专利名称：用于确定与施加到装置上的力相关的频率值的系统、方法和制品的制作方法
背景技术：
机械系统或装置可使用动态模型进行数学模拟。动态模型通常使用施力波形作为模型的输入。施力波形利用傅立叶变换进行从时间域向频率域的数学转换。在频率域中，施力波形由对应于多条谱线的频率域谱表示，所述多条谱线中的每条谱线都具有特定的幅值和频率。通常情况下，使用频率域谱作为动态模型的输入以计算出所需的输出波形。计算所需的输出波形也被称为求解动态模型。然而，当使用施力波形的整个频率域谱计算所需的输出波形时，计算机内的计算时间相对较长。
因此，所希望的是存在一种方法，所述方法用于选择与施力波形相关的频率域谱的频率值的子集以减少求解动态模型所需要的计算时间量。
发明内容
提供一种根据典型实施方式的用于确定与施加到装置上的力相关的频率值的方法。所述方法包括确定与施加到装置上的第一施力波形相关的第一组多个谱幅值。所述方法还包括确定与施加到装置上的第二施力波形相关的第二组多个谱幅值。所述方法还包括基于第一和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值。所述方法还包括基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值。所述方法还包括通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值。最后，所述方法包括通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。
提供一种根据典型实施方式的制品。所述制品包括计算机存储介质，所述计算机存储介质具有在其中编码的用于确定与施加到装置上的力相关的频率值的计算机程序。所述计算机存储介质包括用于确定与施加到装置上的第一施力波形相关的第一组多个谱幅值的代码。所述计算机存储介质还包括用于确定与施加到装置上的第二施力波形相关的第二组多个谱幅值的代码。所述计算机存储介质还包括基于第一组和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值的代码。所述计算机存储介质还包括基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值的代码。所述计算机存储介质还包括用于通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值的代码。最后，所述计算机存储介质包括用于通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值的代码。
提供一种根据另一典型实施方式的用于确定与施加到装置上的力相关的频率值的系统。所述系统包括与装置可操作耦合的第一传感器。第一传感器产生表示施加到装置上的第一施力波形的随时间的第一信号。所述系统还包括与装置可操作耦合的第二传感器。第二传感器产生表示施加到装置上的第二施力波形的随时间的第二信号。所述系统还包括与第一传感器和第二传感器保持可操作通信的计算机。所述计算机被构造以确定与第一施力波形相关的第一组多个谱幅值。计算机还被构造以确定与第二施力波形相关的第二组多个谱幅值。计算机还被构造以基于第一组和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值。计算机还被构造以基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值。计算机还被构造以通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值。计算机还被构造以通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。
提供一种根据另一典型实施方式的用于确定与施加到装置上的力相关的频率值的系统。所述系统包括与装置可操作耦合的第一传感器装置，所述第一传感器装置用于产生表示施加到装置上的第一施力波形的随时间的第一信号。所述系统还包括与装置可操作耦合的第二传感器装置，所述第二传感器装置用于产生表示施加到装置上的第二施力波形的随时间的第二信号。所述系统还包括与第一传感器和第二传感器保持可操作通信的计算机装置。计算机装置被构造以确定与第一施力波形相关的第一组多个谱幅值。计算机装置还被构造以确定与第二施力波形相关的第二组多个谱幅值。计算机装置还被构造以基于第一组和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值。计算机装置还被构造以基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值。计算机装置还被构造以通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值。计算机装置还被构造以通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。
