一种直角三角窗函数的构造方法、装置及滤波器

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种直角三角窗函数的构造方法、装置及滤波器。

背景技术

在信号处理技术领域，采用窗函数设计数字低通滤波器，能够获得较好的频域滤波性能。常用的窗函数包括有：矩形窗、等腰三角窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、切比雪夫窗等。在工业过程控制领域，过程信号普遍存在高频随机噪声干扰，低通滤波器(Low passfilters，LPF)的基本用途是滤除高频随机噪声干扰。从提高工业过程控制性能的角度，则要求LPF在滤除高频随机噪声干扰同时，能够提高输出跟踪输入的性能，即减小LPF滤波的滞后。

在工业过程控制领域，比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器是一种首选的基础性控制技术，基础控制地位至今难以撼动。从工业控制技术发展的角度，基础性控制技术不可能一直停留在PID控制，需要产生出能够取代现有PID控制的新型基础控制技术(New foundation control，NFC)；PID结构基于一阶惯性滤波器(First order inertial filter，FOIF)构造，FOIF代表了一种典型的指数型的跟踪滤波机制，若要实现取代PID控制的NFC，则需要从LPF的角度突破FOIF的指数型的跟踪滤波机制，并提高跟踪滤波的性能。

发明内容

本发明提供了一种直角三角窗函数的构造方法、装置及滤波器，实现突破一阶惯性滤波器的指数型的跟踪滤波机制，提高滤波性能及效果。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种直角三角窗函数的构造方法，包括：

获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号，并根据减法器信号，构造直角三角窗函数；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。

实施本发明实施例，获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号，并根据减法器信号，构造直角三角窗函数；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。通过单位阶跃信号和各种信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，构造直角三角窗函数，将直角三角窗函数用于滤波时，使得滤波输出相位超前，滤波输出超前于一阶惯性滤波器滤波输出，突破一阶惯性滤波器的指数型的跟踪滤波机制，提高滤波性能及效果。

作为优选方案，延时积分处理，具体为：

将单位阶跃信号输入至第一延时器，在第一延时器输出端得到第一延时信号，公式为：

PV

其中，PV

将单位阶跃信号输入至第一积分器，在第一积分器输出端得到第一积分信号，公式为：

T

其中，PV

将第一积分信号输入至第二延时器，在第二延时器输出端得到第二延时信号，公式为：

PV

其中，PV

作为优选方案，信号加减处理，具体为：

将第一延时信号与第二延时信号输入至二输入加法器，在二输入加法器输出端得到加法器信号，公式为：

PV

其中，PV

将第一积分信号输入至二输入减法器的被减数端，将加法器信号输入至二输入减法器的减数端，在二输入减法器输出端得到减法器信号，公式为：

PV

其中，PV

作为优选方案，根据减法器信号，构造直角三角窗函数，具体为：

将减法器信号的过程作为直角三角窗函数的输出，构造直角三角窗函数，公式为：

PV

其中，PV

为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种直角三角窗函数的构造装置，包括信号处理模块和构造模块；

其中，信号处理模块用于获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。

构造模块用于根据减法器信号，构造直角三角窗函数。

作为优选方案，信号处理模块包括延时积分处理单元和信号加减处理单元；

其中，延时积分处理单元用于将单位阶跃信号输入至第一延时器，在第一延时器输出端得到第一延时信号，公式为：

PV

其中，PV

将单位阶跃信号输入至第一积分器，在第一积分器输出端得到第一积分信号，公式为：

T

其中，PV

将第一积分信号输入至第二延时器，在第二延时器输出端得到第二延时信号，公式为：

PV

其中，PV

信号加减处理单元用于将第一延时信号与第二延时信号输入至二输入加法器，在二输入加法器输出端得到加法器信号，公式为：

PV

其中，PV

将第一积分信号输入至二输入减法器的被减数端，将加法器信号输入至二输入减法器的减数端，在二输入减法器输出端得到减法器信号，公式为：

PV

其中，PV

为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种滤波器，包括直角三角窗函数的构造装置和第二积分器；其中，直角三角窗函数的构造装置执行的直角三角窗函数的构造方法；

