粘着控制中数据处理方法研究与实现

摘要

随着我国国民经济的快速发展，为了带动区域经济的腾飞，高速、重载机车仍然并将更大地承担起这一辉煌任务。电力机车的运行，依赖于轮轨间的粘着力，有效利用粘着力，一方面能提高机车牵引效率、发挥电机功率，另一方面则能提升机车运行时的安全性和舒适性。粘着控制装置，正是针对这一问题所研发的调节保护装置。粘着控制的研究中，传感器测量的速度、转矩信号是一系列分析计算的基础。而往往这些数据中，会夹杂很多无关干扰、噪声等，为分析带来不便。
　　本文对于空转识别部分，采用希尔伯特黄变换方法，以机车在空转时发生自激振动为理论依据，并从时频能量角度着眼，选取特定频率段、考察能量积聚的百分比，结合既有方法，共同预测空转发生的可能，从而实现提前判断。
　　针对噪声干扰的问题，本文从机车实际运行角度出发，在分析过机车速度数据后，提出一种适用于实验的滤波方法，之后再利用MATLAB所提供的工具箱可以快速便捷地设计、修改满足特定性能的滤波器，设计好参数之后通过软件配置，与FPGA平台的Modelsim软件进行联合仿真，自动生成所需系数和定点化代码。
　　在上述环节得到滤波器系数并定点化之后，再利用串行分布式DA算法，将FPGA平台设计滤波器时相对困难的乘累加运算环节，转化为具有FPGA特点的查找表运算，在不损失速度的前提下大幅降低了芯片资源消耗，同时也降低了编程难度。仿真结果表明，所设计的滤波器性能与MATLAB平台所得到的预期基本一致，从而完善了整套数据处理方法的流程。
　　本文对希尔伯特黄变换在空转识别中的应用，以及数据处理方法在FPGA平台的尝试，是对后续粘着控制装置改进的有力探索，为后续相关研究打下了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．2 电力机车粘着控制研究现状

1．2．1 粘着控制技术研究现状

1．2．2 信号分析方法研究现状

1．3 本文主要工作

第2章 机车粘着控制原理

2．1 粘着理论简介

2．2 粘着基本概念

2．2．1 蠕滑摩擦力和粘着系数

2．2．2 粘着特性曲线

2．3 工程常用数字滤波算法简介

2．3．1 算数平均值滤波

2．3．2 加权平均值滤波

2．3．3 滑动平均值滤波

2．3．4 中值滤波

2．4 时频分析方法

2．4．1 短时傅里叶变换

2．4．2 Gabor展开和Gabor变换

2．4．3 小波变换

2．5 空转的形成及其判据

2．5．1 空转形成原因

2．5．2 空转识别判据

2．6 本章小结

第3章 HHT变换在粘着控制中的应用

3．1 HHT算法的重要概念

3．1．1 瞬时频率概念

3．1．2 希尔伯特变换的定义

3．1．3 本征模态函数

3．2 经验模态分解(EMD)原理

3．2．1 筛选过程

3．2．2 EMD分解的完备性和正交性

3．2．3 EMD筛选过程停止准则

3．3 希尔伯特谱分析

3．4 基于希尔伯特黄变换的机车空转识别

3．4．1 时频分析应用在空转预测中的理论基础

3．4．2 单一大空转分析

3．4．3 多空转分析

3．4．3 对电流检测量的分析

3．5 本章小结

第4章 粘着控制中滤波环节的设计

4．1 综合滤波方法简介

4．2 综合滤波方法的选定

4．2．1 限幅滤波

4．2．2 一阶低通滤波

4．3 滤波器设计

4．3．1 FDATool和Fdesign定点化

4．3．2 Simulink-Modelsim联合仿真

4．4 滤波器仿真效果

4．4．1 限幅滤波效果

4．4．2 FDATool设计滤波器效果

4．4．3 Simulink-Modelsim联合仿真结果

4．5 本章小结

第5章 利用FPGA实现的串行DA算法FIR滤波器

5．1 FPGA在数据处理领域的应用

5．2 DA算法设计FIR滤波器

5．2．1 分布式算法原理

5．2．2 DA查找表的分割

5．2．3 串行DA算法

5．3 硬件设计组成与原理

5．3．1 移位寄存器

5．3．2 16选1模块

5．3．3 查找表模块

5．3．4 移位累加模块

5．3．5 全局控制模块

5．4 设计综合和仿真验证

5．4．1 移位寄存器模块仿真

5．4．2 累加器模块仿真结果

5．4．3 完整输入与输出结果

5．5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果