過程控制系統信號頻率譜分析方法與裝置的製作方法
2023-10-09 17:03:04
專利名稱：過程控制系統信號頻率譜分析方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及工業過程控制技術領域，尤其涉及一種過程控制系統信號頻率譜分析方法和一種過程控制系統信號頻率譜分析裝置。
背景技術：
在控制迴路中施加激勵信號獲取相應的過程響應是控制工程應用最廣泛的一種實驗分析方法和手段。經典實驗方法主要有以階躍信號為激勵的階躍時域分析法，以正弦或餘弦波頻率信號激勵的頻域分析法等。時域分析是描述數學函數或物理信號對時間的關係，頻域分析則是描述信號在頻率方面的特性。例如，信號強度隨時間的變化規律屬於時域特性，信號是由哪些單一頻率的信號合成的則屬於頻域特性。對信號進行時域分析時，有時一些信號的時域參數相同，但並不能說明信號就完全相同。因為信號不僅隨時間變化，還與頻率、相位等信息有關，這就需要進一步分析信號的頻率結構，並在頻率域中對信號進行描述。控制迴路或對象的頻率特性分析方法是控制系統設計、性能分析、參數調整、參數模型辨識的本質方法和根本性依據，系統開環頻率特性是分析系統穩定性指標的基本方法之一、特別是對系統魯棒性的分析具有十分重要的意義。在工業過程中，在頻率域中對信號進行分析或描述受到了各種因素的限制。首先，獲取頻率特性便是一項極其繁雜的事情，有時工藝過程卻不允許施加過大的正弦波激勵信號。其次，對於慢時變過程系統而言，試驗所經歷的時間較長，可能受到的幹擾能量更大。因而，控制實踐中，工程技術人員往往通過對象或系統的時域過渡過程來研究控制系統特性。然而，通過這種時域分析手段難以掌握對象的本質特性，致使分析和研究過程具有較大的盲目性。最後，現有技術當中，動態信號從時間域變換到頻率域主要通過傅立葉級數和傅立葉變換實現，繁雜的傅立葉變換計算增加了實驗的難度。
發明內容
為解決上述的傅立葉計算較為複雜的問題，本發明提供了一種過程控制系統信號頻率譜分析方法和一種過程控制系統信號頻率譜分析裝置。一種過程控制系統信號頻率譜分析方法，包括以下步驟按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號；將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號；將每一個所述頻率信號分別分解為X軸方向相量和Y軸方向相量；將分解的各個X軸方向相量和Y軸方向相量分別進行累積；根據X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號。與現有技術相比，本發明所提出的過程控制系統信號頻率譜分析方法，能夠快速準確地分析出過程信號中的頻率譜成分，作為頻域分析的數據源。例如，根據所提取出過程對象的輸入、輸出信號中的頻率譜特性並進行幅值和相位比較，便可獲取該過程對象的頻率特性。一種過程控制系統信號頻率譜分析裝置，包括階躍信號分解模塊、階躍信號轉換模塊、頻率信號分解模塊、相量累積模塊和頻率信號恢復模塊；所述階躍信號分解模塊用於按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號；所述階躍信號轉換模塊用於將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號；所述頻率信號分解模塊用於將每一個所述頻率信號分別分解為X軸方向相量和Y 軸方向相量；所述相量累積模塊用於將分解的各個X軸方向相量和Y軸方向相量分別進行累積；所述頻率信號恢復模塊用於根據X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號。與現有技術相比，本發明所提出的過程控制系統信號頻率譜分析裝置，能夠快速準確地分析出過程信號中的頻率譜成分，作為頻域分析的數據源。
圖1是本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法的示意流程圖；圖2是本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法一個將時間窗口寬度為T的過程信號分解為N個階躍信號的實施例示意圖；圖3是本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法中階躍信號構成參數的示意圖；圖4是本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法中頻率信號相量分解的示意圖；圖5是本發明過程控制系統信號頻率譜分析裝置的結構示意圖；圖6是本發明過程控制系統信號頻率譜分析裝置一個實施例效果示意圖；圖7是本發明過程控制系統信號頻率譜分析裝置一個實施例示意圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發明所採取的技術手段及取得的效果，下面結合附圖及較佳實施例，對本發明所提出的過程控制系統信號頻率譜分析方法與裝置的技術方案，進行清楚和完整的描述。請參閱圖1，本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法的示意流程圖。本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法，包括以下步驟SlOl按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號；將預設時間窗口寬度T內的過程信號按相等的採樣間隔Tn，分解為U1⑴、 U2 (t)……Ulrl (t)、Un (t)等N個階躍信號，如圖2所示任意階躍信號的階躍值表達式為In = U(O-U(V1)η = 1,2· · ,N(1)S102將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號；將每一個階躍信號用指數頻率信號表達式進行表達，共產生N個指數頻率信號表達式如圖3所示，任意一個階躍信號均由統一的2個參數構成，分別是相對起始時間的階躍時刻tn、階躍值In參數構成，其中&等同於相對起始時間的純延時值，&也為各採樣時刻。任意一個階躍信號的指數頻率信號表達式為U {]ω) = e^01 ^°·5π =η = \,2.·,Ν(2)
^oωω上述表達式⑵的說明如下對於非周期的階躍信號，也可以進行傅立葉變換為各種頻率下的周期信號的疊加，單位階躍信號變換後的指數頻率信號表達式如下-β-]0·5π ω^Ο(3) ω表達式(3)中，I為階躍幅值，表達式C3)表明階躍信號是由無數個連續頻率、幅值為In/ω、初始相位為-90°的正弦波信號疊加而成。對於純延時環節的指數頻率特性表達式為τ ω (4)表達式中τ為純延時值。S103將每一個所述頻率信號分別分解為X軸方向相量和Y軸方向相量；將每一個頻率信號分解為Y方向和X方向的相量，共分解為N個Y方向相量和N 個X方向的相量。如圖4所示，將任意一個頻率信號分解為Y方向和X方向相量，具體為Iy_n( )、 Ιχ_η(ω)方向相量任意一個頻率信號的Y方向和X方向相量表達式如下
權利要求
1.一種過程控制系統信號頻率譜分析方法，其特徵在於，包括以下步驟 按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號；將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號；將每一個所述頻率信號分別分解為χ軸方向相量和Y軸方向相量；將分解的各個X軸方向相量和Y軸方向相量分別進行累積；根據X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號。
2.如權利要求1所述的過程控制系統信號頻率譜分析方法，其特徵在於，在所述將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號的步驟中，所述轉換的頻率信號為指數頻率信號。
3.如權利要求1所述的過程控制系統信號頻率譜分析方法，其特徵在於，在所述按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號的步驟中，包括以下步驟按相等的時間間隔，將預設時間窗口寬度內的過程信號分解為若干個階躍信號。
4.如權利要求1所述的過程控制系統信號頻率譜分析方法，其特徵在於，在所述根據 X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號的步驟中，所述恢復的頻率信號為指數頻率信號。
5.如權利要求3所述的過程控制系統信號頻率譜分析方法，其特徵在於，在所述根據 X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號的步驟中，包括以下步驟根據X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為代表預設時間窗口寬度內過程信號的頻率信號。
6.一種過程控制系統信號頻率譜分析裝置，其特徵在於，包括階躍信號分解模塊、階躍信號轉換模塊、頻率信號分解模塊、相量累積模塊和頻率信號恢復模塊；所述階躍信號分解模塊用於按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號； 所述階躍信號轉換模塊用於將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號； 所述頻率信號分解模塊用於將每一個所述頻率信號分別分解為X軸方向相量和Y軸方向相量；所述相量累積模塊用於將分解的各個X軸方向相量和Y軸方向相量分別進行累積； 所述頻率信號恢復模塊用於根據X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號。