将直角三角窗函数的构造装置与第二积分器串联，获得滤波器。

实施本发明实施例，通过直角三角窗和积分器串联，设计的滤波器，即加速型最速跟踪滤波器，使得滤波输出相位超前，加速型最速跟踪滤波器滤波输出超前于一阶惯性滤波器滤波输出，突破一阶惯性滤波器的指数型的跟踪滤波机制，提高滤波性能及效果。

作为优选方案，将直角三角窗函数与第二积分器串联，获得滤波器，具体为：

根据直角三角窗函数，确定直角三角窗函数的拉普拉斯传递函数，公式为：

T

其中，f

将直角三角窗函数与第二积分器串联，获得滤波器，公式为：

其中，f

为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现直角三角窗函数的构造方法。

为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现直角三角窗函数的构造方法。

附图说明

图1：为本发明提供的一种直角三角窗函数的构造方法的一种实施例的流程示意图；

图2：为本发明提供的一种直角三角窗函数的构造装置的一种实施例的结构示意图；

图3：为本发明提供的一种滤波器的一种实施例的直角三角窗函数的输出曲线图；

图4：为本发明提供的一种滤波器的一种实施例的加速跟踪滤波器的输出曲线图；

图5：为本发明提供的一种滤波器的一种实施例的AFTF与FOIF滤波的对比结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的名词简称具体为：单位阶跃信号(Unit step signal，UST)，直角三角窗(Right triangle window，RTW)，二输入加法器(Two input adder，TIA)，二输入减法器(Two input subtract，TIS)，加速型最速跟踪滤波器(Accelerationfastest tracking filter，AFTF)，第一积分器(First integrator，FI)，第二积分器(Second integrator，SI)，一阶惯性滤波器(First order inertial filter，FOIF)。

实施例一

请参照图1，为本发明实施例提供的一种直角三角窗函数的构造方法的流程示意图。本实施例的滤波方法适用于数字低通滤波，本实施例通过基于直角三角窗函数进行滤波，突破一阶惯性滤波器的指数型的跟踪滤波机制，提高滤波性能及效果。该滤波方法包括步骤101至步骤102，各步骤具体如下:

步骤101：获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。

在本实施例中，获取单位阶跃信号，单位阶跃信号表达为：

其中，PV

在本实施例中，信号处理器包括但不限于第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。根据单位阶跃信号和信号处理器，进行延时积分处理，获得第一积分信号、第一延时信号和第二延时信号，并根据第一积分信号、第一延时信号、第二延时信号和信号处理器，进行信号加减处理，获得减法器信号，再根据减法器信号，获得直角三角窗函数。

可选的，延时积分处理，具体为：将单位阶跃信号输入至第一延时器，在第一延时器输出端得到第一延时信号，公式为：

PV

其中，PV

需要说明的是，若无特别说明时，过程的单位为无量纲，时间的单位为s。可选的，将单位阶跃信号输入至第一积分器，在第一积分器输出端得到第一积分信号，公式为：

T

其中，PV

将第一积分信号输入至第二延时器，在第二延时器输出端得到第二延时信号，公式为：

PV

其中，PV

可选的，信号加减处理，具体为：将第一延时信号与第二延时信号输入至二输入加法器，在二输入加法器输出端得到加法器信号，公式为：

PV

其中，PV

将第一积分信号输入至二输入减法器的被减数端，将加法器信号输入至二输入减法器的减数端，在二输入减法器输出端得到减法器信号，公式为：

PV

其中，PV

步骤102：根据减法器信号，构造直角三角窗函数，具体为：

将减法器信号的过程作为直角三角窗函数的输出，构造直角三角窗函数，公式为：

PV

其中，PV

实施本发明实施例，获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号，并根据减法器信号，构造直角三角窗函数；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。通过单位阶跃信号和各种信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，构造直角三角窗函数，将直角三角窗函数用于滤波时，使得滤波输出相位超前，滤波输出超前于一阶惯性滤波器滤波输出，突破一阶惯性滤波器的指数型的跟踪滤波机制，提高滤波性能及效果。

实施例二

相应地，参见图2，图2是本发明提供的一种直角三角窗函数的构造装置的实施例二的结构示意图。如图2所示，直角三角窗函数的滤波装置包括信号处理模块201和构造模块202；

其中，信号处理模块201用于获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号，并根据减法器信号，构造直角三角窗函数；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器。

信号处理模块201包括延时积分处理单元2011和信号加减处理单元2012；

其中，延时积分处理单元2011用于将单位阶跃信号输入至第一延时器，在第一延时器输出端得到第一延时信号，公式为：

PV

其中，PV

将单位阶跃信号输入至第一积分器，在第一积分器输出端得到第一积分信号，公式为：

T

其中，PV

将第一积分信号输入至第二延时器，在第二延时器输出端得到第二延时信号，公式为：

PV

其中，PV

信号加减处理单元2012用于将第一延时信号与第二延时信号输入至二输入加法器，在二输入加法器输出端得到加法器信号，公式为：

PV

其中，PV

将第一积分信号输入至二输入减法器的被减数端，将加法器信号输入至二输入减法器的减数端，在二输入减法器输出端得到减法器信号，公式为：

PV

其中，PV

构造模块202用于构造模块用于根据减法器信号，构造直角三角窗函数。

可选的，将减法器信号的过程作为直角三角窗函数的输出，构造直角三角窗函数，公式为：

PV

其中，PV

实施例三

相应地，本发明提供的滤波器包括直角三角窗函数的构造装置和第二积分器；其中，直角三角窗函数的构造装置执行的直角三角窗函数的构造方法；

可选的，将直角三角窗函数与第二积分器串联，获得滤波器，并通过滤波器进行信号滤波，具体包括步骤301至步骤302，各步骤具体如下:

步骤301：根据直角三角窗函数，确定直角三角窗函数的拉普拉斯传递函数，公式为：

T

其中，f

在本实施例中，f

步骤302：将直角三角窗函数与第二积分器串联，获得滤波器，公式为：

其中，f

在本实施例中，f

在本实施例中，通过滤波器(加速型最速跟踪滤波器AFTF)进行信号的滤波，以此验证滤波效果，将滤波器(加速型最速跟踪滤波器AFTF)用于某1000MW火电机组的主蒸汽温度过程信号的滤波。

一阶惯性滤波器FOIF的公式如下：

其中，f

将加速型最速跟踪滤波器AFTF用于某1000MW火电机组的、主蒸汽温度过程信号的滤波处理，并且与一阶惯性滤波器FOIF滤波结果进行对比，设置T

需要说明的是，低通滤波器存在滤波滞后，滤波性能的好坏主要体现在滤波滞后的大小，滞后越大性能相对也越差，FOIF滤波是常用滤波器，AFTF滤波与FOIF滤波相比超前明显，性能提高。

实施本发明实施例，获取单位阶跃信号，将单位阶跃信号通过信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，获得减法器信号，并根据减法器信号，构造直角三角窗函数；其中，信号处理器包括第一延时器、第一积分器、第二延时器、二输入加法器和二输入减法器；将直角三角窗函数与第二积分器串联，获得加速跟踪滤波器，并通过加速跟踪滤波器进行信号滤波。通过单位阶跃信号和各种信号处理器进行延时积分处理和信号加减处理，构造直角三角窗函数，再通过直角三角窗函数设计的加速型最速跟踪滤波器，使得滤波输出相位超前，加速型最速跟踪滤波器滤波输出超前于一阶惯性滤波器滤波输出，突破一阶惯性滤波器的指数型的跟踪滤波机制，提高滤波性能及效果。

另外，本申请实施例还提供一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。