通过下列附图和详细描述，本实施方式的其它系统和/或方法对于本领域的技术人员来说将更易于理解。所有这种附加的系统和方法旨在本发明的范围内，并受所附技术方案的保护。
图1示出了包括压缩机和监控计算机的压缩机监控系统；图2是图1所示的压缩机的曲轴的一部分的示意图；图3-8是确定与施加到压缩机曲轴上的力相关的频率值的方法的流程图；和图9是如图1所示的压缩机中的曲轴、连杆、活塞杆和活塞的简化示意图。
具体实施例方式
参见图1、图2和图9，图中示出用于监控压缩机12操作的压缩机监控系统10。压缩机监控系统10还包括压力传感器15、16、17、18和监控计算机14。为了更好地理解用于确定与施加到压缩机12曲轴上的力相关的频率值的方法，以下对压缩机监控系统10的构造进行简要的说明。
设置压缩机12以加压使流体通过头端室32和曲柄端室34。如图所示，压缩机12包括外壳19、曲轴20、连杆25、十字头26、十字头销124、活塞杆28和活塞30。应该注意的是，尽管为了简化理解图中仅示出了一个活塞，但压缩机12可包括多个活塞、连杆、十字头销和活塞杆。
设置外壳以封闭压缩机12的所有剩余元件。曲轴20被设置在外壳19中并与使曲轴20旋转的致动装置(未示出)保持可操作连接。曲轴20具有第一曲轴行程部分21，邻近连杆25的大端120。此外，曲轴20与连杆25的大端120可操作连接。此外，十字头26在十字头销124处与连杆25的小端122可操作连接。
应该注意的是，曲轴20还包括与邻接的另一个连杆(未示出)扭转连接的曲轴行程部分22。
如图所示，十字头26的第二端被连接到活塞杆28上，所述活塞杆28受到十字头26沿着轴线35的线性驱动。活塞杆28还与活塞30相连。因此，活塞杆28的线性移动使活塞30根据其移动方向线性移动进入头端室32或者曲柄端室34。
设置压力传感器15，16以分别产生压力信号P1和P2，所述压力信号P1和P2分别表示在曲柄端室34内和头端室32内的活塞30产生的压力。正如下文将要进行的更详细的说明，计算机14将利用信号P1和P2以确定代表施加到曲轴行程部分21的平面24上的力的施力波形。
设置压力传感器17，18以分别产生压力信号P3和P4，所述压力信号P3和P4分别表示在曲柄端室内和头端室内的另一个活塞(未示出)产生的压力。正如下文将要进行的更详细的说明，计算机14将利用信号P3和P4以确定代表施加到曲轴行程部分22的平面23上的力的施力波形。
设置监控计算机14以分别接收来自压力传感器15、16的压力信号P1、P2并产生第一施力波形。监控计算机14还被设置以分别接收来自压力传感器17、18的压力信号P3、P4并产生第二施力波形。在产生第一和第二施力波形后，计算机14被设置以实施用于确定与第一和第二施力波形20相关的频率值的方法。监控计算机14包括与存储介质保持可操作通信的中央处理器(CPU)36，所述存储介质包括只读存储器(ROM)38和随机存取存储器(RAM)40。存储介质可使用多种已公知的存储器装置，例如可编程只读存储器(PROM)、可擦写可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、闪存或任何其它能存储数据的电、磁、光学或组合存储器装置中的任何一种，所述数据中的一些是中央处理器36使用的可执行的指令。中央处理器36通过输入/输出接口42与压力传感器15、16、17、18保持通信。
参见图3-图8，以下对用于确定与施加到曲轴20上的力相关的频率值的方法进行说明。该方法目的在于分别确定与分别施加到曲轴行程部分21、22上的第一和第二施力波形相关的第一组和第二组多个所需频率值。应该注意的是，可以计算与曲轴20相关的附加部件的附加施力波形，所述附加部件包括曲轴行程部分、飞轮和驱动曲轴的马达(未示出)。此外，应该注意的是，在典型实施方式中，中央处理器36能够利用第一施力波形执行步骤60-78，而同时利用第二施力波形执行步骤80-98。
在步骤60中，中央处理器36基于压力信号P1、P2确定与作用在第一活塞3 0上的气体压力相关的第一气体压力波形。第一气体压力波形可通过对下面的随时间的方程进行迭代计算被确定FGAS1＝(PCE1ACE1-PHE1AHE1)-PAMB1AROD1其中FGAS1表示瞬间气体压力；PCE1表示由信号P1得到的曲柄端室内的压力；ACE1表示曲柄端室的面积；PHE1表示由信号P2得到的头端室内的压力；AHE1表示头端室的面积；PAMB1表示外壳内推压活塞杆的气体压力；和AROD1表示活塞杆的面积。
在步骤62中，中央处理器36确定与第一汽缸活塞30的惯性力相关的第一惯性力波形。第一惯性力波形可通过对下面的随时间的方程进行迭代计算被确定Fm1＝(mxhead1+mp1+mprod1+mconsm1)x1其中Fm1表示十字头销、活塞、活塞杆和连杆小端的瞬间惯性力；mxhead1表示十字头销的质量；mp1表示活塞的质量；mprod1表示活塞杆的质量；mconsm1表示连杆小端的质量；和x1表示方程示出的累积质量的加速度。
在步骤64中，中央处理器36确定表示在曲轴行程部分21处的曲轴扭矩的第一施力波形。第一施力波形基于第一气体压力波形和第一惯性力波形而确定。第一施力波形可通过对下面的随时间的方程进行迭代计算被确定
T1=-(FGAS1+Fm1)rsinθ1[1+rcosθ1L2-r2sin2θ1]]]>其中T1表示在曲轴行程部分处的瞬间扭矩；r表示从曲轴旋转轴127到曲轴轭中心点126的距离；θ1表示曲轴的角位置；和L表示曲轴轭中心点126和十字头销124的中心点之间的连杆的长度。
接下来在步骤66中，中央处理器36确定第一施力波形是否是基于曲轴的整数次旋转而产生的。如果步骤66的值等于“是”，方法前进至步骤70。否则方法前进至步骤68。
在步骤68中，中央处理器36将第一施力波形的数个部分复制到自身以得到具有与曲轴整数次旋转相关的点的第一施力波形。在步骤68之后，方法前进至步骤70。
在步骤70中，中央处理器36从第一施力波形中去除第一直流分量以得到第一修正施力波形。
在步骤72中，中央处理器36将第一直流分量储存在只读存储器38中。
在步骤74中，中央处理器36将傅立叶变换应用于第一修正施力波形以得到第一组多个复数谱值。例如，第一组多个复数谱值可具有下列值(i)1.2+j1.6，(ii)1.0+j1.5，(iii)1.5+j2.1，(iv)0.8+j0.2。
接下来在步骤76中，中央处理器36基于第一组多个复数谱值计算第一组多个谱幅值。第一组多个谱幅值中的每一个值可使用下列方程进行计算Amp1=Re2+Im2]]>其中Amp1表示谱幅；Re2表示复数实部的平方；Im2表示复数虚部的平方。
例如，分别基于第一组多个复数谱值(i)1.2+j1.6，(ii)1.0+j1.5，(iii)1.5+j2.1，(iv)0.8+j0.2，第一组多个谱幅值可具有下列值(i)2.0，(ii)1.8，(iii)2.6，(iv)0.8。
在步骤78中，中央处理器36确定来源于第一组多个谱幅值的第一最大谱幅。特别是，中央处理器36确定第一组多个谱幅值中的哪一个具有最大数值。
参见图1，图3，图6和图7，步骤80-98产生与第二活塞(未示出)相关的第二施力波形，现在将对此进行说明。为了讨论的目的，第二活塞具有关联的曲柄端室、头端室、活塞、十字头销和连杆。
在步骤80中，中央处理器36基于压力信号P3、P4确定与作用在第二活塞(未示出)上的气体压力相关的第二气体压力波形。应该注意的是，压力信号P3和P4的采样开始时间与压力信号P1和P2的采样开始时间是相同的。此外，压力信号P3和P4的采样速率与压力信号P1和P2的采样速率是相同的。第二气体压力波形可通过对下面的随时间的方程进行迭代计算被确定FGAS2＝(PCE2ACE2-PHE2AHE2)-PAMB2AROD2其中FGAS2表示瞬间气体压力；PCE2表示由信号P3得到的曲柄端室内的压力；ACE2表示曲柄端室的面积；PHE2表示由信号P4得到的头端室内的压力；AHE2表示头端室的面积；PAMH2表示外壳内推压活塞杆的气体压力；和AROD2表示活塞杆的面积。
在步骤82中，中央处理器36确定与第二汽缸活塞(未示出)的惯性力相关的第二惯性力波形。第二惯性力波形可通过对下面的随时间的方程进行迭代计算被确定Fm2＝(mxhead2+mp2+mprod2+mconsm2)x2其中Fm2表示十字头销、活塞、活塞杆和连杆小端的瞬间惯性力；mxhead2表示十字头销的质量；mp2表示活塞的质量；
mprod2表示活塞杆的质量；mconsm2表示连杆小端的质量；和x2表示上述方程示出的累积质量的加速度。
在步骤84中，中央处理器36确定表示在曲轴行程部分22处的曲轴扭矩的第二施力波形。第二施力波形基于第二气体压力波形和第二惯性力波形被确定。第二施力波形可通过对下面的随时间的方程进行迭代计算被确定T2=-(FGAS2+Fm2)rsinθ2[1+rcosθ2L2-r2sin2θ2]]]>其中T2表示在曲轴行程部分处的瞬间扭矩；r表示从曲轴旋转轴127到曲轴轭中心点的距离；θ2表示曲轴的角位置；L表示曲轴轭中心点和十字头销的中心点之间的连杆的长度。
接下来在步骤86中，中央处理器36确定第二施力波形是否是基于曲轴的整数次旋转而产生的。如果步骤86的值等于“是”，方法前进至步骤90。否则，方法前进至步骤88。
在步骤88中，中央处理器36将第二施力波形的数个部分复制到自身以得到具有与曲轴整数次旋转相关的点的第二施力波形。在步骤88之后，方法前进至步骤90。
在步骤90中，中央处理器36从第二施力波形中去除第二直流分量以得到第二修正施力波形。
在步骤92中，中央处理器36将第二直流分量储存在只读存储器38内。
在步骤94中，中央处理器36将傅立叶变换应用于第二修正施力波形以得到第二组多个复数谱值。例如，第二组多个复数谱值可具有下列值(i)1.2+j1.6，(ii)1.0+j1.5，(iii)1.5+j2.1，(iv)0.8+j0.2。
接下来到步骤96，中央处理器36基于第二组多个复数谱值计算第二组多个谱幅值。第二组多个谱幅值中的每一个值可使用下列方程进行计算Amp2=Re2+Im2]]>
其中Amp2表示谱幅；Re2表示复数实部的平方；Im2表示复数虚部的平方。
例如，分别基于第二组多个复数谱值(i)1.2+j1.6，(ii)1.0+j1.5，(iii)1.5+j2.1，(iv)0.8+j0.2，第二组多个谱幅值可具有下列值(i)2.0，(ii)1.8，(iii)2.6，(iv)0.8。
在步骤98中，中央处理器36确定来源于第二组多个谱幅值的第二最大谱幅。特别是，中央处理器36确定第二组多个谱幅值中的哪一个具有最大数值。
参见图5和图8，在步骤78或步骤98后，方法前进至步骤1 00。在步骤100中，中央处理器36通过计算第一最大谱幅和第二最大谱幅中的较大值确定总的最大谱幅。
接下来在步骤102中，中央处理器36基于总的最大谱幅和接受值确定幅度阈值。例如，幅度阈值可利用下列方程进行计算幅度阈值＝总的最大谱幅×接受值接受值可基于在求解动态模型中的所需谱幅数值和所需精确度经验性地确定。例如，总的最大谱幅可为2.6，接受值可为大约0.4，得出结果幅度阈值为1.04。应该注意的是，可通过对使用特定的接受值与相应的测量值而得到的动态模型求解进行比较而经验性地确定所需精确度。
接下来在步骤104中，中央处理器36通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值。例如，第一组多个所需频率值可包括频率1、频率2和频率3，因为与这些频率相关的谱幅值大于幅度阈值1.04。
接下来在步骤106中，中央处理器36通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。例如，第二组多个所需频率值可包括频率5、频率6和频率7，因为与这些频率相关的谱幅值大于幅度阈值1.04。
接下来在步骤108中，中央处理器36利用一组频率求解曲轴的动态模型，所述一组频率包括以下的并集(i)第一和第二直流分量，(ii)与第一组多个所需频率值相关的第一组多个复数谱值的子集，和(iii)与第二组多个所需频率值相关的第二组多个复数谱值的子集。
用于确定与施加到曲轴上的力相关的频率值的本发明的方法和制品明显优于已公知的方法。特别地，本发明的实施方式提供了选择与一个或多个施力波形相关的频率域谱的频率值子集的技术效果，以便大大减少计算机内求解动态模型所需要的计算时间量。
尽管结合典型实施方式已对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将要理解的是，可以在不偏离本发明的范围内做出各种改变且可以在不偏离本发明的范围内等效替换其中的元件。另外，可以根据本发明的教导在不偏离本发明的范围内做出多种变型以适应特别的情况。因此，本发明不是旨在受到所披露的用于以实施本发明的实施方式的限制，但是本发明包括落入预定技术方案范围内的所有实施方式。此外，虽然术语第一、第二等的使用不表示任何重要性的次序，但更确切地说，术语第一、第二等被用以将一个元件与另一个元件区分开。建议的技术方案1-9，13。
零件目录表压缩机监控系统10压缩机12监控计算机14压力传感器15，16，17，18外壳19曲轴20第一和第二施力波形20第一曲轴行程部分21曲轴行程部分22平面23平面24连杆25十字头26活塞杆28活塞30头端室32曲柄端室34轴线35中央处理器36只读存储器(ROM)38随机存取存储器(RAM)40输入/输出接口42大端120小端122十字头销124曲轴旋转轴127曲轴轭中心点126压力信号P1，P2压力信号P3，P权利要求
1.一种用于确定与施加到装置(12)上的力相关的频率值的方法，所述方法包括确定与施加到装置上的第一施力波形相关的第一组多个谱幅值；确定与施加到装置上的第二施力波形相关的第二组多个谱幅值；基于第一组和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值；基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值；通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值；和通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定第一组多个谱幅值的步骤包括确定基于装置(12)的整数次旋转的表示施加到装置(12)上的力的第一施力波形；从第一施力波形去除直流分量以得到第一修正施力波形；和计算与第一修正施力波形相关的第一组多个谱幅值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述计算第一组多个谱幅值的步骤包括将傅立叶变换应用到第一修正施力波形上以得到第一组多个谱幅值。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一施力波形由基于装置(12)整数次旋转而收集到的数据而确定。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定最大谱幅值的步骤包括通过确定第一组多个谱幅值中的最高值确定第一最大值；通过确定第二组多个谱幅值中的最高值确定第二最大值；和选择第一最大值和第二最大值中的较大值以得到最大谱幅值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定幅度阈值的步骤包括以接受值乘以最大谱幅值以得到幅度阈值。
7.一种制品，包括具有在其中编码的用于确定与施加到装置(12)上的力相关的频率值的计算机程序的计算机存储介质，所述计算机存储介质包括用于确定与施加到装置上的第一施力波形相关的第一组多个谱幅值的代码；用于确定与施加到装置上的第二施力波形相关的第二组多个谱幅值的代码；用于基于第一组和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值的代码；用于基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值的代码；用于通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值的代码；和用于通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值的代码。
8.根据权利要求7所述的制品，其中所述用于确定第一组多个谱幅值的代码包括用于确定基于装置(12)的整数次旋转的表示施加到装置上的力的第一施力波形的代码；用于从第一施力波形中去除直流分量以得到第一修正施力波形的代码；和用于计算与第一修正施力波形相关的第一组多个谱幅值的代码。
9.根据权利要求7所述的制品，其中所述用于计算第一组多个谱幅值的代码包括用于将傅立叶变换应用到第一修正施力波形上以得到第一组多个谱幅值的代码。
10.一种用于确定与施加到装置(12)上的力相关的频率值的系统，包括与装置(12)可操作耦合的第一传感器(15)，所述第一传感器(15)产生表示施加到装置(12)上的第一施力波形的随时间的第一信号(P1)；与装置(12)可操作耦合的第二传感器(16)，所述第二传感器(16)产生表示施加到装置(12)上的第二施力波形的随时间的第二信号(P2)；与第一传感器和第二传感器(15，16)可操作通信的计算机(14)，所述计算机(14)被构造以确定与第一施力波形相关的第一组多个谱幅值，所述计算机(14)还被构造以确定与第二施力波形相关的第二组多个谱幅值，所述计算机(14)还被构造以基于第一组和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值，所述计算机(14)还被构造以基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值，所述计算机(14)还被构造以通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值，所述计算机(14)还被构造以通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。
全文摘要
提供一种用于确定与施加到装置上的力相关的频率值的系统、方法和制品。该方法包括确定与施加到装置上的第一施力波形相关的第一组多个谱幅值。该方法还包括确定与施加到装置上的第二施力波形相关的第二组多个谱幅值。该方法还包括基于第一和第二组多个谱幅值确定最大谱幅值。该方法还包括基于最大谱幅值和接受值确定幅度阈值。该方法还包括通过选择与大于或等于幅度阈值的第一组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第一组多个所需频率值。最后，该方法还包括通过选择与大于或等于幅度阈值的第二组多个谱幅值的子集相关的频率值确定第二组多个所需频率值。
文档编号G10L25/90GK1664735SQ200510051888
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月3日 优先权日2004年3月3日
发明者C·T·哈奇 申请人:通用电气公司