю ошибок оценивания всех параметров смещенного полигармонического сигнала. Алгоритм обладает адаптивными свойствами по отношению к изменению параметров сигнала и свойством помехоустойчивости по отношению к ограниченным по амплитуде аддитивным нерегулярным составляющим.

2. Постановка задачи

Рассматривается измеряемый сигнал вида

к

(2.1) y(t) = а + ^ ßi sin(wji + ф),

i= 1

являющийся суммой k гармоник (с частотами Wi, амплитудами ßi и начальными фазами ф^ и постоянного смещения а. Константы а, Wi, ßi и фi являются неизвестными. Здесь и далее символ i означает номер гармоники. Допущение 1. Количество гармоник k известно.

Допущение 2. Все ненулевые частоты гармоник сигнала y(t) не меньше некоторого известного числа шо, т,.е. Шг>Шо, г = 1, к.

Допущение 3. Расстояние между соседними частотами сигнала y(t) не меньше некоторого известного числа ö0, т.е. |wi — Wj| > ö0, vi = j, i,j = = l7k.

Сформулируем цель как решение задачи синтеза устройства оценки, обеспечивающего для любых а, фi, ßi и Wi > 0 выполнения условий

lim |wi — Wi(t)| = 0, lim |а — a(t)| = 0,

t—y^o t—y^o

lim |ßi — ßi(t)| = 0, lim фi — фi(t) = 0,

где (^.¿(Ь) - текущая оценка частоты шг, ст(Ь) - текущая оценка смещения а, - текущая оценка амплитуды фг(Ь) - текущая оценка фазового сдвига фг.

3. Алгоритм идентификации частот смещенного полигармонического сигнала

Введем в рассмотрение фильтр

(3.1)

Л0к

где Ло > 0, 7(3) = з2к + 72к-^2к-1 + ■ ■ ■ + 7^ + 7о - гурвицев полином степени 2к, где 70 = Л0к, а все корни полинома 7(5) прямо пропорциональны параметру Л0.

Лемма 1. Для фильтра (3.1) и входного сигнала (2.1) будет выполнено соотношение

(3.2)

£(2к+1)С0 = ОтС0ё + е^),

где от(Ь) = [{(2к 1)(t) ... £(1)(Ь)] - регрессор, составленный из функ-

ций {^(Ь), являющихся производными выходной переменной фильтра (3.1)

\ 2к ^

7 (з)

и ёт = \в1 ... вк-1 дк] - вектор параметров, зависящий от частот

(3.3)

(?1 = д1 + д2 +••• + дк,

д2 = —д1д2 — д1д3----- дк—1дк 5

^ дк = (-1)к+1д1д2--- дк,

где дг = — ш2, функция |е(t)| < р0е и ее производные ограничены и экспоненциально стремятся к нулю, р0 > 0, Л > 0.

Доказательство. Хорошо известно, что сигнал (2.1) является решением дифференциального уравнения

(3.4)

р2к+1у(^ = д1р2к—1... +

2к-1

где р = й/йЬ - оператор дифференцирования.

Выполняя преобразование Лапласа в (3.4), найдем

(3.5) з2к+1у(з) = ё182к—1у(з) + ... + дк зу(з) + ф),

где полином й(з) обозначает начальные условия.

\2к

Умножая (3.5) на ^у с учетом (3.1), получим

\2 k

(3.6) s2k+las) = 9is2k~4(s) + • • • + hstts) + d(s).

После обратного преобразования Лапласа в (3.6) найдем искомое уравнение (3.2), где t (t) = | A°7(t)a'> | • В силу структуры полинома j(s) функция e(i) может быть представлена как сумма затухающих экспонент, причем показатель экспоненты Л в соотношении |e(t)| < poe-Ai зависит от выбора собственных чисел полинома Y(p). Производные этих функций также экспоненциально стремятся к нулю. При этом Л прямо пропорционально настраиваемому параметру Л0:

(3.7) Л = Ло Co,

где C0 > 0 - некоторая константа.

Замечание 1. Так как 9i является корнем полинома q2k + 0iq2k-2 +■ ■ ■ + + ^k-1q2 + 9k, где q - некоторая алгебраическая переменная, то можно рассчитать значения 9i на основе 9i.