7.如權利要求6所述的過程控制系統信號頻率譜分析裝置，其特徵在於，所述階躍信號分解模塊包括純延時單元、第一採樣保持單元、第二採樣保持單元、脈衝發生單元和第一減法器單元；純延時單元的輸入端用於接收過程信號，純延時單元的延時值設置端用於接收採樣間隔信號，純延時單元的輸出端連接第二採樣保持單元的輸入端，第二採樣保持單元的使能端連接脈衝發生單元的輸出端，脈衝發生單元的使能端用於接收啟動分析信號，脈衝發生單元的脈衝間隔值設置端用於接收採樣間隔信號，第一採樣保持單元的使能端連接脈衝發生單元的輸出端，第一採樣保持單元的輸入端用於接收過程信號，第一採樣保持單元的輸出端連接第一減法器單元的第一輸入端，第二採樣保持單元的輸出端連接第一減法器單元的第二輸入端；純延時單元接收採樣間隔信號用於設置延時值，並對接收的過程信號進行延時，脈衝發生單元接收採樣間隔信號用於設置脈衝間隔值，並接收啟動分析信號用於控制脈衝輸出，第一採樣保持和第二採樣保持單元接收脈衝發生單元的脈衝輸出信號作為採樣保持控制信號，第一採樣保持單元對過程信號進行採樣，第二採樣保持單元對純延時單元輸出的過程信號延時信號進行採樣，第一減法器單元接收來自第一採樣保持單元和第二採樣保持單元的輸出信號並對其進行減法運算。
8.如權利要求7所述的過程控制系統信號頻率譜分析裝置，其特徵在於，所述階躍信號轉換模塊又進一步包括幅值計算模塊和相位計算模塊；所述幅值計算模塊包括除法器單元，除法器單元的第一輸入端連接所述階躍信號分解模塊中第一減法器單元的輸出端，除法器單元的第二輸入端用於接收給定分析頻率信號；除法器單元接收來自所述階躍信號分解模塊中第一減法器單元的輸出信號和給定分析頻率信號並對其進行除法運算；所述相位計算模塊包括累積計時單元、乘法器單元和第二減法器單元，累積計時單元的使能端用於接收啟動分析信號，累積計時單元的累積計時間隔值設置端用於接收採樣間隔作為累積計時間隔值，累積計時單元的累積計時值復位端用於接收復位信號，累積計時單元的輸出端連接乘法器單元的第二輸入端，乘法器單元的第一輸入端用於接收給定分析頻率信號，乘法器單元的輸出端連接第二減法器單元的第二輸入端，第二減法器單元的第一輸入端用於接收固定的相位信號；累積計時單元接收啟動分析信號用於控制累積計時，接收採樣間隔信號用於設置累積計時間隔值，接收復位信號用於進行累積計時值復位，乘法器單元接收給定分析頻率信號和來自累積計時單元的輸出信號並對其進行乘法運算，第二減法器單元接收固定的相位信號和來自乘法器單元的輸出信號並對其進行減法運算。
9.如權利要求8所述的過程控制系統信號頻率譜分析裝置，其特徵在於，所述頻率信號分解模塊包括第一運算單元和第二運算單元，第一運算單元的第一輸入端連接所述幅值計算模塊中的除法器單元的輸出端，第一運算單元的第二輸入端連接所述相位計算模塊中的第二減法器單元的輸出端，第二運算單元的第一輸入端連接所述相位計算模塊中的第二減法器單元的輸出端，第二運算單元的第二輸入端連接所述幅值計算模塊中的除法器單元的輸出端；第一運算單元接收來自所述幅值計算模塊中的除法器單元的輸出信號和所述相位計算模塊中的第二減法器單元的輸出信號，並對其進行運算，第二運算單元接收來自所述相位計算模塊中的第二減法器單元的輸出信號和所述幅值計算模塊中的除法器單元的輸出信號，並對其進行運算；所述相量累積模塊包括第一累積器單元和第二累積器單元，第一累積器單元的使能端用於接收啟動分析信號，第一累積器單元的累積值復位端用於接收復位信號，第一累積單元的輸入端連接所述頻率信號分解模塊中的第一運算單元的輸出端，第二累積器單元的使能端用於接收啟動分析信號，第二累積器單元的累積值復位端用於接收復位信號，第二累積單元的輸入端連接所述頻率信號分解模塊中的第二運算單元的輸出端；第一累積器單元接收啟動分析信號用於控制累積運算，接收復位信號用於進行累積值復位，接收所述頻率信號分解模塊中的第一運算單元的輸出信號並對其進行累積運算，第二累積器單元接收啟動分析信號用於控制累積運算，接收復位信號用於進行累積值復位， 接收所述頻率信號分解模塊中的第二運算單元的輸出信號並對其進行累積運算；所述頻率信號恢復模塊包括幅值運算單元和相位運算單元，幅值運算單元的第一輸入端連接所述相量累積模塊中的第一累積器單元的輸出端，幅值運算單元的第二輸入端連接所述相量累積模塊中的第二累積器單元的輸出端，相位運算單元的第一輸入端連接所述相量累積模塊中的第一累積器單元的輸出端，相位運算單元的第二輸入端連接所述相量累積模塊中的第二累積器單元的輸出端；幅值運算單元接收所述相量累積模塊中的第一累積器單元和第二累積器單元的輸出信號，對其進行運算並輸出過程信號在給定分析頻率的幅值信號；相位運算單元接收所述相量累積模塊中的第一累積器單元和第二累積器單元的輸出信號，對其進行運算並輸出過程信號在給定分析頻率的相位信號。
全文摘要
本發明公開了一種過程控制系統信號頻率譜分析方法，包括按相等的時間間隔，將過程信號分解為若干個階躍信號；將分解後的每一個階躍信號分別轉換為頻率信號；將每一個所述頻率信號分別分解為X軸方向相量和Y軸方向相量；將分解的各個X軸方向相量和Y軸方向相量分別進行累積；根據X軸方向相量的累積值和Y軸方向相量的累積值，將過程信號恢復為頻率信號。此外，還公開了一種過程控制系統信號頻率譜分析裝置，包括階躍信號分解模塊、階躍信號轉換模塊、頻率信號分解模塊、相量累積模塊和頻率信號恢復模塊。本發明過程控制系統信號頻率譜分析方法與裝置，能夠快速準確地分析出過程信號中的頻率譜成分，作為頻域分析的數據源。
文檔編號G01R23/16GK102565532SQ20121002671
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月7日 優先權日2012年2月7日
發明者萬文軍, 龐志強, 張羲, 李軍, 李鑫亮 申請人:廣東電網公司電力科學研究院