专利名称：过程控制系统信号频率谱分析方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程控制技术领域，尤其涉及一种过程控制系统信号频率谱分析方法和一种过程控制系统信号频率谱分析装置。
背景技术：
在控制回路中施加激励信号获取相应的过程响应是控制工程应用最广泛的一种实验分析方法和手段。经典实验方法主要有以阶跃信号为激励的阶跃时域分析法，以正弦或余弦波频率信号激励的频域分析法等。时域分析是描述数学函数或物理信号对时间的关系，频域分析则是描述信号在频率方面的特性。例如，信号强度随时间的变化规律属于时域特性，信号是由哪些单一频率的信号合成的则属于频域特性。对信号进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关，这就需要进一步分析信号的频率结构，并在频率域中对信号进行描述。控制回路或对象的频率特性分析方法是控制系统设计、性能分析、参数调整、参数模型辨识的本质方法和根本性依据，系统开环频率特性是分析系统稳定性指标的基本方法之一、特别是对系统鲁棒性的分析具有十分重要的意义。在工业过程中，在频率域中对信号进行分析或描述受到了各种因素的限制。首先，获取频率特性便是一项极其繁杂的事情，有时工艺过程却不允许施加过大的正弦波激励信号。其次，对于慢时变过程系统而言，试验所经历的时间较长，可能受到的干扰能量更大。因而，控制实践中，工程技术人员往往通过对象或系统的时域过渡过程来研究控制系统特性。然而，通过这种时域分析手段难以掌握对象的本质特性，致使分析和研究过程具有较大的盲目性。最后，现有技术当中，动态信号从时间域变换到频率域主要通过傅里叶级数和傅里叶变换实现，繁杂的傅里叶变换计算增加了实验的难度。
发明内容
为解决上述的傅里叶计算较为复杂的问题，本发明提供了一种过程控制系统信号频率谱分析方法和一种过程控制系统信号频率谱分析装置。一种过程控制系统信号频率谱分析方法，包括以下步骤按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y轴方向相量；将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积；根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。与现有技术相比，本发明所提出的过程控制系统信号频率谱分析方法，能够快速准确地分析出过程信号中的频率谱成分，作为频域分析的数据源。例如，根据所提取出过程对象的输入、输出信号中的频率谱特性并进行幅值和相位比较，便可获取该过程对象的频率特性。一种过程控制系统信号频率谱分析装置，包括阶跃信号分解模块、阶跃信号转换模块、频率信号分解模块、相量累积模块和频率信号恢复模块；所述阶跃信号分解模块用于按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；所述阶跃信号转换模块用于将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；所述频率信号分解模块用于将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y 轴方向相量；所述相量累积模块用于将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积；所述频率信号恢复模块用于根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。与现有技术相比，本发明所提出的过程控制系统信号频率谱分析装置，能够快速准确地分析出过程信号中的频率谱成分，作为频域分析的数据源。
图1是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法的示意流程图；图2是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法一个将时间窗口宽度为T的过程信号分解为N个阶跃信号的实施例示意图；图3是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法中阶跃信号构成参数的示意图；图4是本发明过程控制系统信号频率谱分析方法中频率信号相量分解的示意图；图5是本发明过程控制系统信号频率谱分析装置的结构示意图；图6是本发明过程控制系统信号频率谱分析装置一个实施例效果示意图；图7是本发明过程控制系统信号频率谱分析装置一个实施例示意图。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明所提出的过程控制系统信号频率谱分析方法与装置的技术方案，进行清楚和完整的描述。请参阅图1，本发明过程控制系统信号频率谱分析方法的示意流程图。本发明过程控制系统信号频率谱分析方法，包括以下步骤SlOl按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；将预设时间窗口宽度T内的过程信号按相等的采样间隔Tn，分解为U1⑴、 U2 (t)……Ulrl (t)、Un (t)等N个阶跃信号，如图2所示任意阶跃信号的阶跃值表达式为In = U(O-U(V1)η = 1,2· · ,N(1)S102将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；将每一个阶跃信号用指数频率信号表达式进行表达，共产生N个指数频率信号表达式如图3所示，任意一个阶跃信号均由统一的2个参数构成，分别是相对起始时间的阶跃时刻tn、阶跃值In参数构成，其中&等同于相对起始时间的纯延时值，&也为各采样时刻。任意一个阶跃信号的指数频率信号表达式为U {]ω) = e^01 ^°·5π =η = \,2.·,Ν(2)
^oωω上述表达式⑵的说明如下对于非周期的阶跃信号，也可以进行傅里叶变换为各种频率下的周期信号的叠加，单位阶跃信号变换后的指数频率信号表达式如下-β-]0·5π ω^Ο(3) ω表达式(3)中，I为阶跃幅值，表达式C3)表明阶跃信号是由无数个连续频率、幅值为In/ω、初始相位为-90°的正弦波信号叠加而成。对于纯延时环节的指数频率特性表达式为τ ω (4)表达式中τ为纯延时值。S103将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y轴方向相量；将每一个频率信号分解为Y方向和X方向的相量，共分解为N个Y方向相量和N 个X方向的相量。如图4所示，将任意一个频率信号分解为Y方向和X方向相量，具体为Iy_n( )、 Ιχ_η(ω)方向相量任意一个频率信号的Y方向和X方向相量表达式如下
权利要求
1.一种过程控制系统信号频率谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤 按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；将每一个所述频率信号分别分解为χ轴方向相量和Y轴方向相量；将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积；根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。
2.如权利要求1所述的过程控制系统信号频率谱分析方法，其特征在于，在所述将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号的步骤中，所述转换的频率信号为指数频率信号。
3.如权利要求1所述的过程控制系统信号频率谱分析方法，其特征在于，在所述按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号的步骤中，包括以下步骤按相等的时间间隔，将预设时间窗口宽度内的过程信号分解为若干个阶跃信号。
4.如权利要求1所述的过程控制系统信号频率谱分析方法，其特征在于，在所述根据 X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号的步骤中，所述恢复的频率信号为指数频率信号。
5.如权利要求3所述的过程控制系统信号频率谱分析方法，其特征在于，在所述根据 X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号的步骤中，包括以下步骤根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为代表预设时间窗口宽度内过程信号的频率信号。
6.一种过程控制系统信号频率谱分析装置，其特征在于，包括阶跃信号分解模块、阶跃信号转换模块、频率信号分解模块、相量累积模块和频率信号恢复模块；所述阶跃信号分解模块用于按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号； 所述阶跃信号转换模块用于将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号； 所述频率信号分解模块用于将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y轴方向相量；所述相量累积模块用于将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积； 所述频率信号恢复模块用于根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。
7.如权利要求6所述的过程控制系统信号频率谱分析装置，其特征在于，所述阶跃信号分解模块包括纯延时单元、第一采样保持单元、第二采样保持单元、脉冲发生单元和第一减法器单元；纯延时单元的输入端用于接收过程信号，纯延时单元的延时值设置端用于接收采样间隔信号，纯延时单元的输出端连接第二采样保持单元的输入端，第二采样保持单元的使能端连接脉冲发生单元的输出端，脉冲发生单元的使能端用于接收启动分析信号，脉冲发生单元的脉冲间隔值设置端用于接收采样间隔信号，第一采样保持单元的使能端连接脉冲发生单元的输出端，第一采样保持单元的输入端用于接收过程信号，第一采样保持单元的输出端连接第一减法器单元的第一输入端，第二采样保持单元的输出端连接第一减法器单元的第二输入端；纯延时单元接收采样间隔信号用于设置延时值，并对接收的过程信号进行延时，脉冲发生单元接收采样间隔信号用于设置脉冲间隔值，并接收启动分析信号用于控制脉冲输出，第一采样保持和第二采样保持单元接收脉冲发生单元的脉冲输出信号作为采样保持控制信号，第一采样保持单元对过程信号进行采样，第二采样保持单元对纯延时单元输出的过程信号延时信号进行采样，第一减法器单元接收来自第一采样保持单元和第二采样保持单元的输出信号并对其进行减法运算。
8.如权利要求7所述的过程控制系统信号频率谱分析装置，其特征在于，所述阶跃信号转换模块又进一步包括幅值计算模块和相位计算模块；所述幅值计算模块包括除法器单元，除法器单元的第一输入端连接所述阶跃信号分解模块中第一减法器单元的输出端，除法器单元的第二输入端用于接收给定分析频率信号；除法器单元接收来自所述阶跃信号分解模块中第一减法器单元的输出信号和给定分析频率信号并对其进行除法运算；所述相位计算模块包括累积计时单元、乘法器单元和第二减法器单元，累积计时单元的使能端用于接收启动分析信号，累积计时单元的累积计时间隔值设置端用于接收采样间隔作为累积计时间隔值，累积计时单元的累积计时值复位端用于接收复位信号，累积计时单元的输出端连接乘法器单元的第二输入端，乘法器单元的第一输入端用于接收给定分析频率信号，乘法器单元的输出端连接第二减法器单元的第二输入端，第二减法器单元的第一输入端用于接收固定的相位信号；累积计时单元接收启动分析信号用于控制累积计时，接收采样间隔信号用于设置累积计时间隔值，接收复位信号用于进行累积计时值复位，乘法器单元接收给定分析频率信号和来自累积计时单元的输出信号并对其进行乘法运算，第二减法器单元接收固定的相位信号和来自乘法器单元的输出信号并对其进行减法运算。
9.如权利要求8所述的过程控制系统信号频率谱分析装置，其特征在于，所述频率信号分解模块包括第一运算单元和第二运算单元，第一运算单元的第一输入端连接所述幅值计算模块中的除法器单元的输出端，第一运算单元的第二输入端连接所述相位计算模块中的第二减法器单元的输出端，第二运算单元的第一输入端连接所述相位计算模块中的第二减法器单元的输出端，第二运算单元的第二输入端连接所述幅值计算模块中的除法器单元的输出端；第一运算单元接收来自所述幅值计算模块中的除法器单元的输出信号和所述相位计算模块中的第二减法器单元的输出信号，并对其进行运算，第二运算单元接收来自所述相位计算模块中的第二减法器单元的输出信号和所述幅值计算模块中的除法器单元的输出信号，并对其进行运算；所述相量累积模块包括第一累积器单元和第二累积器单元，第一累积器单元的使能端用于接收启动分析信号，第一累积器单元的累积值复位端用于接收复位信号，第一累积单元的输入端连接所述频率信号分解模块中的第一运算单元的输出端，第二累积器单元的使能端用于接收启动分析信号，第二累积器单元的累积值复位端用于接收复位信号，第二累积单元的输入端连接所述频率信号分解模块中的第二运算单元的输出端；第一累积器单元接收启动分析信号用于控制累积运算，接收复位信号用于进行累积值复位，接收所述频率信号分解模块中的第一运算单元的输出信号并对其进行累积运算，第二累积器单元接收启动分析信号用于控制累积运算，接收复位信号用于进行累积值复位， 接收所述频率信号分解模块中的第二运算单元的输出信号并对其进行累积运算；所述频率信号恢复模块包括幅值运算单元和相位运算单元，幅值运算单元的第一输入端连接所述相量累积模块中的第一累积器单元的输出端，幅值运算单元的第二输入端连接所述相量累积模块中的第二累积器单元的输出端，相位运算单元的第一输入端连接所述相量累积模块中的第一累积器单元的输出端，相位运算单元的第二输入端连接所述相量累积模块中的第二累积器单元的输出端；幅值运算单元接收所述相量累积模块中的第一累积器单元和第二累积器单元的输出信号，对其进行运算并输出过程信号在给定分析频率的幅值信号；相位运算单元接收所述相量累积模块中的第一累积器单元和第二累积器单元的输出信号，对其进行运算并输出过程信号在给定分析频率的相位信号。
全文摘要
本发明公开了一种过程控制系统信号频率谱分析方法，包括按相等的时间间隔，将过程信号分解为若干个阶跃信号；将分解后的每一个阶跃信号分别转换为频率信号；将每一个所述频率信号分别分解为X轴方向相量和Y轴方向相量；将分解的各个X轴方向相量和Y轴方向相量分别进行累积；根据X轴方向相量的累积值和Y轴方向相量的累积值，将过程信号恢复为频率信号。此外，还公开了一种过程控制系统信号频率谱分析装置，包括阶跃信号分解模块、阶跃信号转换模块、频率信号分解模块、相量累积模块和频率信号恢复模块。本发明过程控制系统信号频率谱分析方法与装置，能够快速准确地分析出过程信号中的频率谱成分，作为频域分析的数据源。
文档编号G01R23/16GK102565532SQ20121002671
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者万文军, 庞志强, 张羲, 李军, 李鑫亮 申请人:广东电网公司电力科学研究院