Алгоритм оценивания частот представлен в следующей теореме. Теорема 1. Алгоритм настройки

для |9i(t)| > Wo,

(3.8) ад

иначе

где - известная нижняя граница частот шг, оценки 9г рассчитаны на основе 9г, являющихся элементами вектора 0:

(3.9) © = Т(*) + К

(3.10) Т (*) = —К 0(*)0т(*)©(*) — К (*),

где К = > 0, г = 1 ,к}, обеспечивает экспоненциальную сходимость

ошибок оценивания = — шг к нулю:

(3.11) |адг(£)| < Р1в-в1*, р1 > 0, в1 > 0, v* > 0.

Доказательство. Используя результат леммы 1, вычислим производную ошибки оценивания © = © — О:

(3.12) в(*) = © — ©>(*) = —т(*) — к 11(*)е(2к) — к о(*)е(2к+1) =

= К П(*)От(*)©(*) + К П(*)£(2*>(*) — К — КО(*)£(2к+1) =

= КП(*)От(*)©(*) — КП(*) (Ът(*)О + = = —К 0(*)0т(*)§(*) — К П(*)г(*).

4 Автоматика и телемеханика, № 8

97

С использованием функции Ляпунова V(Ь) = ОтК 1©/2 нетрудно видеть из (3.12), что производная У(Ь) является неположительной. Исходя из этого, можно показать лишь то, что ошибка <Э стремится к некоторому вектору констант и необязательно к нулю.

Временно предположим, что е = 0. Хорошо известно, что если регрес-сор 0(Ь) удовлетворяет условию предельной интегральной невырожденности

или неисчезающего возбуждения, то О как решение уравнения

§(ь) = —К 0(ь)0т(ь)°(ь)

экспоненциально стремится к нулю (см. теорему 4.3.2 в [14]).

Так как |е^)| < рое-- экспоненциально затухающая функция времени, то можно показать, что с учетом принципа сравнения [15] для любой экспоненциально затухающей функции е ошибка оценивания © экспоненциально сходится к нулю в системе (3.12)

^ < Р2е—Р2 > 0, в2 > 0, уЬ > 0.

Доказательство этих утверждений приведены в Приложении. Согласно замечанию 1 зафиксируем, что вектор оценок дг является доступным для системы управления на основе ©г . Так как вычисление дг на основе дг может быть рассмотрено как алгебраическая задача, то ошибки оценивания дг = дг — дг также сходятся к нулю и ограничены экспоненциально затухающими функциями времени.

Частоты полигармонического сигнала могут быть вычислены по формуле (3.8). Покажем, что ошибки оценивания частот Шг = Шг — Шг для (3.8) экспоненциально сходятся к нулю (3.11).

(3.13) й>м = \/\ш+Ш - \f\m\ < \/\Ш1

(3.14) = \вг-Ш\ > ~\/\Ш\-

(3.15) \Ш\<\/\Ш<Р1е-1}1\ где р1 и в1 зависят от р2 и в2.

4. Алгоритм идентификации смещения, амплитуд и фаз гармоник

В этом разделе будет представлен алгоритм идентификации общего смещения, амплитуд и фаз всех гармоник полигармонического сигнала на основе оценки частот шДЬ). Сигнал (2.1) является суммой постоянного смещения а и синусоидальных функций уДЬ) = вш^Ь + фг).

С учетом того, что сигнал у(Ь) поступает на устойчивый линейный фильтр (3.1), выходная переменная фильтра будет представлять собой сумму постоянной составляющей, синусоидальных гармоник с теми же частотами Шг

и экспоненциально затухающей функции времени, описывающей переходный процесс:

(4.1) -(4) =

7 (Р)

а

г=1

= Ш + (*),

г=1

где -о, ^ и е^ - это соответственно постоянная, синусоидальные и экспоненциальная составляющие.

Для постоянной и синусоидальных членов нетрудно получить следующие соотношения:

(4.2)

(4.3)

где

тО'^)

ш=0

Ш = а,

Ш = ЦгУг и + ^ \

= 1 - положительный передаточный коэффициент для посто-

янного входного сигнала, Ь^

Аб*

тС?^

^ = агё

А2к

положи-

тельный передаточный ко

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком